超空泡武器水動力問題的研究進展

超空泡武器水動力問題的研究進展

1超空泡武器的穩(wěn)定性問題超空氣泡法是一種革命性的抗洪方法，可以實現(xiàn)水下高速運動物體的90%的抗阻量。這種抗阻性對水下武器的開發(fā)有很大的影響。超空泡作為一種有前景的減阻方式,其關(guān)鍵是必須在水與物體表面之間形成穩(wěn)定的氣層,而這種氣層減阻的機理實際上是多種減阻機理的綜合,如:運動表面效應;邊界層物理常數(shù)的改變等。在過去的幾十年里俄羅斯和烏克蘭已經(jīng)成功地將這項技術(shù)引入了一個較高的發(fā)展狀態(tài)。已經(jīng)存在實物或試驗型的超空泡武器有美國的先進高速水下彈藥(AHSUM)、德國的試驗型超空泡水下火箭,以及俄羅斯的“疾風”超高速魚雷(Shkval)等。超空泡武器如高速射彈和高速魚雷的發(fā)展要求對超空泡型態(tài)下物體的水動力特性有深入的了解。空化流動型態(tài)有其重要而特殊的性質(zhì),遠非流場介質(zhì)由水變成氣體那樣簡單。計算表明:物體在水下運動時,若處于超空泡流動型態(tài),其所受阻力可以比在空氣中運動時還要小。水下超空泡的產(chǎn)生將對利用超空泡減阻的高速武器各子系統(tǒng)(包括控制器、導引系統(tǒng)及推進裝置等)提出不同于以往低速水中兵器的特殊要求。要實現(xiàn)超空泡流動型態(tài)必須解決物體在空泡中運動的穩(wěn)定性問題。在空泡中運動的物體將失去在水中運動的主要優(yōu)勢——浮力,從而需要以一定的動態(tài)方式來維持其重力。烏克蘭與美國都致力于初始速度大于1M的超空泡物體的發(fā)射(常溫時水下音速相當于1430m/s)。目前,這些物體大多在20～30cm,有著不穩(wěn)定彈道。可以預見,穩(wěn)定性問題一旦解決,物體的速度和航程將有進一步的增大。與超空泡物體運動穩(wěn)定性直接相關(guān)的是空泡自身的穩(wěn)定性問題。超空泡情形下,物體在空化器之后的氣體包層中航行,只有頭部和尾部的小部分區(qū)域與水接觸。由于沾濕區(qū)域小,局部空泡潰滅區(qū)域里的擾動將導致超空泡航行體產(chǎn)生極大的不穩(wěn)定力與力矩。因此,為了保證超空泡武器的穩(wěn)定航行,必須首先保證空泡的穩(wěn)定性。對空泡穩(wěn)定性起決定作用的是空泡閉合區(qū)域(或稱空泡尾流區(qū))的穩(wěn)定性。包括局部閉合在內(nèi)的空泡閉合問題與通氣空泡的實現(xiàn)和進一步降低阻力有關(guān)。本文將對超空泡武器技術(shù)中的幾個水動力學問題進行討論,包括超空泡武器的組成部分及對各部分的特殊要求、超空泡型態(tài)下物體的運動方式及其附加質(zhì)量、空泡的穩(wěn)定性及其失穩(wěn)機理、空泡閉合模型,以及超空泡型態(tài)下物體的水動力特性。2空化器及通氣裝置以超空泡高速魚雷為例,超空泡裝置可以分為以下幾個子系統(tǒng):通氣裝置;空化器;導引系統(tǒng);控制和推進系統(tǒng)(圖1)。超空泡武器的設計起始于空化器?？栈鞯男螤詈艽蟪潭壬蠜Q定了超空泡武器產(chǎn)生空泡的難易程度,以及所產(chǎn)生空泡的可控制程度。它可以有不同的形狀,如圓盤、圓錐、齒輪狀圓臺、有刻面的凹孔,以及嵌入了像圓珠筆尖那樣可以進出的圓錐的圓形套筒。對于較大的超空泡武器,空化器通常還要傾斜產(chǎn)生一個攻角,以提供頭部支撐所需要的升力?？栈髯鳛轭^部唯一的沾濕部位,還必須考慮在超空泡條件下用來探測與制導的傳感器安裝問題。因此,空化器設計不僅與超空泡武器的外形及流體動力布局設計直接相關(guān),而且影響到制導裝置的安裝與設計?？张莸男螤詈统叨戎饕Q于航行體的速度和環(huán)境壓力。