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人工超空化通气流量 系数的实验研究.pdf

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人工超空化通气流量 系数的实验研究.pdf

2007年9月第35卷第9期机床与液压MACHINETO0LHYDRAULICSSep.2007Vo1.35No.9人工超空化通气流量系数的实验研究杨武刚,张宇文,邓飞,范辉,袁绪龙,张博西北X业大学航海学院,西安710072摘要超高速超空化水下航行体减阻新技术是目前最具前景的一种减阻方法,空泡形态稳定性及其尺度控制是决定其减阻效果的关键。在高速水洞中采用通气方式进行了超空化气体流量对空泡尺度的影响实验研究,得出了泄气率和超空泡形态调控的影响规律。基于相似方法和量纲理论获得了流量系数与空化数的定性与定量关系。所得结论对水下航行体超空泡水动力特性和非定常空泡控制技术的研究具有重要意义。关键词通气超空化气体流量系数空化数水洞实验中图分类号0352文献标识码A文章编号10013881200791364ExperimentalStudyontheVentilationRateofArtificialSupercavitationYANGWugang,ZHANGYuwen,DENGFei,FANHui,YUANXulong,ZHANGBoCollegeofManne,NorthwesternPolytechnicalUniversity,Xian710072,ChinaAbstractTheartificialsupercavitatingtechnologyisoneperspectivelymethodofdragreductionforunderwatervehicles.Thesignificantproblemofthedargreductioneffectistheconfigurationstabilityandthedimensionalcontrolofthesupercavity.TheexperimentalinvestigationonventilatedsupercavitywascarriedoutinhighspeedwatertunnelofNPU.Thequalitativelyandquantificationalparameterrelationshipbetweenthedimensionlessventiahionrateandthecavitationnumberwhichdenotesthesupercavitatymagnitudeshapewaspresentedbymeansofthesimilaritymethodanddimensiontheory.Someapproximatelyregulateandcontrolrulesofthesnpercavityconfigurationbymeansofventiahionratewereprovided.KeywordsVentilatedsupereavitationVentialtionrateCavitationnumberWatertunnelexperiment0引言与空气中飞行体相比,导致大幅提高水下航行体速度困难的原因主要是由于水介质的密度是空气密度的800倍,其航行阻力也相应要大出许多,单纯依赖改善航行体流型、表面涂层等减阻方法或提高动力推进系统的方法在现阶段已很难有大的突破。水下超高速超空化减阻新技术是一种具有广泛诱人前景的大幅减阻方法,这种技术通过在航行体物面与介质问生成薄的气体层,可使得航行体犹如在空气中航行,达到超过80%的减阻效果,可获得高达100m/s的水下超高航行速度,已经成为当今该领域研究的焦点。气体流量的研究是通气超空化技术的核心问题之一,对于航行体超空泡形态控制和水动力特性等具有重大影响。超空化航行体必须采用人工通气手段直至航行体加速到自然空泡出现并得以维持的状态,对于配备有通气减阻装置的水下航行绕流流场的研究,涉及到液、气相互作用的复杂流动问题,形成稳定形态的超空泡要求供入空泡内的气体流量与空泡尾部气体泄出量相匹配。高速水洞实验研究是目前研究超空化技术的主要手段,西北工业大学课题组经过长期的系列综合实验研究,本文着重介绍气体流量率与空泡主尺度即空化数关系的部分实验与分析结果。1实验设备和实验模型实验工作是在西北工业大学高速水洞图1a中完成的,该水洞由洞体、电源间、辅助装置及测试仪表等组成。