俄罗斯超空化减阻的研究

俄罗斯超空化减阻的研究

超空化减阻试验研究如果物体嵌入液体（水）或液体中的运动速度足够高，液体压力将降低至物体表面的液压（饱和蒸馏水），并将发生压缩。由于速度很快，如果完全分解，它们将立即完全发展。在物体表面形成一个覆盖部分或整个物体的大空气泡。在这种现象中，称之为空间发展和过度空间。超空泡一旦产生,包围着物体的不是水,而是超空泡中粘度和密度很低的水蒸汽,表面摩擦几乎消失,摩擦阻力减少90%,仅头部与水接触,故总的阻力大大降低。因此从原理上可以大大降低像细长体这样摩擦阻力占主要地位的水下航行体的阻力。因此从上个世纪40年代开始,美国、苏联、德国等国家就开始研究利用这一原理研制高速水下兵器,但是,超空化现象是一种极其复杂的流动现象,其过程涉及非定常、非线性、可压缩的多相流体动力学问题,涉及边界层理论、湍流理论等诸多流体力学研究的难点,因此无论是理论还是试验研究都有相当的难度。美国等在上世纪50年代末,关于超空化的研究就渐渐冷了下来,只有苏联,以大量试验为基础,采用半经验的方法,在超空化减阻问题的研究上取得了举世瞩目的成就。研制成功速度达100kn的暴风(Шквал)号水下导弹,并于上世纪70年代装备部队。目前已经研制出新的ШквалE型,速度可达90m/s～100m/s。笔者由于到莫斯科鲍曼国立技术大学作访问学者一年,所以有机会对苏联以及现在的俄罗斯和乌克兰在超空化减阻问题上公开发表的研究成果进行跟踪,并对他们的部分典型研究成果加以分析、总结和介绍,希望对超空化减阻理论和应用问题的研究有所借鉴和帮助。1超空化的特性根据公开发表的资料来看,苏联从上世纪40年代,就开始了超空化的理论和试验研究工作,最主要的研究单位就是著名的莫斯科中央空气、水动力研究院(中央流体动力研究院,ЦАГИ),主要代表人物就是后来突破超空化减阻关键技术的科研小组的领导人ЛогвиновичГ.В.,他从1947年开始领导ЦАГИ的航空和海洋武器流体力学部,50年代末开始研制新型高速水下武器,1968—1987年在乌克兰建立试验基地,并创立和主持乌克兰科学院流体力学研究所带自由边界的液流(ТСГ)研究部,在这里突破了超空化减组关键技术以后,于1988年又返回ЦАГИ继续领导高速水力学部,是俄罗斯发展空化流流体动力学的奠基人,2002年离世。另一位同是ЦАГИ代表人物的是ЭпштейнЛ.А.,他于1945年在俄罗斯第一个提出利用向物体表面通气的方法来在低速下生成超空泡,同样可以达到减阻的目的,由于仅依靠提高速度形成超空泡,至少需要50m/s,就是以现在的推进技术都很难实现,因此这一思想对后来俄罗斯的超空化减阻的试验研究起到了奠基石的作用。之后他在ЦАГИ的拖曳水池进行了大量的通气超空化试验,并在60—70年代间,发表了不少相关的论文。在超空化的流体动力基础理论以及超空化试验的相似理论研究方面,必须提及在莫斯科大学数学力学系做了46年的流体力学教研室主任、被称为俄罗斯力学之父的СедовЛ.И.的工作,他的著作《力学中的相似理论和无量纲化方法》在俄罗斯再版了10次,并被翻译成多种文字在很多国家出版。就是在这些学者的理论和试验的奠基性研究工作基础上,乌克兰科学院流体力学研究所带自由边界的液流研究部在ЛогвиновичГ.В.的领导下,在发展空化流(超空化)的研究中取得了举世瞩目的成就,他们主要取得的成果有:1)创造出揭示超空泡形态变化规律的原理,创造出形成和控制超空泡的技术;2)研究出了专门的通气和空泡闭合的方案,利用这个方案可以大大减小水动力作用力,并可以减少向人工超空泡通入的气体(暴风号就是采用他们的这个研究成果,三位主要成员ЛогвиновичГ.