借助于空化器,自然超空泡一經(jīng)形成,為了在不同深度維持恒速,必須從物體內(nèi)部噴出氣體以維持空泡的有效尺度。氣體的來源可以利用火箭發(fā)動機的廢氣,也可以采用氣體發(fā)生器。通氣裝置的設計包括通氣孔的形狀、大小、位置、分布及流量的確定。通氣裝置是空泡不穩(wěn)定性的主要來源。水下推進系統(tǒng)一般采用火箭發(fā)動機和金屬燃燒技術(shù)。使用水反應燃料在比沖和沖量密度上都高于傳統(tǒng)的火箭燃料。更高的推進性能可通過采用高能量密度鋁—水或鋁鎂—水反應來實現(xiàn)。另外,采用旋轉(zhuǎn)燃燒室的性能將比最好的火箭發(fā)動機推進器高4倍。由于傳統(tǒng)的控制面如鰭舵,位于航行體尾部空泡閉合區(qū),該區(qū)域的流動是高湍流度多相流,非常復雜。除非對控制面進行一定的改進設計,否則控制面將不起作用。因此推進系統(tǒng)一般都須要設置推力矢量控制機構(gòu)。3雙轉(zhuǎn)臺后小波內(nèi)物體的穩(wěn)定模式空泡中的物體不僅受到作用于空化器上的水動力,還受到空泡內(nèi)氣體的氣動作用力,以及空泡邊界附近射流的噴射作用力。而且,所有力和力矩系數(shù)(空化器上的水動力除外)都是關(guān)于物體瞬態(tài)偏轉(zhuǎn)角的時間延遲函數(shù)。這就使空泡內(nèi)物體運動的計算變得十分復雜。對水下物體應用超空泡流動方案的主要困難在于:在缺少浮力、外力作用點位于物體質(zhì)心之前的情況下,必須保證物體運動的穩(wěn)定性(連續(xù)介質(zhì)中物體運動穩(wěn)定性的一般條件是外力作用點位于物體質(zhì)心之后)。烏克蘭國家科學院水動力研究所(NAS-IHM)的超空泡研究帶頭人Yu.N.Savchenko在文獻中給出了超空泡內(nèi)物體運動的4種穩(wěn)定模式(圖2)。物體重量G被2個流體動力平衡,Y1為作用于空化器上的升力,Y2為作用于殼體尾部沾濕區(qū)域上的升力。隨著運動速度的增加,有經(jīng)典運動穩(wěn)定性這種情況下,水動力中心位于質(zhì)心之后,有穩(wěn)定力矩作用于模型上,滿足經(jīng)典的運動穩(wěn)定性條件。除穩(wěn)定性比較好之外,這種方案還提供了利用頭尾兩個空泡的壓力差PoR-pcN來產(chǎn)生附加推力的可能性。低頻振蕩時穩(wěn)定性這種情況下,模型尾部沿空泡下表面滑行以補償浮力的損失。因此,從整體上來看,運動是穩(wěn)定的,但模型可能在垂直面內(nèi)發(fā)生低頻振蕩從而失穩(wěn)。原因是擾動將可能從空化器沿空泡邊界向下游。模型穩(wěn)定性分析模型攻角及角速度的初始擾動引起模型尾部與空泡邊界的碰撞。數(shù)值仿真表明,在這種碰撞之后,模型所做振蕩呈穩(wěn)定或衰減趨勢。這種振蕩伴隨著模型尾部與空泡上下壁之間交替進行的周期性碰撞,使運動整體上保持穩(wěn)定?？栈芰Φ膭恿W設計高速運動的物體與空泡內(nèi)的氣體及空泡邊界附近的射流相互作用。物體表面和空泡邊界之間的間隙通常比空泡半徑小。因此可以用近壁氣動力學方法來估計所產(chǎn)生的力。分析表明空泡內(nèi)邊界對物體運動穩(wěn)定性的影響是有利的。在烏克蘭國家科學院水動力學研究所(NAS-IHM),對水下高速超空泡運動進行了大量研究。他們在一個帶電解反應彈射器的35m長的發(fā)射池內(nèi)彈射的物體最高速度達1360m/s。在美國海軍水下戰(zhàn)中心(NUWC),也進行過成功的高速發(fā)射,物體以初速1550m/s航行了17m。它是采用水下4m處的炮進行發(fā)射的。當空化物體帶空泡超過水下音速的速度運動時,會損失掉它的運動穩(wěn)定性。需要在空泡內(nèi)部采用增穩(wěn)的動力學措施。