俄羅斯超空化減阻的研究

俄羅斯超空化減阻的研究

超空化減阻試驗研究如果物體嵌入液體（水）或液體中的運動速度足夠高，液體壓力將降低至物體表面的液壓（飽和蒸餾水），并將發(fā)生壓縮。由于速度很快，如果完全分解，它們將立即完全發(fā)展。在物體表面形成一個覆蓋部分或整個物體的大空氣泡。在這種現(xiàn)象中，稱之為空間發(fā)展和過度空間。超空泡一旦產(chǎn)生,包圍著物體的不是水,而是超空泡中粘度和密度很低的水蒸汽,表面摩擦幾乎消失,摩擦阻力減少90%,僅頭部與水接觸,故總的阻力大大降低。因此從原理上可以大大降低像細(xì)長體這樣摩擦阻力占主要地位的水下航行體的阻力。因此從上個世紀(jì)40年代開始,美國、蘇聯(lián)、德國等國家就開始研究利用這一原理研制高速水下兵器,但是,超空化現(xiàn)象是一種極其復(fù)雜的流動現(xiàn)象,其過程涉及非定常、非線性、可壓縮的多相流體動力學(xué)問題,涉及邊界層理論、湍流理論等諸多流體力學(xué)研究的難點,因此無論是理論還是試驗研究都有相當(dāng)?shù)碾y度。美國等在上世紀(jì)50年代末,關(guān)于超空化的研究就漸漸冷了下來,只有蘇聯(lián),以大量試驗為基礎(chǔ),采用半經(jīng)驗的方法,在超空化減阻問題的研究上取得了舉世矚目的成就。研制成功速度達100kn的暴風(fēng)(Шквал)號水下導(dǎo)彈,并于上世紀(jì)70年代裝備部隊。目前已經(jīng)研制出新的ШквалE型,速度可達90m/s～100m/s。筆者由于到莫斯科鮑曼國立技術(shù)大學(xué)作訪問學(xué)者一年,所以有機會對蘇聯(lián)以及現(xiàn)在的俄羅斯和烏克蘭在超空化減阻問題上公開發(fā)表的研究成果進行跟蹤,并對他們的部分典型研究成果加以分析、總結(jié)和介紹,希望對超空化減阻理論和應(yīng)用問題的研究有所借鑒和幫助。1超空化的特性根據(jù)公開發(fā)表的資料來看,蘇聯(lián)從上世紀(jì)40年代,就開始了超空化的理論和試驗研究工作,最主要的研究單位就是著名的莫斯科中央空氣、水動力研究院(中央流體動力研究院,ЦАГИ),主要代表人物就是后來突破超空化減阻關(guān)鍵技術(shù)的科研小組的領(lǐng)導(dǎo)人ЛогвиновичГ.В.,他從1947年開始領(lǐng)導(dǎo)ЦАГИ的航空和海洋武器流體力學(xué)部,50年代末開始研制新型高速水下武器,1968—1987年在烏克蘭建立試驗基地,并創(chuàng)立和主持烏克蘭科學(xué)院流體力學(xué)研究所帶自由邊界的液流(ТСГ)研究部,在這里突破了超空化減組關(guān)鍵技術(shù)以后,于1988年又返回ЦАГИ繼續(xù)領(lǐng)導(dǎo)高速水力學(xué)部,是俄羅斯發(fā)展空化流流體動力學(xué)的奠基人,2002年離世。另一位同是ЦАГИ代表人物的是ЭпштейнЛ.А.,他于1945年在俄羅斯第一個提出利用向物體表面通氣的方法來在低速下生成超空泡,同樣可以達到減阻的目的,由于僅依靠提高速度形成超空泡,至少需要50m/s,就是以現(xiàn)在的推進技術(shù)都很難實現(xiàn),因此這一思想對后來俄羅斯的超空化減阻的試驗研究起到了奠基石的作用。之后他在ЦАГИ的拖曳水池進行了大量的通氣超空化試驗,并在60—70年代間,發(fā)表了不少相關(guān)的論文。