王復(fù)峰，王國玉，黃彪，胡常莉，劉濤濤

(北京理工大學(xué) 機(jī)械與車輛學(xué)院，北京100081)

0 引言

隨著高速水中兵器技術(shù)的不斷發(fā)展，超空泡技術(shù)得到人們的廣泛關(guān)注，利用超空泡技術(shù)可以使水中航行體阻力減少90%左右［1］，從而大大提高了航行體的速度。當(dāng)空化數(shù)小于0.1 時(shí)，即可產(chǎn)生超空泡，根據(jù)空化數(shù)的定義，實(shí)現(xiàn)超空泡有3 種途徑［2］:一是提高航行體的速度至50 m/s;二是降低流場周圍的環(huán)境壓力;三是利用人工通氣的手段增加空泡內(nèi)的壓力以達(dá)到超空泡。通氣超空泡這種方法是Reichardt［3］在1946年首次提出的。多年來，人們對(duì)航行體在空化流動(dòng)方面進(jìn)行了廣泛的研究，1948年，Rouse 等［4］對(duì)不同頭型回轉(zhuǎn)體空化狀態(tài)進(jìn)行了研究，得到了回轉(zhuǎn)體表面壓力系數(shù)分布數(shù)據(jù)，其研究結(jié)果被后人廣泛應(yīng)用。Arakeri 等［5］采用全息攝影的方法研究了繞軸對(duì)稱物體在水流中的空化現(xiàn)象。Kirschner 等［6］的研究結(jié)果表明，相同空化數(shù)條件下，通氣空泡與自然空泡具有相同的幾何特性與力學(xué)特性。Wosnik 等［7］利用PIV 技術(shù)的觀測了通氣空泡流動(dòng)的尾跡。劉樺等［8］對(duì)不同頭型回轉(zhuǎn)體的初生空化數(shù)進(jìn)行了研究，并建立了初生空化數(shù)和發(fā)展空泡特征幾何參數(shù)的工程計(jì)算公式。袁緒龍等［9］對(duì)水下航行通氣超空泡非對(duì)稱性進(jìn)行了研究。時(shí)素果等［10］利用當(dāng)?shù)鼐嘟橘|(zhì)模型對(duì)繞圓盤空化器的通氣超空化流動(dòng)進(jìn)行了研究。謝正桐等［11］對(duì)錐頭細(xì)長回轉(zhuǎn)體進(jìn)行了水洞實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)空化數(shù)小于某特定值時(shí)，所測量的回轉(zhuǎn)體阻力系數(shù)隨空化數(shù)的減小而降低。李向賓等［12］對(duì)流場的速度用DPIV 進(jìn)行了測量與分析。Huang 等［13］利用實(shí)驗(yàn)的方法研究了水下航行體通氣超空泡內(nèi)壓強(qiáng)分布。余志毅等［14］采用數(shù)值計(jì)算的方法研究了繞空化器超空泡流場結(jié)構(gòu)及特性。黃彪等［15］對(duì)平頭回轉(zhuǎn)體的非定?？栈黧w動(dòng)力的特性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)其流動(dòng)呈現(xiàn)出較強(qiáng)的非定常特性。隗喜斌等［16］利用錐體空化器對(duì)空泡的非定常性進(jìn)行了分析。盡管國內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)空化現(xiàn)象進(jìn)行了較多研究，但是由于空化流動(dòng)的復(fù)雜性，使得人們對(duì)空化流動(dòng)機(jī)理等方面的研究不夠深入，特別是對(duì)繞帶空化器回轉(zhuǎn)體在通氣方面的研究亟待加強(qiáng)。

文中以帶空化器的回轉(zhuǎn)體為模型，以空化水洞為平臺(tái)，采用實(shí)驗(yàn)的方法，運(yùn)用高速全流場流動(dòng)顯示技術(shù)研究了繞帶空化器的回轉(zhuǎn)體的通氣空化流動(dòng)，分析了不同通氣率和傅汝德數(shù)時(shí)空泡形態(tài)的變化以及通氣空化流場的非定常過程。