分析表明超空泡運動穩(wěn)定性可以通過安裝于物體頭部的特殊空化器形狀設計來達到。此類自穩(wěn)定空化器,以鋪滿小刻面的淺凹槽為特征,外形為多邊形。據(jù)Savchenko稱,這種裝置可以產(chǎn)生穩(wěn)定的力矩,即在受到擾動時可以使航行體回復到初始未受擾動狀態(tài)。為了求解帶空泡航行體的水下彈道,需要計算帶空泡航行體的附加質(zhì)量。吳品奇等基于物體表面分布源匯的面元法,對帶尾空泡航行的細長回轉(zhuǎn)體附加質(zhì)量進行了計算,發(fā)現(xiàn)與無空泡時相比,軸向附加質(zhì)量系數(shù)減少一半,橫向則增大15%,對原點的橫向附加慣性矩增大12%。朱小敏等采用振動水翼機構(gòu)在空泡水洞中進行了空泡對航行體附加質(zhì)量λ22的影響之實驗研究,實驗結(jié)果與吳品奇的數(shù)值計算結(jié)果有所不同:空泡(肩空泡或尾空泡)的存在導致λ22的明顯降低;在實驗空泡數(shù)范圍內(nèi),λ22基本上呈現(xiàn)出隨空泡數(shù)降低而降低的趨勢。Uhlman等指出,無空泡情形的航行體附加質(zhì)量與航行體的運動無關(guān),僅僅取決于航行體外形。帶空泡情形則不然,作非定常運動的航行體,其附加質(zhì)量將依賴于物體的運動。他們對無攻角情形下,帶圓盤或錐形空化器的細長回轉(zhuǎn)體在超空泡狀態(tài)下做正弦波浪運動時的附加質(zhì)量進行了研究。將非定常問題看作在定常流基礎上發(fā)生的擾動,對定常流采取低階邊界元加回射流模型的數(shù)值計算方法,至于非定常擾動則在頻域內(nèi)進行求解。計算結(jié)果表明:當波動呈高頻衰減時,附加質(zhì)量λ11接近于全沾濕狀態(tài)下理論值的一半;而當衰減頻率低于某個數(shù)值之后,λ11變?yōu)樨撝??？梢哉f結(jié)果是令人驚奇的,因為附加質(zhì)量為負值意味著由附加質(zhì)量引起的非定常力是促進物體運動的,而且負的附加質(zhì)量的出現(xiàn)將影響超空泡航行體的穩(wěn)定性。4空泡振蕩的影響顧巍等人通過對NACA16012水翼的空泡流演變過程中各階段的空泡噪聲和由空泡云脫落引起的水洞結(jié)構(gòu)低頻振動的測量,發(fā)現(xiàn)在空泡數(shù)0.33～0.28范圍內(nèi),空泡流存在一個具有明顯低頻分量的非穩(wěn)態(tài)周期脈動的跨空泡狀態(tài)。處于跨空泡階段的水翼,其水動力參數(shù)表現(xiàn)出明顯的非線性和不可預測性。何友聲等為了弄清跨空泡流情況下的空泡非穩(wěn)定性質(zhì),采用高速攝影技術(shù)在空泡水洞中對NACA4412翼型在定常來流條件下出現(xiàn)的非穩(wěn)定空泡形態(tài)演變進行了實驗研究,揭示了由于空泡形態(tài)斷裂而產(chǎn)生的低頻脈動現(xiàn)象。并指出一次空泡大斷裂過程中的泡面凹陷及臌包的演變與空泡斷裂有關(guān),其機理有待進一步研究。顧巍等人進一步的研究發(fā)現(xiàn),空泡的振蕩與邊界層流動有密切的關(guān)系,空泡內(nèi)部的局部流動將直接影響空泡的整體形態(tài),并嘗試在適當位置布置擋流條來干擾空泡內(nèi)部局部流動,在一定的空泡數(shù)范圍內(nèi)抑制或改變空泡的振蕩。馮學梅等人在空泡水洞中進行的細長回轉(zhuǎn)體通氣空泡實驗,也同樣發(fā)現(xiàn)了一個臨界空泡數(shù)(約為0.166)。當系統(tǒng)處于臨界狀態(tài)時,空泡長度振蕩著伸長或縮短,空泡脫體點前移,接近于錐形頭體與圓柱中段相接處,泡面急劇振蕩。一旦通氣率稍稍增加,空泡即從霧狀外觀過渡到清晰透明呈條紋狀的穩(wěn)定超空泡。空泡的不穩(wěn)定性會引起局部擾動,這種擾動將導致空泡潰滅和航行體的不可控。