在超空化的流體動力基礎(chǔ)理論以及超空化試驗的相似理論研究方面,必須提及在莫斯科大學(xué)數(shù)學(xué)力學(xué)系做了46年的流體力學(xué)教研室主任、被稱為俄羅斯力學(xué)之父的СедовЛ.И.的工作,他的著作《力學(xué)中的相似理論和無量綱化方法》在俄羅斯再版了10次,并被翻譯成多種文字在很多國家出版。就是在這些學(xué)者的理論和試驗的奠基性研究工作基礎(chǔ)上,烏克蘭科學(xué)院流體力學(xué)研究所帶自由邊界的液流研究部在ЛогвиновичГ.В.的領(lǐng)導(dǎo)下,在發(fā)展空化流(超空化)的研究中取得了舉世矚目的成就,他們主要取得的成果有:1)創(chuàng)造出揭示超空泡形態(tài)變化規(guī)律的原理,創(chuàng)造出形成和控制超空泡的技術(shù);2)研究出了專門的通氣和空泡閉合的方案,利用這個方案可以大大減小水動力作用力,并可以減少向人工超空泡通入的氣體(暴風(fēng)號就是采用他們的這個研究成果,三位主要成員ЛогвиновичГ.В.,БуйволВ.Н.,СавченкоЮ.Н.也因此獲得了1978年的蘇聯(lián)國家獎);3)在世界上第一次實現(xiàn)了物體在水中以超聲速運動;4)理論說明,同時也試驗驗證了,當(dāng)物體沿著空泡壁周期性地滑水或者當(dāng)物體和水僅在空化器上點接觸時,借助于空氣動力和水點噴濺力,物體在超空泡內(nèi)的運動狀態(tài)是穩(wěn)定的。80年代后期,一直到現(xiàn)在,該部在СавченкоЮ.Н.的領(lǐng)導(dǎo)下,繼續(xù)從事超空化的理論和應(yīng)用研究,其主要成員在近幾年來的幾屆國際空化會議上非?；钴S,連續(xù)幾屆都有他們的文章,向國際社會公開他們在這一領(lǐng)域的研究成果。近年來,俄羅斯的ЦАГИ、莫斯科大學(xué)、彼得堡國立海洋技術(shù)大學(xué)、克拉斯納亞盧斯克國立技術(shù)大學(xué)(КГТУ)、俄羅斯科學(xué)院西伯利亞分院等單位也都有學(xué)者在從事與超空化理論與試驗有關(guān)的研究?？傊?俄羅斯、烏克蘭在超空化的研究方面有著深厚的理論基礎(chǔ)和大量的試驗研究成果,是非常值得我們學(xué)習(xí)和借鑒的。下面簡單介紹一下他們的主要理論和試驗研究成果。3空化數(shù)的物理特征超空化減阻研究的根本問題就是如何形成形態(tài)可控的、可以減阻的超空泡。因此超空泡形狀的計算和分析就是一個基本的問題。肉眼可見的超空泡,前部是光滑的自由射流,帶銳緣的物體,脫體位置就在銳緣上,若邊緣是光滑形狀的,則脫體位置不定?？张莺竺?空泡邊界合攏,有從空泡內(nèi)攜帶出水蒸汽和氣體的沸騰的泡沫狀物質(zhì)可見。表征超空泡流的最重要的物理特征之一是空化數(shù):σ=2(p0-pk)ρV20(1)式中:σ為空化數(shù),ρ為液體的密度,p0為來流無窮遠(yuǎn)處壓力,pk為空泡內(nèi)壓力,V0為來流無窮遠(yuǎn)處速度。通常在空化數(shù)小于0.1時會產(chǎn)生類似圖1形狀的超空泡。對超空化現(xiàn)象有影響的因素有:液體的粘性,液體表面張力,液體沸騰溫度,液體中溶解的氣體含量,液體可壓縮性等等。當(dāng)速度不超過每秒幾百米,水下航行體的尺寸不太小,運行溫度遠(yuǎn)離沸點,可以將流體看作理想不可壓縮,以此來評估空化流的力學(xué)特性是可行的?；谶@個思想,俄羅斯的學(xué)者在勢流理論分析和試驗的經(jīng)驗基礎(chǔ)上,給出了關(guān)于超空泡形狀計算的若干經(jīng)驗公式。