В.,БуйволВ.Н.,СавченкоЮ.Н.也因此获得了1978年的苏联国家奖);3)在世界上第一次实现了物体在水中以超声速运动;4)理论说明,同时也试验验证了,当物体沿着空泡壁周期性地滑水或者当物体和水仅在空化器上点接触时,借助于空气动力和水点喷溅力,物体在超空泡内的运动状态是稳定的。80年代后期,一直到现在,该部在СавченкоЮ.Н.的领导下,继续从事超空化的理论和应用研究,其主要成员在近几年来的几届国际空化会议上非常活跃,连续几届都有他们的文章,向国际社会公开他们在这一领域的研究成果。近年来,俄罗斯的ЦАГИ、莫斯科大学、彼得堡国立海洋技术大学、克拉斯纳亚卢斯克国立技术大学(КГТУ)、俄罗斯科学院西伯利亚分院等单位也都有学者在从事与超空化理论与试验有关的研究。总之,俄罗斯、乌克兰在超空化的研究方面有着深厚的理论基础和大量的试验研究成果,是非常值得我们学习和借鉴的。下面简单介绍一下他们的主要理论和试验研究成果。3空化数的物理特征超空化减阻研究的根本问题就是如何形成形态可控的、可以减阻的超空泡。因此超空泡形状的计算和分析就是一个基本的问题。肉眼可见的超空泡,前部是光滑的自由射流,带锐缘的物体,脱体位置就在锐缘上,若边缘是光滑形状的,则脱体位置不定。空泡后面,空泡边界合拢,有从空泡内携带出水蒸汽和气体的沸腾的泡沫状物质可见。表征超空泡流的最重要的物理特征之一是空化数:σ=2(p0-pk)ρV20(1)式中:σ为空化数,ρ为液体的密度,p0为来流无穷远处压力,pk为空泡内压力,V0为来流无穷远处速度。通常在空化数小于0.1时会产生类似图1形状的超空泡。对超空化现象有影响的因素有:液体的粘性,液体表面张力,液体沸腾温度,液体中溶解的气体含量,液体可压缩性等等。当速度不超过每秒几百米,水下航行体的尺寸不太小,运行温度远离沸点,可以将流体看作理想不可压缩,以此来评估空化流的力学特性是可行的。基于这个思想,俄罗斯的学者在势流理论分析和试验的经验基础上,给出了关于超空泡形状计算的若干经验公式。2.1计算的无限大空气泡的轮廓形状2.1.1体轮廓线方程在上世纪40年代,Гуревич和Левинсон针对在无限大流场内的轴对称半体绕流问题,分别独立地指出,在趋于无穷远处,体的轮廓线方程为∼R=√∼x4√ln∼xconst‚(∼x=xRn,∼R=R(x)Rn)(2)时,轴对称半体的阻力是有限的。其中const为一个常数,对于体的头部为单位直径的圆盘,const约为1.34。公式(1)也是轴对称体的平面射流或空化问题中的流线或空泡后部轮廓的估算公式,称为Гуревич-Левинсон公式。2.1.2空泡轮廓的确定Логвинович认为,液体在空泡子午面上运动单位长度的绝对运动动能等于体运动单位路径克服阻力所作的功。在物体匀速运动情况下,空泡可以看作含能尾流,该能量用于克服体的阻力,而且在离体较远处能量的单位含量是固定的。根据此能量原理,在空泡边界上任意微段ds上有dΤ=-ρ2ϕ2πR˙Rds=WV0dt(3)由边界条件∂ϕ∂t+v22=0可得-Wπρddt(1R˙R)+˙R22=0(4)一次积分后可得dRdx=RnR√lnR+A√cx02(5)其中A为积分常数,无量纲化后可得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的空泡轮廓,由如下经验公式(空化数小于0.1)确定:R=Rn(1+3xRn)1/3(7)即∼R=(1+3∼x)1/3(8)公式(7)和公式(5)的解合在一起构成了整个空泡的轮廓。