作用在空泡界面上引起空泡失穩(wěn)的機理有三種,這三種機理分別是通氣引起的不穩(wěn)定性,自由剪切層的不穩(wěn)定性和氣泡振蕩。用于發(fā)展和維持超空泡的通氣裝置是空泡不穩(wěn)定性的來源。這種不穩(wěn)定性的產(chǎn)生是從通氣系統(tǒng)出來的非平行流與空泡壁面相互作用的結(jié)果。美國NUWC的RobertKuklinski等人進行的系列水洞通氣空泡實驗研究表明,高正交度氣流將導致空泡自由表面的波動,如果通氣率足夠大,所產(chǎn)生的擾動甚至可以使整個空泡失穩(wěn),空泡邊界從清晰透明轉(zhuǎn)變?yōu)榛煦缒：?并在下游潰滅變?yōu)殪F狀流動。因此通氣孔的設計一定要注意避免使通氣流自身成為空泡不穩(wěn)定源。自由剪切層的不穩(wěn)定性在兩種互不滲透液體通過一個界面進行接觸時發(fā)生。這種不穩(wěn)定性機理稱之為Kelvin-Helmholtz不穩(wěn)定性。對于平行流情形,線性穩(wěn)定性理論給出了流體邊界層擾動激勵條件的確切表達式?？张葸吔鐚臃€(wěn)定性估計可以用這種理論。但沒有考慮空泡曲率和當?shù)貕毫μ荻?。一般?有利的壓力梯度可以顯著衰減不穩(wěn)定渦。線性穩(wěn)定性理論可以得到兩層之間的最大速度差為6.6m/s。以此為判據(jù),利用通氣率、空泡數(shù)、佛汝德數(shù)及空泡形狀之間的關(guān)系式,可以對通氣空泡進行初步的穩(wěn)定性判別。氣泡振蕩(Parishev不穩(wěn)定性)也可能在通氣空泡中出現(xiàn)。環(huán)境壓力的變化將導致空泡自由表面的局部移動,即通氣空泡的容積變化。容積變化將影響空泡壓力,從而影響整個空泡的形狀。壓力信息在液體中的傳播速度不同于空泡中的傳播速度?？张莘磻獪笥谝后w中的壓力反應。這種相位滯后的結(jié)果就是空泡形狀和壓力發(fā)生振蕩。通氣空泡的振蕩取決于氣液兩相的時間滯后、空泡的體積和長度。通氣空泡的壓力還受到氣體進出空泡邊界的影響。很多實驗中都觀察到了空泡脈動,沿著空泡表面有波浪形狀的突起與凹入。很長時間這種現(xiàn)象得不到合理解釋。也不清楚如何進行控制。最后由E.V.Parishev給出了解釋,并提出了相應的理論。他運用Logvinovich獨立性原理說明空泡特性可以用滯后方程來描述,將空泡描述為一系列獨立的截面。假設空泡的入流和出流處于平衡態(tài),分析表明空泡穩(wěn)定性可以由遲滯量τ0來表征,τ0僅僅是歐拉數(shù)Eu、空泡數(shù)σ和空泡內(nèi)氣體的絕熱指數(shù)y的函數(shù)。當時,空泡穩(wěn)定,其中;如果,則脈動發(fā)生。5空泡閉合模型為實現(xiàn)流動方案(圖2a,b)有必要保持穩(wěn)定的空泡閉合區(qū)域。這樣,在航行深度和速度變化時,就可以減小一定的力與力矩。空泡閉合的穩(wěn)定性對于通氣空泡內(nèi)氣體質(zhì)量的平衡非常重要,直接影響到空泡的整體穩(wěn)定性。對空泡閉合區(qū)域里發(fā)生的現(xiàn)象進行描述是空泡動力學中難度最大的問題?？张菰谖矬w表面上有圖3所示的幾種理論閉合模式:a)Riabouchinsky模型,又稱鏡象模型,空泡閉合于與空化器類似的固體表面;b)Zhukovsky-Roshko模型,又稱開式尾流模型或平行尾流模型,空泡閉合在直徑為Dc的圓柱上,Dc為最大空泡截面;c)Brilluene模型,又稱壓力恢復模型,有底空泡形成,底空泡中pc2>p0,空泡數(shù)小于0;d)Efros模型,又稱回射流模型,空泡閉合時有回射流形成,回射流將對物體產(chǎn)生影響。除此之外,還有吳耀祖的新開式尾流模型、Tulin的螺旋渦模型等。