2.1計算的無限大空氣泡的輪廓形狀2.1.1體輪廓線方程在上世紀(jì)40年代,Гуревич和Левинсон針對在無限大流場內(nèi)的軸對稱半體繞流問題,分別獨立地指出,在趨于無窮遠(yuǎn)處,體的輪廓線方程為～R=√～x4√ln～xconst?(～x=xRn,～R=R(x)Rn)(2)時,軸對稱半體的阻力是有限的。其中const為一個常數(shù),對于體的頭部為單位直徑的圓盤,const約為1.34。公式(1)也是軸對稱體的平面射流或空化問題中的流線或空泡后部輪廓的估算公式,稱為Гуревич-Левинсон公式。2.1.2空泡輪廓的確定Логвинович認(rèn)為,液體在空泡子午面上運動單位長度的絕對運動動能等于體運動單位路徑克服阻力所作的功。在物體勻速運動情況下,空泡可以看作含能尾流,該能量用于克服體的阻力,而且在離體較遠(yuǎn)處能量的單位含量是固定的。根據(jù)此能量原理,在空泡邊界上任意微段ds上有dΤ=-ρ2?2πR˙Rds=WV0dt(3)由邊界條件???t+v22=0可得-Wπρddt(1R˙R)+˙R22=0(4)一次積分后可得dRdx=RnR√lnR+A√cx02(5)其中A為積分常數(shù),無量綱化后可得d～Rd～x=√cx0/2～R√ln～R+A(6)其中～x=xRn,～R=RRn在空化器附近x/Rn<3～5的空泡輪廓,由如下經(jīng)驗公式(空化數(shù)小于0.1)確定:R=Rn(1+3xRn)1/3(7)即～R=(1+3～x)1/3(8)公式(7)和公式(5)的解合在一起構(gòu)成了整個空泡的輪廓。公式(6)的解需要與公式(8)在某一個點上匹配,為計算方便起見,取x/Rn=2,此時有A=0.8514。2.2空化器前輪輪的計算在有限大空泡情況下,即空化數(shù)不為零,假設(shè)空泡內(nèi)部壓力為常值,空泡最大截面的面積為Sk=Sncxkσ=Wk(p0-pk)即Dk=dn√cx0(1+σ)kσ(9)其中k與具體的試驗條件有關(guān),如體的浸水深度和佛魯?shù)脭?shù)Fr有關(guān),但通常取值范圍0.875＜k＜1(10)k=0.96～1(Логвинович),k=0.9(Эпш-тейн),k=1(Reichardt)同樣基于能量原理可以得到空泡輪廓方程R=Rk√1-(1-R21R2k)|(1-ttk)2/γ|(11)˙R=R2kRtk(1-R21R2k)1γ(1-ttk)|(1-ttk)2(1-γ)/γ|(12)當(dāng)靠近空化器的空泡的前部輪廓方程仍然取(7)或(8)時,我們還可以得到～R=√～R2k-(～R2k-～R21)|(1-～xγ～R1(～R2k-～R21))|2/γ(13)以及空泡半長計算公式～Lk=～R1(～R2k-～R21)/γ+～x1(14)其中～Lk=LkRn,～R1=R1Rn,～x1=x1Rn?～Rk=RkRn=√cx0(1+σ)kσ(15)使用時需要確定修正乘子γ,并確定與前部輪廓的匹配點。修正乘子的選取準(zhǔn)則,定性的有γ→1k?σ→0且有kγ<1Логвинович推薦γ=0.85。匹配點的選取,通常為計算方便仍然取x～=2。另外,將(14)代入(13)以后,可以得到更為簡捷的空泡半長公式LkσRn=a-bσ(16)(Логвинович:a=1.913,b=3;Гуревич:a=1.53,b=0.42)LkσRn=1.67cx0k(Эпштейн)(17)下面給出空化數(shù)分別為0.01,0.05,0.1時空泡輪廓及半長和最大半徑計算結(jié)果,見圖2。