楊 茂，王涵瑞，鄒志輝，沈 樂，李 洋， 吳 斌，蔣運(yùn)華，劉紅松

(1.中山大學(xué) 海洋工程與技術(shù)學(xué)院,南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室(珠海), 廣東 珠海 519000； 2.重慶長(zhǎng)安工業(yè)(集團(tuán))有限公司, 重慶 401120)

1 引言

航行體水下發(fā)射涉及復(fù)雜海洋環(huán)境下變深度航行、穿越氣水界面等復(fù)雜流動(dòng)與水動(dòng)力過程。航行體在這些復(fù)雜流動(dòng)與水動(dòng)力過程，尤其在出水過程存在空泡潰滅導(dǎo)致的強(qiáng)大非對(duì)稱載荷容易導(dǎo)致彈道失穩(wěn)[1-3]。人工主動(dòng)通氣是通過人為的辦法主動(dòng)通入非凝結(jié)氣體形成氣幕包裹航行體，可用于協(xié)助航行體出水來一定程度減緩非對(duì)稱載荷。前期學(xué)者對(duì)人工主動(dòng)通氣空泡開展了豐富的研究。

蔣運(yùn)華等[4-6]對(duì)氣射流空化器進(jìn)行水洞實(shí)驗(yàn)，觀察了通氣空泡的形成、穩(wěn)定和脫落的過程，發(fā)現(xiàn)不同通氣率下不同的空泡形態(tài)，即氣泡流、穩(wěn)定空泡、不穩(wěn)定空泡和射流空泡，這是由于隨著通氣量的增加，氣體射流從勢(shì)流核心區(qū)轉(zhuǎn)向湍流區(qū)的結(jié)果。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，給出了氣體射流長(zhǎng)度、最大空泡直徑、空化數(shù)、弗勞德數(shù)和通氣系數(shù)等無(wú)量綱參數(shù)的關(guān)系。并對(duì)不同外形的航行體阻力與流動(dòng)特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明，阻力系數(shù)很大程度取決于模型外形。鄒志輝等[7]研究航行體穿越氣液界面之后，射流形成的空泡壁面由于黏性剪切流動(dòng)存在顯著的K-H失穩(wěn)，開口空泡深度、空泡直徑和射流長(zhǎng)度隨噴氣系數(shù)呈線性增長(zhǎng)。李洋等[8]探究水下通氣空泡包裹水射流的流動(dòng)特性及相關(guān)影響因素，結(jié)果表明，通氣空泡的包裹可以增加水射流流程，空泡的變化具有周期性。Liu[9]探究了局部空泡隨著弗汝德數(shù)及通氣率的變化，分別呈現(xiàn)透明型空泡、半透明水氣混合型空泡及水氣混合型空泡。Semenenko[10]總結(jié)了空泡的3種泄氣模式，即雙渦泄氣、回射流渦環(huán)泄氣及空泡振蕩泄氣。New等[11]將射流孔附近的旋渦結(jié)構(gòu)歸納為剪切層渦、馬蹄渦、反向旋轉(zhuǎn)渦對(duì)、尾跡渦等結(jié)構(gòu)。仇洋[12]研究表明雙環(huán)排氣下，適當(dāng)增加排氣環(huán)間距，航行體表面壓力變化趨緩，但間距過大變化反而加劇。馬貴輝[13]開展了等壓排氣改善航行體出水特性及穩(wěn)健性的機(jī)理研究。探討了排氣結(jié)構(gòu)參數(shù)影響等壓排氣特性的機(jī)制。排氣氣膜降低了航行體迎、背水面的壓差，從而削弱了航行體橫向載荷及俯仰力矩對(duì)隨機(jī)平臺(tái)速度的敏感性，達(dá)到改善航行體出水特性及穩(wěn)健性的效果。任澤宇等[14]基于減壓水下航行體運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，探究了弗汝德數(shù)和空化數(shù)對(duì)空泡發(fā)展和潰滅過程的影響。盧佳興[15]的研究表明充足含氣量和較高的泡內(nèi)壓下，出水空泡潰滅過程不會(huì)在航行體表面產(chǎn)生沖擊。段磊[16]揭示了流動(dòng)處于不同流型時(shí)空泡尾部的非定常流動(dòng)特性與機(jī)理，獲得了自由液面與通氣空泡相互作用的特性。本文主要開展較大通氣量下人工通氣協(xié)助航行體出水實(shí)驗(yàn)研究。