值得指出的是空泡理論閉合模型的提出是基于人們利用勢流理論研究空泡流的需要。例如,鏡象模型是Riabouchinsky于1920年計算無攻角平板空泡流時提出;開式尾流模型是于1954年前后由Roshko等人提出來,用以解決對稱體的無攻角空泡流。因此,空泡閉合模型又稱尾流替代模型。提出的目的,并不是為了研究尾流本身,而是為了用它來替代尾流對物體近旁和空泡區(qū)流場的影響。所有閉合模型都各有優(yōu)缺點。鏡象模型的優(yōu)點是幾何圖形簡單,數(shù)學上容易實現(xiàn),尤其是在空泡比較大的情況下,這時遠處鏡象對物體表面壓力分布及受力的影響較小;回射流模型與空泡閉合區(qū)的流動圖象最為接近,計算所得空泡邊界形狀和尺度也較為接近實驗值,但具體求解起來比較復雜;從方便計算分析的角度而言,開式尾流模型特別是吳耀祖提出的新開式尾流模型最為方便,然而該模型的缺點是替代尾流效應遠遠大于實際尾流;從觀察到實際尾流在空泡區(qū)的末端存在旋渦從而緊接著在遠尾流區(qū)又存在著動量損失和排擠厚度的效應而言,螺旋渦模型能在一定程度上反映這個事實。圖3a,b,c所示的理論閉合模型提供了自由表面與固體表面在零攻角情況下的閉合。而實際上這是難以實現(xiàn)的。從閉合于物體上的空泡中泄漏氣體的機理非常復雜,取決于很多因素。如自由空泡邊界層的自然潰滅,流動的湍動性或物體的振動。通氣空泡的研究經(jīng)驗表明空泡的氣體泄漏量相當于由回射流卷入空泡內(nèi)的流體量。從物理上解釋為進入空泡中的液體與氣體混合,又以氣水混合物的形式從空泡內(nèi)被帶走。假設空泡閉合于直徑為Db的圓柱,回射流強度將取決于空泡中段截面面積與空泡閉合所在圓柱的截面面積之比。當Db=De時就得到零泄漏情況下的Zhukovsky-Roshko空泡閉合模型。理論上,零泄漏可以在Db<Dc時,由于空泡曲率與物體曲率在空泡閉合處一致而得到滿足;然而,在實踐中只能盡可能地降低,不可能真正實現(xiàn)。6人工空化法超空泡技術(shù)巨大的減阻前景是令人振奮的。Savchenko等人的計算表明:空泡數(shù)為0.01,速度為100m/s時阻力可以減小到全沾濕狀態(tài)下的5%,空泡數(shù)為10-4時阻力可以減小到0.1%。然而,要在實驗室內(nèi)研究這種減阻技術(shù)存在很大的難度。試圖通過增加物體的運動速度來達到10-4量級的空泡數(shù),在一般的發(fā)射水池或深井中難以實現(xiàn)。同樣,在一般的水洞實驗室內(nèi),僅僅通過改變水流速度來使物體產(chǎn)生超空泡也存在很大困難。德國人H.Reichardt首次提出可以在低速情況下采用吹氣入自然局部空泡,即所謂人工空化的方法來研究超空泡現(xiàn)象。這種方法是通過增加空泡內(nèi)壓力來得到較低的空泡數(shù),并得到通氣超空泡。此后許多學者都采用人工空化的方法進行超空泡研究。這些實驗大多致力于觀察空泡形狀,測量流場速度分布,并將實驗值與計算值作比較。然而,正如自然空化現(xiàn)象曾經(jīng)引起過學者們對其模型實驗預測的可靠性及實物與模型之間的相似準則的廣泛研究一樣,具有相同空泡數(shù)的通氣空泡與自然空泡是否具有相似的特性,物體的超空泡是否可以采用通氣方式來進行研究都還需要實驗的證實。馮學梅等人在空泡水洞中進行的實驗,探索了利用通氣空泡來模擬超空泡的可能性,并研究了回轉(zhuǎn)體阻力、升力及俯仰力矩在不同攻角下隨空泡數(shù)的變化。實驗結(jié)果表明:在一定空泡數(shù)范圍內(nèi),自然空泡和通氣空泡的空泡長度及流體動力隨空泡數(shù)變化的曲線吻合得很好,從而證實了對于局部空泡,可以采用通氣方式來模擬,也因此揭示了采用通氣方式來研究超空泡的可能性。當空泡數(shù)從空化初生時起逐漸減小時,阻力逐漸增大;當空泡數(shù)減小至從