半長和最大半徑分別為(180.15,9.1),(32.52,4.15),(14.1,3.0)?？张莅腴L按公式(15)～(16)的計算結(jié)果見圖3。3超空化分析的原理和軟件包3.1空泡納米過程的計算空泡的每一個橫截面相對于體幾何中心的運動軌跡的擴大都幾乎與物體通過這個截面的前一個運動和下一個運動無關(guān),而僅與物體通過所研究的空泡截面的那一個時刻的空泡內(nèi)外的壓差、體的尺寸(沾濕部分最大截面半徑)、速度、阻力有關(guān)。例如,已知t1時刻體的速度V1、阻力W1,空泡內(nèi)外壓差,可以利用公式(11)、(12)來計算,其中Rk=W1πΔp,tk=RnσV1(a-bσ)(18)體的運動愈接近直線勻速,原理的描述就愈精確。對于體的非定常運動(加速或減速),如果能夠已知軌跡上點xi、通過這點時體的速度vi,并記錄下通過這些點的時刻ti,那么在前述如(11)、(12)的公式中,用t-ti代替t,即可計算xi軌跡點所在截面的擴大規(guī)律。在烏克蘭科學(xué)院流體所的許多試驗都證實了該原理的正確性,其中一個是高速射彈試驗,研究空泡的非定常過程?？栈髦睆?.3mm。試驗觀察的結(jié)論為:·接近薄細(xì)超空泡的液體的運動,主要發(fā)生在徑向上;·被鋼片分隔的超空泡相鄰的截面的擴展,大部分時間內(nèi),就像鋼片不存在一樣。3.2非定常超空化流的計算機仿真為了研究物體入水和物體在水中超空化運動這樣復(fù)雜的非定常過程,他們也應(yīng)用了物理實驗和計算機仿真相結(jié)合的綜合方法。以他們研究的數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ),研制出了仿真非定常超空化流和超空化體動力學(xué)的程序包。程序包是模塊化的,有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)輸入輸出格式,包含幾個獨立的模塊:SCAV——超空化模型自動設(shè)計模塊;PCAV——模型入水和有外部干擾情況下的非定常超空化過程的計算機仿真程序;PULSE——人工超空泡的不穩(wěn)定和自激振蕩現(xiàn)象的計算機仿真模塊;ACAV——通氣超空泡控制過程的計算機模擬程序;STAB——超空化體動力學(xué)的計算機模擬程序。3.2.1沖擊載荷的計算1)能計算當(dāng)物體以固定深度和固定速度運動時,圓盤型或錐形空化器形成的超空泡的形狀和尺寸;2)估計模型入水時所受到的最大沖擊載荷值;3)能計算在慣性作用或者在工作推進器作用下模型的運動速度的變化;4)能計算在行程上任意一點上非定?？张莸闹饕叽?長度和最大截面面積)。3.2.2空化數(shù)的檢測1)選擇模型(真實的或者簡易的),并給出模型的形狀和質(zhì)量;2)給出初始參數(shù),運動速度和深度,空化器的傾斜角,模型的俯仰角和空化數(shù);3)給定一種氣體從空泡移出的類型(按比例定量分配的,沿渦線的,空泡閉合在體上的和接近自然空泡的),或按照Кэмпбела-Хилборна的準(zhǔn)則自動選擇;4)給出通入空泡的氣量的變化規(guī)律和運動速度的變化規(guī)律。在計算機屏幕上可以看到人工空泡的初始形狀,這里考慮了水自重的影響和空化器的攻角;還可以看到人工空泡的動態(tài)行為,以及空泡長度和空化數(shù)的曲線。3.2.3空泡仿真設(shè)計該程序指定用于進行由水的外部壓力擾動引起的超空泡形狀的非定常變化研究,以及在模型高速入水時空泡形成研究。