2 實(shí)驗(yàn)裝置與模型

實(shí)驗(yàn)所用航行體水下航行及出入水運(yùn)動(dòng)平臺(tái)如圖1所示，平臺(tái)主要由水箱、運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與通氣系統(tǒng)組成。運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)由同步帶模組、運(yùn)動(dòng)控制器、高速電機(jī)、運(yùn)動(dòng)滑塊等組成。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由高速攝像機(jī)、LED燈陣列光源與FPV數(shù)據(jù)采集軟件等組成。高速攝像機(jī)型號(hào)為PhotronFastcam Mini AX200，實(shí)驗(yàn)采用分辨率為1 024×1 024，采樣頻率為6 400幀/s。通氣系統(tǒng)由供氣系統(tǒng)和流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)兩部分組成，供氣系統(tǒng)包括空壓機(jī)、壓力計(jì)、調(diào)壓閥、儲(chǔ)氣罐與高壓輸氣管等組成；流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)包括轉(zhuǎn)子流量計(jì)、電磁閥、同步控制器，氣體流量計(jì)選用Darhor的FA-15AIR，全刻度度數(shù)為18 m3/h，電磁閥屬于兩位三通式。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic showing of the experimental setup

該實(shí)驗(yàn)中，航行體由圓柱主體段和頭部段組成，如圖2所示。材質(zhì)是表面經(jīng)過拋光處理的鋁。

圖2 實(shí)驗(yàn)航行體模型示意圖Fig.2 Experimental model and definition of main parameters

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 水下通氣空泡流動(dòng)特性

圖3給出了在相同弗汝德數(shù)和2種不同通氣系數(shù)下，通氣縫協(xié)助航行體出水實(shí)驗(yàn)中，水下航行階段空泡發(fā)展形成和演化過程的圖像。從圖3(a)可以看出，通氣量較小的情況下，通氣空泡在出水之前，空泡還未成型便到達(dá)了自由液面。對(duì)于圖3(b)，在通氣量較大的情況下[相對(duì)于圖3(a)]，氣體沿徑向噴出，受到來流的作用沿航行體下游拓展。同時(shí)氣層與水層相互作用，發(fā)生動(dòng)量交換,并伴隨著氣液間的混合形成了空泡表面各處離散氣泡和不均勻的褶皺，這種不同流體之間，因?yàn)樗俣炔煌鸬牟环€(wěn)定現(xiàn)象與K-H不穩(wěn)定狀態(tài)一致[17]。隨著氣體從通氣縫內(nèi)不斷排出，在足夠氣量之后，空泡在長(zhǎng)度和寬度上趨于穩(wěn)定，多余的氣體通過尾部泄流的方式排出空泡，形成較為穩(wěn)定的通氣空泡，見圖3(b)。

圖3 不同通氣系數(shù)下水下通氣空泡演化過程示意圖Fig.3 Evolution process of underwater ventilated cavity under different ventilation coefficients

為了定量探究通氣流量對(duì)通氣空泡的影響，圖4給出不同通氣系數(shù)下空泡長(zhǎng)度隨時(shí)間的變化關(guān)系，以航行體開始運(yùn)動(dòng)為0時(shí)刻。在通氣量相對(duì)較大時(shí)(如CQs=0.69)，氣體排出模型空腔內(nèi)水的速度較快，在航行體開始運(yùn)動(dòng)前就有空泡的生成與發(fā)展，因此在圖4和圖5中，0時(shí)刻前有空泡尺寸的數(shù)據(jù)。對(duì)于不同的通氣系數(shù)，長(zhǎng)度變化基本一致。如圖4所示，以Fr=7.4,CQs=0.69工況為例。通氣空泡發(fā)展初期，存在較大尺度的空泡脫落；之后通氣空泡長(zhǎng)度隨著氣體的注入及航行時(shí)間的增加而增加，空泡處于穩(wěn)定的發(fā)展階段。在形成較穩(wěn)定的通氣空泡之后，空泡的尾部依舊存在脫落導(dǎo)致的空泡長(zhǎng)度一定程度的劇減。隨著氣體的不斷注入，空泡長(zhǎng)度繼續(xù)增長(zhǎng)，但此時(shí)空泡形狀已經(jīng)基本穩(wěn)定，直至空泡開始穿越水界面。

圖4 不同通氣系數(shù)下空泡長(zhǎng)度變化關(guān)系圖(Fr=7.4)Fig.4 Variation of the cavity length under different ventilation coefficients(Fr=7.4)