洞体为一不锈钢封闭循环式管道,洞内充满水,在叶轮泵的驱动下,水沿管道循环流动,并在其工作段内形成一个所需的均匀流场。水流的速度和压力可以按照相似条件的要求进行调节并保持稳定。洞体中心线高度11.5m,水平中心线长度11.8m,工作段位于上水平管中段,其外部为矩形框架结构,内部为有机玻璃圆筒。工作段尺寸4,0.4m2m,封闭循环式,工作段水速0~18m/s连续可调,工作段压力20~300kPa连续可调,最小水洞空化数or0.12,叶轮泵功率125kW。水洞辅助设施包括水质处理系统,通气含气量排除系统,实时数据自动采集、处理和显示系统等。本次实验专门研制了自动通气与压力控制与测量系统图1b,可实现通气参数控制和实时数据测量与处理等功能。模型在水洞中采用尾支撑水平安装方式,空化器选用零攻角圆盘、圆锥以及椭圆形状系列,图2给出了部分实验用空化器图片。实验模型采用不锈钢和铝合金材料通过模块化组合而成,包括可更换的头部空化器、前锥段、圆柱段、后锥段以及垂直支杆等。为了消除模型尾部垂直支杆对流场的影响,设计弧形导流罩,所有信号连线和通气管均通过导流罩引出洞体。基金项目国防重点实验室基金资助项目51443070204HK0301维普资讯http//www.cqvip.com第9期杨武刚等人工超空化通气流量系数的实验研究137l一天平2一模型3一工作段4调压室5一除气塔6一过滤器7一水泵8一真空箱9一真空泵l0一加压筒ll一空压机l2一叶轮l卜直流电动机a高速水洞结构示意图fb自动通气与压力测控系统图1高速水洞实验室与自动通气系统控制界面图2部分实验用空化器2实验研究2.1相似参数通气超空化的基本相似参数主要包括空化数or、通气流量系数c雷诺数尺e以及弗鲁德数n。其中空化数是描述流场空化程度的无量纲参数,空泡的形状和尺度主要取决于它。通气的目的就是向模型头部空化器锐边后供入适量非溶带压气体,通过减小压差来降低空化数。空化数是以使得空泡趋于封闭的压差与抵抗空泡闭合的动压二者之比值定义的P一P0.5pv式中和P分别为未扰动流场速度和压力,P为空泡内部平均压力。通气超空化的主要问题是关于维持给定空泡尺度所需要的气体供给量,在定常流动轴对称空化器情况下,气体供入量是与泄出量相等的,通常采用流量系数CQ/D作为表征通气规律的参数,而乌克兰学者Semenenko为了使得流量系数不依赖于空化数为0时的空化器阻力系数C,利用了所谓的通用线性尺度DD/替代D来分析,建议引入如下流量系数C,c。Q2式中Q为通入空泡内部的气体体积流量,D为空化器直径,c为零空化数下的空化器阻力系数。雷诺数舶和弗鲁德数n分别为描述惯性力和粘性力比值以及惯性力和重力比值的无量纲参数ReD/v3n//gD4式中取空化器直径D为特征量,12为运动粘性系数,g为重力加速度。2.2研究内容与方法由于在小弗鲁德数n下,重力效应会对空泡形态和水动力特性产生一定的影响,图3给出了弗鲁德数为25时对应的空泡形态尾部偏斜情形。为了减少这种重力作用的上浮影响,实验中水洞速度的调节范围在10~15m/s,对应的以空化器直径为特征尺度的弗鲁德数n均大于36。实验中在给定水速、环境压力和模型空化器直径的条件下,通过持续地向空泡内供入一定气体量,获得形态稳定的超空泡,记录对应的流量值和相应时刻的泡内压力以及水洞压力等参数,该流量可视为对应定常工况下的空泡气体泄出量,此时进入到空泡内的流量与空泡尾部泄出量达到一种动态平衡,于是获得了泄气流量系数与空化数的对应关系。为了比较不同工况下流量系数与空泡尺度的关系,选取空化数or作为参数。图3重力对空泡形态的影响Fr253结果与分析3.1流量系数与空化数的实验在自然空化的条件下,通过向流经非流线型物体后例如圆盘的低压区域充入难溶于水的气体用以生成超空泡的方法称为人工通气超空化。对于水洞实验,利用该方式可在较低的水速条件下降低空化数,并可以获得尺度很大的超空泡。气体流量的增加维普资讯http//www.cqvip.com138机床与液压第35卷引起了空泡内部的相对体积气体含量增加,空泡内压力相应增加,从而空化数减小,并使得空泡尺度增加。图4给出了实验中的典型通气空泡照片。图4部分典型实验照片由图可见,随着流量系数的不断增加,流场空化程度逐渐加深,超空泡主尺度也相应地有所增加,在流量系数超过约0.8时,空泡基本上覆盖了整个模型。这表明采用通气方式进行超空泡尺度调控在实践上是可行的,控制方案是有效的。进一步的研究表明,当流量系数增大到一定程度之后,超空泡形态和尺度几乎不再发生改变,但空泡尾部会出现脉动现象,即空泡形态趋于不稳定状态,这种现象是由于空泡尾部泄气动力学模式改变所致,也可能是与模型支杆或导流罩的影响有关。