公式(6)的解需要与公式(8)在某一个点上匹配,为计算方便起见,取x/Rn=2,此时有A=0.8514。2.2空化器前轮轮的计算在有限大空泡情况下,即空化数不为零,假设空泡内部压力为常值,空泡最大截面的面积为Sk=Sncxkσ=Wk(p0-pk)即Dk=dn√cx0(1+σ)kσ(9)其中k与具体的试验条件有关,如体的浸水深度和佛鲁得数Fr有关,但通常取值范围0.875＜k＜1(10)k=0.96～1(Логвинович),k=0.9(Эпш-тейн),k=1(Reichardt)同样基于能量原理可以得到空泡轮廓方程R=Rk√1-(1-R21R2k)|(1-ttk)2/γ|(11)˙R=R2kRtk(1-R21R2k)1γ(1-ttk)|(1-ttk)2(1-γ)/γ|(12)当靠近空化器的空泡的前部轮廓方程仍然取(7)或(8)时,我们还可以得到∼R=√∼R2k-(∼R2k-∼R21)|(1-∼xγ∼R1(∼R2k-∼R21))|2/γ(13)以及空泡半长计算公式∼Lk=∼R1(∼R2k-∼R21)/γ+∼x1(14)其中∼Lk=LkRn,∼R1=R1Rn,∼x1=x1Rn‚∼Rk=RkRn=√cx0(1+σ)kσ(15)使用时需要确定修正乘子γ,并确定与前部轮廓的匹配点。修正乘子的选取准则,定性的有γ→1k‚σ→0且有kγ<1Логвинович推荐γ=0.85。匹配点的选取,通常为计算方便仍然取x∼=2。另外,将(14)代入(13)以后,可以得到更为简捷的空泡半长公式LkσRn=a-bσ(16)(Логвинович:a=1.913,b=3;Гуревич:a=1.53,b=0.42)LkσRn=1.67cx0k(Эпштейн)(17)下面给出空化数分别为0.01,0.05,0.1时空泡轮廓及半长和最大半径计算结果,见图2。半长和最大半径分别为(180.15,9.1),(32.52,4.15),(14.1,3.0)。空泡半长按公式(15)～(16)的计算结果见图3。3超空化分析的原理和软件包3.1空泡纳米过程的计算空泡的每一个横截面相对于体几何中心的运动轨迹的扩大都几乎与物体通过这个截面的前一个运动和下一个运动无关,而仅与物体通过所研究的空泡截面的那一个时刻的空泡内外的压差、体的尺寸(沾湿部分最大截面半径)、速度、阻力有关。例如,已知t1时刻体的速度V1、阻力W1,空泡内外压差,可以利用公式(11)、(12)来计算,其中Rk=W1πΔp,tk=RnσV1(a-bσ)(18)体的运动愈接近直线匀速,原理的描述就愈精确。对于体的非定常运动(加速或减速),如果能够已知轨迹上点xi、通过这点时体的速度vi,并记录下通过这些点的时刻ti,那么在前述如(11)、(12)的公式中,用t-ti代替t,即可计算xi轨迹点所在截面的扩大规律。在乌克兰科学院流体所的许多试验都证实了该原理的正确性,其中一个是高速射弹试验,研究空泡的非定常过程。空化器直径1.3mm。试验观察的结论为:·接近薄细超空泡的液体的运动,主要发生在径向上;·被钢片分隔的超空泡相邻的截面的扩展,大部分时间内,就像钢片不存在一样。3.2非定常超空化流的计算机仿真为了研究物体入水和物体在水中超空化运动这样复杂的非定常过程,他们也应用了物理实验和计算机仿真相结合的综合方法。以他们研究的数学模型为基础,研制出了仿真非定常超空化流和超空化体动力学的程序包。