1 實(shí)驗(yàn)裝置及方法

1.1 空化水洞

實(shí)驗(yàn)在循環(huán)式空化水洞中進(jìn)行，圖1是高速空化水洞示意圖，該水洞由貯水池、軸流泵、電機(jī)及調(diào)速系統(tǒng)、回水管和實(shí)驗(yàn)段等基本部件組成，水洞實(shí)驗(yàn)段呈長方體型，水洞的基本尺寸如表1所示，水洞內(nèi)的循環(huán)水流由電機(jī)帶動(dòng)一臺(tái)軸流泵驅(qū)動(dòng)，電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為1 480 r/min、功率為55 kW，水泵位于實(shí)驗(yàn)段的下方5 m 處，以盡量減小因水泵的空化而對(duì)試驗(yàn)段的流動(dòng)產(chǎn)生的影響。水流速度通過一臺(tái)交流變頻器來調(diào)節(jié)，控制精度達(dá)0.01 Hz.實(shí)驗(yàn)段上游有一儲(chǔ)水罐，用來分離水流中可能包含的游離型氣泡和實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的氣泡。在儲(chǔ)水罐的出口與實(shí)驗(yàn)段之間安裝有一直角導(dǎo)流片和一直線導(dǎo)流片以減小水流的紊動(dòng)度。該水洞還配備了電磁流量計(jì)(精度等級(jí)0.5%)、扭矩儀、真空揚(yáng)程儀等設(shè)備。實(shí)驗(yàn)時(shí)，通過其上下部及前側(cè)面的透明高強(qiáng)度的有機(jī)玻璃窗，可觀察回轉(zhuǎn)體周圍的流場形態(tài)。

圖1 高速空化水洞示意圖Fig.1 The setup of cavitation tunnel

1.2 高速全流場流動(dòng)顯示系統(tǒng)

圖2為高速全流場流動(dòng)顯示系統(tǒng)布局示意圖。流動(dòng)顯示實(shí)驗(yàn)時(shí)，采用3 臺(tái)1.2 kW 鏑燈照明，分別作為主光源和輔光源。記錄流場圖像的高速攝像機(jī)是美國柯達(dá)公司生產(chǎn)的HG-LE 型相機(jī)。HG-LE 高速攝像機(jī)以CMOS 傳感器為記錄介質(zhì)，具有速度快，耗電量小且圖像清晰的特點(diǎn)。其記錄速度最高可達(dá)100 000 幀/s，本次實(shí)驗(yàn)采集速度為3 000 幀/s.

1.3 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

實(shí)驗(yàn)時(shí)采用的模型為帶有空化器的回轉(zhuǎn)體，如圖3所示，回轉(zhuǎn)體由不銹鋼材料制成，表面充分光滑，回轉(zhuǎn)體的基本尺寸為:長度L=120 mm，直徑D=20 mm，空化器最大處直徑Dmax=15 mm.

圖2 高速全流場流動(dòng)顯示系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of high-speed flow visualization system

表1 空化水洞的基本尺寸Tab.1 The typical size of cavity tunnel

圖3 回轉(zhuǎn)體模型示意圖Fig.3 Sketch of axisymmetric body

1.4 實(shí)驗(yàn)方法

為了進(jìn)一步研究通氣率和傅汝德數(shù)對(duì)繞帶空化器回轉(zhuǎn)體通氣空化流動(dòng)特性的影響，實(shí)驗(yàn)中采用傅汝德數(shù)一定時(shí)，通氣率對(duì)空化特性的影響，以及通氣率一定時(shí)，傅汝德數(shù)對(duì)通氣空化流動(dòng)特性的影響。實(shí)驗(yàn)中，通過改變通氣量和流場來流速度的方式實(shí)現(xiàn)這一過程，實(shí)驗(yàn)后通過運(yùn)用一系列軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理，以得到所需的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