在减气量的过程中,可能会发生在增气量时难于生成空泡的流量而在减气量时空泡却能够得以维持的现象。由上可见要形成稳定形态和既定尺度的超空泡,持续注入空泡的流量系数必须界于两个临界值之间,过小则无法生成空泡,而过大则会发生空泡的非稳定现象。3.2流量系数与空化数的分析虽然对超空化现象的研究也有半个多世纪的历史,但由于通气超空化流场结构复杂,很多问题还没有得到理论上的解决。俄罗斯学者提出的半经验理论主要是建立在势流理论和渐近方法基础之上。尽管半经验理论所能解决的问题有限,理论本身也还存在不少问题,但这些理论还是为超空化研究的发展作出了贡献,而且许多理论成果至今仍在业内广为使用。由于采用量纲分析使整个论述更自然合理,而其解决问题的范围也与半经验理论基本相同,因而也被广泛接受。另外量纲分析对实验和理论研究都是很有好处的,无论对变量形式的选定以及计算结果的整理都是如此㈨从量纲理论分析的角度来看,影响超空泡气体体积流量的因素定性上主要是由来流速度以及空泡外形主尺度共同组成,同时也是其它许多参数的函数,主要包括模型特征尺度、液体粘性、表面张力以及重力等有关参量。这里空泡尺度即空泡长度和最大截面直径D。QC,Re,Fr,WeLD5考虑到空泡尺度可由空化数来确定,依据相似方法与量纲理论,无因次的流量系数c是包括空化数在内的多参数构成的组合函数。有些文献∞简化为采用空化数和弗鲁德数n或自然空化数的组合,但是当重力作用对空泡泄气动力学的影响并不显著时,对长细比很大的超空泡流动,选取雷诺数应当也是可行的,当然这还要取决于复杂的空泡内部动力学流动模式和尾部泄气方式。对式5利用Garabe.dian近似空泡外形估算公式DD7/oLD,/Cln1/o/o6式中D和分别为空泡最大截面直径和空泡长度c为相应空化数下的阻力系数,CC棚1。则由式2得到无因次的流量系数C应具有下列形式r_CQc,Re,Fr,耽/n7不再显著,最简单的图5空化数与流量系情况是可将式7中数的实验曲线的系数视为常值系数,即假定流量系数仅仅是空化数的单值函数,可得到该常值系数在0.002~0.015之间。图5给出了空化数与通气流量系数的实验结果和相应拟合曲线,同时也给出了二者的乘幂拟合结果。图中可见若以雷诺数作为参数,则在定性上雷诺数越大,流量系数反而越小,这主要是由于随着速度的增加,气水动量交换剧增的缘故,另外流量系数和空化器直径是二次关系。从实验结果来看,在雷诺数变化的较大范围内,单值函数的假定是比较合理的,流量系数与空化数的依赖关系具有基本一致的规律。应当指出,对于实验中当流量系数达到一定量值后出现的空泡形态非稳定情形,在图5中没有包含。鉴于目前超空化应用领域的特殊性,加之该方面的水洞试验或者水池试验资料本身匮乏,况且实验条件和环境因素也各有不维普资讯http//www.cqvip.com第9期杨武刚等人工超空化通气流量系数的实验研究139同,与同类文献的比较难以进行。在今后占有更为丰富数据和进一步深人研究的基础上,空泡泄气动力学模式的研究以及空泡气体供给量与泄出量匹配关系仍有待进行深人分析和研究。4结论本文通过高速水洞实验对超空化通气流量系数和空化数的关系进行了实验研究,以相似方法与量纲理论作为基础,分析了通气超空化减阻技术中的气体泄出流量特性,得出了泄气率与空化数的定性与定量规律,并给出了流量系数与空化数的对应曲线和近似拟合关系式,为获得形态稳定的超空泡和建立航行体弹道导引规律等提供了重要依据。由于条件的限制,本次实验的一些量化结果以及复杂的空泡泄气动力学模式等问题仍有待于今后实验或数值计算方面研究工作的改进和完善。参考文献【1】SavchenkoYuN.Controlofsupercavitationflowandsta.bilityofsupercavitatingmotionofbodiesJ.RTOAVTLectureSeriesonSupercavitatingFlows,VonKarmanInstitute,BrusselsBelgium,Feb.2001.【2】WaughJG,StubstadGW_HydroballisticsmodelingM.U.S.GovernmentPrintingOffice,1975110.【3】SemenenkoVN.Artificialsupercavitation.physicsandcalculationJ.RTOAVTLectureSeriesonSupercaviatingFlows,VonKarmanInstitute,BrusselsBelgium,Feb.2001.