1)選擇模型類型,給出模型質(zhì)量和形狀;2)給出運動參數(shù):發(fā)射速度、深度和空泡內(nèi)部的壓力;3)給出仿真參數(shù):計算步長、圖形沿垂直軸的比例和壓縮系數(shù);4)選擇圖形顯示方式:動畫式或步進式。在計算機屏幕上可以看到在外部不同類型的擾動作用下空泡的變形:(1)脈沖式擾動;(2)周期性擾動;(3)用戶規(guī)定的擾動。還可以看到模型穿過剛性側(cè)壁上的圓孔入水時超空泡的形成以及從里面膨脹的氣體氣泡。3.2.4空泡特性的研究通氣軸對稱超空泡的脈動模擬,主要用于模擬通氣軸對稱超空泡的不穩(wěn)定性,以及在變外部壓力下超空泡的強迫振蕩。在計算機屏幕上可以看到:1)在給定的模型物理參數(shù)值下,不穩(wěn)定的通氣超空泡的自激振蕩的發(fā)展;2)空泡內(nèi)部壓力和空泡長度隨時間的變化;3)在給定振蕩頻率和幅值的外部壓力的作用下,超空泡的強迫振蕩;4)用人機對話的方式進行參數(shù)的任意取值對超空泡特性的影響;5)空泡內(nèi)部壓力和空泡長度隨時間的變化序列值可以保存到文件,以供進一步分析(譜分析、相關(guān)分析和畫相圖等等)。3.2.5計算模型偏差的各因子取值該程序用于模擬超空化模型的動力學(xué)問題,研究運動穩(wěn)定性問題。1)可以在計算機屏幕上模擬超空化模型的運動(自由狀態(tài)和有推進器兩種情況);2)可以計算模型的飛行軌跡、模型在給定的初始條件下偏離預(yù)定軌跡的偏差;3)研究在給定初始條件下給定形狀的模型的運動,以及模型在外部壓力干擾作用下模型的運動;4)設(shè)計合乎要求的模型形狀和結(jié)構(gòu),所謂合乎要求就是模型可以穩(wěn)定地通過指定距離上的區(qū)段;5)確定模型在發(fā)射時容許的初始偏差。這些程序模塊都有友好的人機界面,計算結(jié)果可以保存成多種格式的圖形文件和多種數(shù)據(jù)格式。這個程序包幾乎涵蓋了超空化體設(shè)計、超空化流場分析的全部內(nèi)容。4試驗設(shè)備和典型試驗的介紹烏克蘭科學(xué)院流體力學(xué)研究所的帶自由面的液流研究部的主要試驗設(shè)備有兩個水洞試驗裝置,一個水力試驗臺。4.1工作段采用洞穴小水洞是一個開放型裝置,水從壓力存儲器自由流出,水頭4.4m,它可以保證水流速度8.9m/s。工作段截面340mm×340mm,長2m,見圖4。水洞既可以作為封閉循環(huán)式水洞,也可以用作有開放自由表面的水槽。用過的水流在地面水池經(jīng)過除氧處理,因此可以研究需要較大通氣量的問題,也可以研究靠近水流自由表面的繞流過程。4.2u3000材料和裝備大水洞是主要的試驗裝置,建于1982—1986年。水洞的設(shè)計主要是基于1978—1980年間ТСГ部的ЛогвиновичГ.В.,СавченкоЮ.Н.,ВласенкоЮ.Д.等人的大量專門的水洞組件和整體裝置的模擬試驗研究結(jié)果。水洞是高速開路型的水洞,主要參數(shù)為:水泵總功率——5000kW;在循環(huán)回路上水流量可達8m3/s;在水泵的總水頭下,水流速度最大可達32m/s;循環(huán)水路總長度——70m;工作段截面為0.5m×0.5m,長度為4m。輸送段截面為2.1m×2.1m,長為40m,裝備有一對尺寸為840mm×630mm,用多層鋼化玻璃板制成的觀察窗口,這段輸送段可以當(dāng)作封閉的拖航試驗水槽(模型試驗渠),用于自由運動的高速目標(biāo)試驗。