程序包是模块化的,有统一的数据输入输出格式,包含几个独立的模块:SCAV——超空化模型自动设计模块;PCAV——模型入水和有外部干扰情况下的非定常超空化过程的计算机仿真程序;PULSE——人工超空泡的不稳定和自激振荡现象的计算机仿真模块;ACAV——通气超空泡控制过程的计算机模拟程序;STAB——超空化体动力学的计算机模拟程序。3.2.1冲击载荷的计算1)能计算当物体以固定深度和固定速度运动时,圆盘型或锥形空化器形成的超空泡的形状和尺寸;2)估计模型入水时所受到的最大冲击载荷值;3)能计算在惯性作用或者在工作推进器作用下模型的运动速度的变化;4)能计算在行程上任意一点上非定常空泡的主要尺寸(长度和最大截面面积)。3.2.2空化数的检测1)选择模型(真实的或者简易的),并给出模型的形状和质量;2)给出初始参数,运动速度和深度,空化器的倾斜角,模型的俯仰角和空化数;3)给定一种气体从空泡移出的类型(按比例定量分配的,沿涡线的,空泡闭合在体上的和接近自然空泡的),或按照Кэмпбела-Хилборна的准则自动选择;4)给出通入空泡的气量的变化规律和运动速度的变化规律。在计算机屏幕上可以看到人工空泡的初始形状,这里考虑了水自重的影响和空化器的攻角;还可以看到人工空泡的动态行为,以及空泡长度和空化数的曲线。3.2.3空泡仿真设计该程序指定用于进行由水的外部压力扰动引起的超空泡形状的非定常变化研究,以及在模型高速入水时空泡形成研究。1)选择模型类型,给出模型质量和形状;2)给出运动参数:发射速度、深度和空泡内部的压力;3)给出仿真参数:计算步长、图形沿垂直轴的比例和压缩系数;4)选择图形显示方式:动画式或步进式。在计算机屏幕上可以看到在外部不同类型的扰动作用下空泡的变形:(1)脉冲式扰动;(2)周期性扰动;(3)用户规定的扰动。还可以看到模型穿过刚性侧壁上的圆孔入水时超空泡的形成以及从里面膨胀的气体气泡。3.2.4空泡特性的研究通气轴对称超空泡的脉动模拟,主要用于模拟通气轴对称超空泡的不稳定性,以及在变外部压力下超空泡的强迫振荡。在计算机屏幕上可以看到:1)在给定的模型物理参数值下,不稳定的通气超空泡的自激振荡的发展;2)空泡内部压力和空泡长度随时间的变化;3)在给定振荡频率和幅值的外部压力的作用下,超空泡的强迫振荡;4)用人机对话的方式进行参数的任意取值对超空泡特性的影响;5)空泡内部压力和空泡长度随时间的变化序列值可以保存到文件,以供进一步分析(谱分析、相关分析和画相图等等)。3.2.5计算模型偏差的各因子取值该程序用于模拟超空化模型的动力学问题,研究运动稳定性问题。1)可以在计算机屏幕上模拟超空化模型的运动(自由状态和有推进器两种情况);2)可以计算模型的飞行轨迹、模型在给定的初始条件下偏离预定轨迹的偏差;3)研究在给定初始条件下给定形状的模型的运动,以及模型在外部压力干扰作用下模型的运动;4)设计合乎要求的模型形状和结构,所谓合乎要求就是模型可以稳定地通过指定距离上的区段;5)确定模型在发射时容许的初始偏差。这些程序模块都有友好的人机界面,计算结果可以保存成多种格式的图形文件和多种数据格式。这个程序包几乎涵盖了超空化体设计、超空化流场分析的全部内容。4试验设备和典型试验的介绍乌克兰科学院流体力学研究所的带自由面的液流研究部的主要试验设备有两个水洞试验装置,一个水力试验台。4.1工作段采用洞穴小水洞是一个开放型装置,水从压力存储器自由流出,水头4.4m,它可以保证水流速度8.9m/s。工作段截面340mm×340mm,长2m,见图4。水洞既可以作为封闭循环式水洞,也可以用作有开放自由表面的水槽。