實(shí)驗(yàn)中，重要的無量綱參數(shù)分別為傅汝德數(shù)和通氣率，分別定義為

傅汝德數(shù):

通氣率:

式中:v∞為水流的平均速度;g 為當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣?Dmax為空化器最大處直徑;qV為單位時(shí)間的體積流量。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 不同通氣率時(shí)典型通氣空化形態(tài)

實(shí)驗(yàn)時(shí)，采用固定來流速度，通過改變通氣量的方式得到相同F(xiàn)r 時(shí)，不同通氣率的空泡形態(tài)圖。由于受Fr 的影響，實(shí)驗(yàn)中回轉(zhuǎn)體上下兩側(cè)的空泡長度不完全相等，因此根據(jù)文獻(xiàn)［17 -18］，在處理空泡尺寸時(shí)，空泡直徑Dc取通氣空泡的最大寬度，長度LC取為空泡頭部到空泡最大寬度處距離的2 倍(見圖4)。圖5和圖6給出了當(dāng)Fr =7.8 時(shí)，不同通氣率的空泡形態(tài)變化。從圖5可以看出:隨著通氣率的增大，空泡的發(fā)展經(jīng)歷了3 個(gè)階段:游離狀空泡、霧狀空泡和超空泡，從最初單個(gè)游離狀空泡發(fā)展到半透明水氣混合的霧狀空泡，最終形成完全透明的超空泡。在超空泡階段，空泡的界面逐漸變得光滑且清晰可見，空泡的穩(wěn)定性增強(qiáng)。

圖4 空泡長度和直徑定義示意圖Fig.4 Definition of cavity length and diameter

圖5 不同通氣率時(shí)空泡形態(tài)圖(Fr=7.8)Fig.5 Cavity shapes at different ventilation rates (Fr=7.8)

圖6 空泡形態(tài)隨通氣率的變化曲線圖(Fr=7.8)Fig.6 Graph of cavity shapes at different ventilation rates(Fr=7.8)

由此可見，空泡形態(tài)隨著通氣率的增大逐漸增大，從最初的游離狀空泡發(fā)展成完全透明的超空泡，在超空化階段，其顯著特點(diǎn)是在主流區(qū)和超空化區(qū)之間存在一顯著的分界面，空泡的界面光滑而清晰，空泡的穩(wěn)定性增強(qiáng)?？张莸拿撀浞绞揭搽S通氣率的不同而存在差異。

2.2 不同傅汝德數(shù)時(shí)通氣空化形態(tài)

圖7 不同傅汝德數(shù)時(shí)空泡形態(tài)(=0.081)Fig.7 Cavity shapes at different Froude numbers(=0.081)

由此可見，在同一通氣率下，隨著傅汝德數(shù)的增大，空泡的尺度減小，且空泡受重力效應(yīng)的影響變小，空泡的動(dòng)量交換劇烈，震蕩加劇，非定常性增強(qiáng);不同傅汝德數(shù)下，空泡尾部的泄氣方式不同，脫落周期也不同。

圖8 通氣空泡形態(tài)隨時(shí)間變化(=0.081)Fig.8 The change of cavity shape with time(=0.081)

