具有非流線形頭形軸對(duì)稱細(xì)小體空泡系列實(shí)驗(yàn)研究

具有非流線形頭形軸對(duì)稱細(xì)小體空泡系列實(shí)驗(yàn)研究

空化現(xiàn)象一直是數(shù)學(xué)領(lǐng)域的研究主題。近年來,隨著超空化被證明可以大幅度減小水下航行體的阻力以來,空化問題的研究重點(diǎn)與方向發(fā)生了變化,由關(guān)心是否可以避免或減緩空化現(xiàn)象的發(fā)生轉(zhuǎn)變?yōu)槿绾未偈古c保證發(fā)生超空化現(xiàn)象;由關(guān)心空化面積的大小與其造成的噪聲、效率降低及剝蝕等不良后果,轉(zhuǎn)變?yōu)檠芯克潞叫衅鞒张輵?yīng)具有什么樣的幾何形狀(超空泡流型)才能產(chǎn)生滿足航行器航行所需的流體動(dòng)力布局并有效地降低阻力。超空泡的形成與超空泡的形態(tài)控制成為關(guān)鍵問題。顯然,航行器的頭部幾何形狀(頭形)對(duì)航行器空泡形成與空泡幾何形狀具有十分重要的影響。KirschnerINetal、SavchenkoYuN、LegerTAetal、KunzRFetal、VlasenkoYuD、KuklinskiR開展了有關(guān)的研究工作,但大多是空化流的理論分析與數(shù)值模擬,實(shí)驗(yàn)研究的模型僅是頭體,沒有航行器的中后體,給出實(shí)驗(yàn)結(jié)果也很少。國內(nèi)目前還未見有關(guān)該方面的研究文獻(xiàn)公開發(fā)表。本文將根據(jù)軸對(duì)稱細(xì)長體系列頭形的空泡水洞實(shí)驗(yàn)結(jié)果,研究頭形對(duì)充氣超空泡形成與超空泡幾何特征的影響。1教育實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?shí)驗(yàn)工作是在西北工業(yè)大學(xué)高速空泡水洞中完成的。水洞為封閉循環(huán)式,水洞的工作段尺寸為ue001φ0.4m×2m;水速調(diào)節(jié)范圍為0～18m/s,壓力調(diào)節(jié)范圍為0.03～0.1MPa。水洞配置有水質(zhì)處理與過濾系統(tǒng),自動(dòng)通氣與除氣系統(tǒng),數(shù)據(jù)采集、處理與顯示系統(tǒng),多點(diǎn)壓力同步測(cè)試系統(tǒng),高速與低速攝像系統(tǒng)等測(cè)量系統(tǒng)。水洞實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ陀刹煌庑晤^部(稱為空化器)、圓柱段、前錐段、后錐段幾部份通過模塊化組合獲得,見圖1。模型全部選用黃銅材料加工,表面粗糙度為1.6μm?？栈髂Ｐ陀?個(gè)系列:錐角系列、攻角系列、直徑系列,如圖2所示?？栈髋c模型后體用螺紋連接,模型與水洞支架之間采用尾支撐方式安裝,測(cè)試用管路與線路均從模型尾部引出,經(jīng)支架與其導(dǎo)流罩之間引出洞體之外,如圖3所示,以盡量減小支架、管路等對(duì)流場(chǎng)的干擾,并可獲得完整的超空泡圖象。2空泡形狀與結(jié)構(gòu)在實(shí)驗(yàn)中,通過控制空化數(shù)σ使航行體生成超空泡。利用改變水洞工作段水速V∞、壓力p∞和空泡內(nèi)壓力pc獲得不同的空化數(shù),pc又是通過改變通氣的流量與壓力來控制的。σ=p∞?pc0.5ρV∞(1)σ=p∞-pc0.5ρV∞(1)LegerTA認(rèn)為雷諾數(shù)Re、界面張力與附著力對(duì)流線形物體附著空泡的起始與空泡前緣形狀具有重要影響,但未提及帶有空化器的非流線形物體。通過改變水洞流速,在雷諾數(shù)Re=2.2×106～7.1×106的范圍內(nèi)對(duì)航行體的超空泡進(jìn)行了實(shí)驗(yàn),沒有發(fā)現(xiàn)雷諾數(shù)Re對(duì)超空泡幾何形狀有明顯影響。通過不同佛汝德數(shù)Fr時(shí)的細(xì)長體超空泡對(duì)比實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)當(dāng)組合參數(shù)Fr·σ>1時(shí),佛汝德數(shù)Fr對(duì)空泡外形已無大的影響Fr=V∞gL√(2)Fr=V∞gL(2)這里,來流速度V∞取水洞工作段的水速,特征長度L取模型的長度。水洞空泡圖像的準(zhǔn)確測(cè)量是水洞實(shí)驗(yàn)中的一個(gè)難題。本實(shí)驗(yàn)中采用了水洞實(shí)驗(yàn)圖像測(cè)試的3步法,獲得了空泡外形較準(zhǔn)確可靠的定量數(shù)據(jù)。不同頭形細(xì)長體超空泡實(shí)驗(yàn)是在雷諾數(shù)Re=2.2×106～7.1×106、組合參數(shù)Fr·σ>1的范圍內(nèi)進(jìn)行的,以避免雷諾數(shù)Re與佛汝德數(shù)Fr對(duì)超空泡形狀的影響。