【4】ParyshevEV.MathematicalModelingofUnsteadyCavityFlowsJ.ProceedingsofFifthInternationalSymposiumonCavitation.Osaka,Japan,2003CAV03一OS7014.【5】SpurkJH.OnthegaslossfromventilatedsupercavitiesJ.ActaMechanica,2002,155125135.【6】SavchenkoYN,SemenenkoVN,PutilinSI.UnsteadysupercavitatedmotionofbodiesJ.ImJofFluidMe.chanicsResearch,2000,271109137.【7】LogvinovichGV,BuyvolVN,DudkoAS.Freebounda.ryflowsM.NaukovaDumkaPublishingHouse,1985.【8】SavchenkoYuN,SemenenkoVN.ThegasabsorptionintosupercavityfromliquidgasbuublemixtureJ.Proc,3thInternatSymponCavitation,Grenoble,France,199824953.【9】RechardtH.Thelawsofcavitationbubblesataxiallysym.metricalbodiesinaflowR.MinistryofAircraftProductionGreatBritianReportsandTranslations,766,1946.【10】KnappRT,DailyJW,HammihFG.CavitationM.McGrawHill,NewYork,1970115138.【11】苏谢多夫.力学中的相似方法与量纲理论M.沈青,等译.北京科学出版社,1982.【12】GarabedianPR.CalculationofaxiallysymmetriccavitiesandjetsJ.PacJMath,1956,64611684.作者简介杨武刚1972~,男,陕西合阳人,博士研究生,主要研究方向为水下航行器流体动力与控制。电话02988494486O,13891921816。Emailxaywgyahoo.con.cn。收稿日期20061031上接第135页9为通过本试验机所n∞测得的船舶推力系数以及螺旋桨扭矩系数随时间的变化值与仿真试验结果的对比图,图中带三角标0.38记的为试验数据,另一条为仿真数据。可见,本试验机的试验结果与仿真结果基本吻合。4总结0l002OO30040050O6000l00200300400500600Us图9K,仿真值与试验值对比在对直接推进以及电力推进船舶进行简介的基础上,对船舶综合液压推进技术的原理、特点以及模拟试验台进行了分析、介绍。船舶综合液压化以后具有很多优点,这些优点决定该推进方式适合于大功率以及多工况船舶。为船舶动力系统的重新设计提供了新的思路。参考文献【1】樊印海.电力推进自动控制M.大连海事大学出版社,199845.【2】刘波,张大有.一种新型的电力推进系统J.武汉理工大学学报交通科学与工程版,2004,285748751.【3】谭作武.磁流体推进M.北京工业大学出版社,19981115.【4】吴伯才.船舶液压推进的可行性探讨J.宁波大学学报理工版,2002,1527677.【5JYuriA.Dreizin,TheelectromagneticchemicalpropulsionconceptJ.IEEETransactionsonMagnetics,1995,311279283.【6】JiYulong,SunYuqing,ChenLei,eta1.ModellingandsimulationofIHPshipc.InProceedingofthe2ndInternationalConferenceonComputationalMethodsinFluidPowerFPNI06.DenmarkAalborgUniversity,2006.E5.作者简介纪玉龙,男,出生于1981年,博士研究生。主要从事船舶机电一体化技术、液压传动与控制等领域的研究。Emailjiyulongcn163.con。收稿日期20o6一l0一l6维普资讯http//www.cqvip.com

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