2.3 通氣空化的非定常過程

在通氣率一定的情況下，隨著時(shí)間的推移，空泡無論在軸向上還是徑向上表現(xiàn)出非定常特性，同時(shí)，還可以發(fā)現(xiàn)在空泡內(nèi)部其變化過程也是典型的非定常過程，為進(jìn)一步研究其空化過程，分析其空泡內(nèi)部的非定常特性，探求通氣空化流動(dòng)機(jī)理，表2給出了在相同傅汝德數(shù)下，不同通氣率時(shí)空泡形態(tài)隨時(shí)間的變化過程。從表2中可以發(fā)現(xiàn)，隨著時(shí)間的推移，在相同通氣率下，雖然空泡外部尺度基本保持不變，但是空泡內(nèi)部變化過程卻呈現(xiàn)出非定常特性，在空泡尾部，由于反向射流的存在，使得空泡尾部的水氣交界面變得模糊，且存在較強(qiáng)的氣液交換，在空泡內(nèi)部，反向射流從空泡尾部的閉合區(qū)逐步向回轉(zhuǎn)體前0.041 時(shí)，空泡長度約為回轉(zhuǎn)體長度的42%，由于逆壓梯度的原因，使得反向射流隨著時(shí)間的推移不斷向空化器前端推進(jìn)，在圖9中可以很清楚地看到其推移過程，圖9中橫軸為反向射流推移的時(shí)間，縱軸Y 為水氣交界面距離空化器前端的距離，反向射流從空泡尾部閉合區(qū)逐漸推進(jìn)到空化器位置，其速度端的空化器方向推進(jìn)(如表2中箭頭所示);在=約為0.78 m/s;當(dāng)=0.045 時(shí)，空泡長度約為回轉(zhuǎn)體長度的71%，明顯大于=0.041 時(shí)的空泡長度，反向射流從空泡尾部向空化器方向推進(jìn)，其推進(jìn)速度約為1 m/s，與=0.041 的不同之處，在于此次反向射流未到達(dá)空化器位置，而是位于回轉(zhuǎn)體的圓錐段與圓柱段連接處;在=0.041 時(shí)反向射流的推進(jìn)速度與擬合直線一致，近似呈線性關(guān)系，這一點(diǎn)可從表2中的箭頭看出。而=0.045 時(shí)稍微有點(diǎn)差異。在此傅汝德數(shù)下，空泡重力效應(yīng)的影響比較明顯，流場中可以看到空泡的上漂現(xiàn)象，且隨著通氣率的增大，這種現(xiàn)象越明顯，這從圖5中可以得到驗(yàn)證，空泡內(nèi)氣體只是從空泡尾部的上方泄漏，這是由于重力效應(yīng)的原故。隨著反向射流的不斷推進(jìn)，空泡尾部閉合區(qū)的氣液交界面逐漸變得模糊，然后從t0+26.4 ms 開始又變得逐漸清晰，反向射流的推進(jìn)周期約為33 ms.由此可知，繞帶空化器回轉(zhuǎn)體通氣空化反向射流的推進(jìn)速度呈線性關(guān)系，其推進(jìn)速度與通氣率有關(guān)。

表2 通氣空泡隨時(shí)間變化(Fr=7.8)Tab.2 The change of cavity shape with time(Fr=7.8)

3 結(jié)論

文中采用高速全流場流動(dòng)顯示技術(shù)對(duì)繞帶空化器的回轉(zhuǎn)體的通氣空化流動(dòng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。分析了通氣空化流場的流動(dòng)特性，得到如下結(jié)論:

1)在相同傅汝德數(shù)下，一定程度上，空泡形態(tài)隨著通氣率的增大逐漸增大。從最初的游離狀空泡發(fā)展成完全透明的超空泡，在超空化階段，其顯著特點(diǎn)是在主流區(qū)和超空化區(qū)之間存在一個(gè)顯著的分界面，空泡的界面光滑而清晰，空泡的穩(wěn)定性增強(qiáng)。

圖9 反向射流推進(jìn)過程示意圖(Fr=7.8)Fig.9 Time evolution of re-entrant jet(Fr=7.8)

2)在相同通氣率下，不同傅汝德數(shù)下空泡的脫落形式不同，且脫落周期隨著傅汝德數(shù)的增大而減小，空泡形態(tài)隨著傅汝德數(shù)的增大而減小。由于來流速度的逐步增大引起空泡界面的滑移速度加大，通入的定量氣體來不及聚積成大的空泡，卻被高速來流帶到流場的下游，使得泄氣加劇，由此不利于形成穩(wěn)定的超空泡。

3)繞帶空化器回轉(zhuǎn)體通氣空化流場呈現(xiàn)非定常特性，其反向射流的推進(jìn)速度與通氣率有關(guān)。隨著通氣率的增大，反向射流推進(jìn)速度也變大。

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