3結(jié)果與分析3.1頭形模型仿真結(jié)果在不同空化數(shù)與不同水洞工作段水速下對(duì)系列頭形模型進(jìn)行了空泡起始與形成實(shí)驗(yàn),觀測(cè)不同頭形的空泡起始與形成情況。結(jié)果發(fā)現(xiàn):(1)大錐頂角空化器比小錐頂角空化器易于空化起始;大直徑空化器比小直徑易于空化起始;這是因?yàn)椴煌念^形模型頭部區(qū)域的壓力分布與最低壓力值不同,因而局部空化數(shù)和通入的氣體可存留程度也不同。圖4給出了直徑20mm空化器(圖4(a))與直徑26mm空化器(圖4(b))模型流場(chǎng)等壓線的數(shù)值計(jì)算結(jié)果。(2)非流線形頭形模型如果發(fā)生空化,空化總是起始于空化器的最大圓周處,如圖5所示。因此,為了獲得穩(wěn)定與確定的空泡,水下超空化航行器應(yīng)選擇非流線形頭形。(3)錐系列空化器(包括圓盤與不同直徑系列)模型都可以形成超空泡,其形成過程如圖6所示。圖6(a)超空泡的起始階段,此時(shí)主要是微氣泡團(tuán);圖6(b)已形成一個(gè)大氣泡,其標(biāo)志是空泡已變?yōu)橥该?稱為局部附體空泡,空泡在模型上閉合;圖6(c)空泡在模型尾部閉合,形成超空泡;圖6(d)空泡在模型尾部遠(yuǎn)后方閉合,稱為充分發(fā)展的超空泡。圖6(b)、圖6(c)、圖6(d)也是在不同條件下可獨(dú)立存在的3種穩(wěn)定的細(xì)長體空泡形態(tài)。(4)不同頭形模型形成超空泡的難易程度與空泡起始類似,圖7給出了圓錐空化器系列模型形成尾部閉合超空泡所需的空化數(shù)?？梢钥闯?隨著空化器錐頂角的增大,生成尾部閉合超空泡的空化數(shù)不斷增大。表明大錐頂角空化器比小錐頂角空化器易于生成超空泡。3.2空化器模型超空泡的表征在相同空化數(shù)與不同空化數(shù)條件下,對(duì)配置不同空化器的模型進(jìn)行超空泡系列實(shí)驗(yàn),觀測(cè)不同空化器模型的超空泡幾何外形。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:(1)對(duì)于不同錐角和不同直徑系列空化器模型,所生成的超空泡外形除首尾以外都接近于長橢球體(如圖8)。超空泡外形因此常用空泡長細(xì)比λC(空泡長度與空泡最大直徑之比)和空泡相對(duì)長度lC(空泡長度與空化器直徑之比)作為幾何特征量來描述。(2)在相同空化數(shù)下,超空泡的相對(duì)長度與長細(xì)比均隨著空化器錐頂角的增大而增大。由圖9可知:當(dāng)空化數(shù)為0.137時(shí),60°頂角空化器模型超空泡的相對(duì)長度為15,長細(xì)比為6.8,而90°頂角空化器模型超空泡的相對(duì)長度為20.5,長細(xì)比為7.5。當(dāng)空化數(shù)為0.16時(shí),120°頂角空化器模型超空泡的相對(duì)長度為15.5,長細(xì)比為5.4。而圓盤空化器模型超空泡的相對(duì)長度為21,長細(xì)比為6.8;在相同空泡相對(duì)長度或長細(xì)比下,隨著空化器錐頂角的增大,空化數(shù)也增大。例如,當(dāng)空泡相對(duì)長度為20時(shí),60°頂角空化器模型的空化數(shù)為1.27,90°頂角空化器模型的空化數(shù)為1.38,120°頂角空化器模型的空化數(shù)為1.51,圓盤空化器模型的空化數(shù)為1.62。(3)不同空化器直徑模型的超空泡外形變化規(guī)律與不同錐角空化器模型類似。即在相同空化數(shù)下,超空泡的相對(duì)長度與長細(xì)比均隨著空化器直徑的增大而增大;在相同的空泡相對(duì)長度或長細(xì)比下,隨著空化器直徑的增大,對(duì)應(yīng)的空化數(shù)也增大,參見圖10。(4)圖11給出了直徑26mm、攻角為10°的圓盤空化器模型的超空泡照片,圖8(b)是對(duì)應(yīng)的空化器攻角為0°時(shí)的超空泡照片,圖12給出了圖11和圖8(b)超空泡頭部放大照片。從圖中可以看到,當(dāng)空化器攻角為0°時(shí),空泡的脫體角是軸對(duì)稱的,空泡也是軸對(duì)稱的;當(dāng)空化器攻角為10°時(shí),空泡的脫體角已不具有軸對(duì)稱性,空化器上部脫體角變小,下部脫體角變大,使得空泡的上表面在一定程度上被拉直了,造成了空泡的不對(duì)稱變形;但是變形量很小,且主要發(fā)生在頭部,超空泡在宏觀上都仍然保持了近橢球體的外形。4頭形微細(xì)體模型(1)圓錐系列頭形(包括圓盤與不同直徑系列)非流線形細(xì)長體具有穩(wěn)定的空化起始條件,在一定的空化數(shù)下具有穩(wěn)定的空泡起始位置、脫體角和空泡區(qū)域。(2)圓錐系列頭形細(xì)長體可以生成3種穩(wěn)定的空泡基本形態(tài):在模型體上閉合的局部附體空泡、在模型體尾部閉合的超空泡和模型體尾部之后閉合的超空泡;超空泡的基本外形為橢球體