實驗室裝備有大功率的壓氣機和泵、應(yīng)變測量設(shè)備,激光測速設(shè)備、照明設(shè)備,每秒4000幀的高速攝影設(shè)備,曝光時間為2μs、在1m×1.4m的底片上成像的照相設(shè)備。4.3u3000速度自由運動的裝置水力工作臺,用于沿金屬絲自行走超空化模型的運動。這個臺子主要用于相對大直徑的、結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜的模型在速度超過100m/s的超空化繞流研究,這可以保證獲得自然蒸汽空化情況。他們還研制了帶有不同驅(qū)動裝置的自行走模型,包括帶有噴射發(fā)動機這樣的驅(qū)動裝置。模型的運動軌跡的穩(wěn)定是借助于穿過水池的定向金屬絲來實現(xiàn)的,這允許在實驗室條件下研究尺寸達60mm、以50m/s～150m/s的速度自由運動的模型繞流,模型既可以在通氣空化情況下運動,也可以在自然空化情況下運動、示意圖見圖6。為了研究模型在水中的運動、模型入水和跳彈現(xiàn)象(рикошет),研制了可以傾斜180°的垂直試驗臺以及帶有電化學(xué)彈射器的發(fā)射臺,用以保證模型能夠獲得速度可達1800m/s?？傊?這是一個多功能的可進行高速約束模試驗、高速射彈試驗的裝置,在這個裝置上,他們做了大量首創(chuàng)性的通氣和自然超空化試驗,得到了一批非常有價值的創(chuàng)造性成果,本文也只是介紹在這個設(shè)備上完成的試驗。4.3.1空化器模型的建立帶有水蒸氣噴氣發(fā)動機的模型示意圖見圖7,其中模型外殼圓柱段內(nèi)裝工質(zhì),中心體用于與彈射器的鎖扣對接,錐段與圓柱段可以分開,前部的空化器可以更換。水蒸氣噴氣發(fā)動機的基本原理是在封閉的容器里把水加熱到飽和或接近飽和的狀態(tài)(欠加熱的水),接著經(jīng)過噴嘴進行射流,由于在噴嘴處流動突然擴大,欠加熱的水蒸發(fā),形成蒸汽水混合物。模型殼體直徑58mm,發(fā)動機的推力設(shè)計按照模型只在空化器處沾濕所受到的阻力,這里空化器選在12mm～16mm的區(qū)間范圍內(nèi)。這保證了當(dāng)模型在超空泡內(nèi)無沾濕運動時,有近20m的行程上是勻速運動,此時的平均速度是110m/s。還做了更小直徑的空化器試驗,由于空化器直徑太小不能保證在軌跡的初始段形成軸對稱的超空泡,部分非對稱沾濕導(dǎo)致模型阻力變化,也就導(dǎo)致了模型運動的不穩(wěn)定。對照片測繪,得出定常通氣超空泡的輪廓,然后與公式(11)進行比較,結(jié)果表明在空泡閉合到殼體或噴氣射流上的點之前的整個空泡長度上二者都吻合得很好。這表明模型發(fā)動機的噴氣射流對超空泡的參數(shù)沒有影響。4.3.2氣動彈射器的影響這個試驗方案的模型示意圖見圖8,其中圓柱殼體段用于保存通氣用的壓縮空氣,壓縮空氣的填充用進氣閥門3來實現(xiàn)。壓縮空氣經(jīng)過限流孔4流到模型頭部,為使空氣均勻排放到空泡里,在頭部空化器后面安裝了一個環(huán)狀噴嘴6?？諝鈴沫h(huán)狀噴嘴噴出的流量在指定的時間內(nèi)保持基本穩(wěn)定,可以通過設(shè)計空氣泵入壓力和限流孔的直徑來實現(xiàn)。這個設(shè)計要進行專門的試驗。模型的尾部形狀可以根據(jù)繞流的要求來更換。這個模型的發(fā)射,利用了帶長達4.5m的助推套管的氣動彈射器,可以保證最大的初始速度達130m/s,模型在水中的運動速度應(yīng)該是連續(xù)地衰減,空泡也逐漸減小。他們用這個試驗觀察到了回射流的影響,同時也進行了通氣空化的試驗