圖5 不同通氣系數(shù)下空泡直徑變化關(guān)系圖(Fr=7.4)Fig.5 Variation of the cavity diameter under different ventilation coefficients(Fr=7.4)

對(duì)于空泡直徑的變化，如圖5所示，空泡發(fā)展初始階段，其增長(zhǎng)速率較大，但直徑與長(zhǎng)度變化相似，依舊存在空泡脫落導(dǎo)致的急劇減小。與長(zhǎng)度一樣，隨著通氣系數(shù)增大，在空泡穩(wěn)定成型后的直徑增加，空泡成型的時(shí)間越早。

3.2 出水空泡流動(dòng)特性

圖6給出了不同通氣系數(shù)下通氣縫通氣航行體穿越氣水界面時(shí)空泡形態(tài)的演化過程。在航行體頭部剛出水時(shí)，水面在航行體附加質(zhì)量的影響下形成較小的“水?！盵12][如圖6(a)(3)]。隨后航行體肩部即通氣縫到達(dá)水平面，形成的“水?！爆F(xiàn)象更加明顯[如圖6(a)(4)]，空泡仍維持其完整性。此后空泡開始穿越氣水界面，在通氣縫徑向離心排氣的作用下，空泡提前發(fā)生主動(dòng)潰滅[如圖6(a)(6)]，航行體肩部即空泡頂部形成一圈圓形開口，圓心是航行體縱軸線與開口平面的交點(diǎn)。頂部水層在氣體動(dòng)量的傳遞下，沿著橫截面徑向向外輻射式展開，在水上空泡中間部分形成了一圈較窄開口。在自然空化出水中，航行體表面往往附著大量液體，這些液體拍擊航行體表面造成一部分潰滅壓力，而通氣縫主動(dòng)通氣出水中，氣體使水層沿徑向離心運(yùn)動(dòng)，改善了液體拍擊航行體的現(xiàn)象。在完全打開的空泡下，航行體繼續(xù)完成出水。在較大的通氣系下,如圖6(b)所示。航行體表面沒有受到來自空泡水層破滅帶來的拍擊，且空泡壁面均勻光滑。

圖6 不同通氣系數(shù)下通氣空泡出水演化過程示意圖Fig.6 Selected images of vehicle water exit ventilated cavity under different ventilation coefficients

圖7—圖10給出了定量的出水空泡幾何特性，以航行體頂部到達(dá)自由液面為0時(shí)刻。當(dāng)通氣系數(shù)較小時(shí)(CQs≤0.39)，隨著通氣系數(shù)增加，空泡在自由液面上的直徑D1,D2增加明顯,如圖7和圖8所示。

圖7 不同通氣系數(shù)下D1隨時(shí)間變化關(guān)系圖(Fr=5.5) Fig.7 Variation of the D1 under different ventilation coefficients(Fr=5.5)

圖8 不同通氣系數(shù)下D2隨時(shí)間變化的關(guān)系圖(Fr=5.5)Fig.8 Variation of the D2 under different ventilation coefficients (Fr=5.5)

如圖9和圖10所示，不同通氣系數(shù)下，空泡在水面處的開口直徑D3和高度H隨著通氣系數(shù)增大而增大。通氣空泡穿越氣水界面后期，由于空泡自身獨(dú)立發(fā)展過程，水面開口空泡的尺度也相應(yīng)呈現(xiàn)略微收縮的趨勢(shì)。

圖9 不同通氣系數(shù)下D3隨時(shí)間變化的關(guān)系圖(Fr=5.5)Fig.9 Variation of the D3 under different ventilation coefficients (Fr=5.5)

圖10 不同通氣系數(shù)下H隨時(shí)間變化的關(guān)系圖(Fr=5.5)Fig.10 Variation of the H under different ventilation coefficients (Fr=5.5)

4 結(jié)論

開展了較大通氣量下通氣縫協(xié)助航行體出水實(shí)驗(yàn)，分析了水下空泡與出水空泡流動(dòng)特性，得到如下結(jié)論：

1) 當(dāng)通氣系數(shù)到達(dá)一定值時(shí)，在充足的通氣量作用下可以使水層拍擊航行體現(xiàn)象減弱甚至消失。

2) 航行體水下航行階段，空泡長(zhǎng)度和直徑均隨著通氣系數(shù)的增加而增大。

3) 航行體穿越氣水界面階段，在較小通氣系數(shù)下，通氣量對(duì)空泡水上水層的直徑和高度都有明顯影響，但通氣系數(shù)增加到一定程度時(shí)，其影響減弱。