用过的水流在地面水池经过除氧处理,因此可以研究需要较大通气量的问题,也可以研究靠近水流自由表面的绕流过程。4.2u3000材料和装备大水洞是主要的试验装置,建于1982—1986年。水洞的设计主要是基于1978—1980年间ТСГ部的ЛогвиновичГ.В.,СавченкоЮ.Н.,ВласенкоЮ.Д.等人的大量专门的水洞组件和整体装置的模拟试验研究结果。水洞是高速开路型的水洞,主要参数为:水泵总功率——5000kW;在循环回路上水流量可达8m3/s;在水泵的总水头下,水流速度最大可达32m/s;循环水路总长度——70m;工作段截面为0.5m×0.5m,长度为4m。输送段截面为2.1m×2.1m,长为40m,装备有一对尺寸为840mm×630mm,用多层钢化玻璃板制成的观察窗口,这段输送段可以当作封闭的拖航试验水槽(模型试验渠),用于自由运动的高速目标试验。实验室装备有大功率的压气机和泵、应变测量设备,激光测速设备、照明设备,每秒4000帧的高速摄影设备,曝光时间为2μs、在1m×1.4m的底片上成像的照相设备。4.3u3000速度自由运动的装置水力工作台,用于沿金属丝自行走超空化模型的运动。这个台子主要用于相对大直径的、结构相对复杂的模型在速度超过100m/s的超空化绕流研究,这可以保证获得自然蒸汽空化情况。他们还研制了带有不同驱动装置的自行走模型,包括带有喷射发动机这样的驱动装置。模型的运动轨迹的稳定是借助于穿过水池的定向金属丝来实现的,这允许在实验室条件下研究尺寸达60mm、以50m/s～150m/s的速度自由运动的模型绕流,模型既可以在通气空化情况下运动,也可以在自然空化情况下运动、示意图见图6。为了研究模型在水中的运动、模型入水和跳弹现象(рикошет),研制了可以倾斜180°的垂直试验台以及带有电化学弹射器的发射台,用以保证模型能够获得速度可达1800m/s。总之,这是一个多功能的可进行高速约束模试验、高速射弹试验的装置,在这个装置上,他们做了大量首创性的通气和自然超空化试验,得到了一批非常有价值的创造性成果,本文也只是介绍在这个设备上完成的试验。4.3.1空化器模型的建立带有水蒸气喷气发动机的模型示意图见图7,其中模型外壳圆柱段内装工质,中心体用于与弹射器的锁扣对接,锥段与圆柱段可以分开,前部的空化器可以更换。水蒸气喷气发动机的基本原理是在封闭的容器里把水加热到饱和或接近饱和的状态(欠加热的水),接着经过喷嘴进行射流,由于在喷嘴处流动突然扩大,欠加热的水蒸发,形成蒸汽水混合物。模型壳体直径58mm,发动机的推力设计按照模型只在空化器处沾湿所受到的阻力,这里空化器选在12mm～16mm的区间范围内。这保证了当模型在超空泡内无沾湿运动时,有近20m的行程上是匀速运动,此时的平均速度是110m/s。还做了更小直径的空化器试验,由于空化器直径太小不能保证在轨迹的初始段形成轴对称的超空泡,部分非对称沾湿导致模型阻力变化,也就导致了模型运动的不稳定。对照片测绘,得出定常通气超空泡的轮廓,然后与公式(11)进行比较,结果表明在空泡闭合到壳体或喷气射流上的点之前的整个空泡长度上二者都吻合得很好。这表明模型发动机的喷气射流对超空泡的参数没有影响。4.3.2气动弹射器的影响这个试验方案的模型示意图见图8,其中圆柱壳体段用于保存通气用的压缩空气,压缩空气的填充用进气阀门3来实现。压缩空气经过限流孔4流到模型头部,为使空气均匀排放到空泡里,在头部空化器后面安装了一个环状喷嘴6。空气从环状喷嘴喷出的流量在指定的时间内保持基本稳定,可以通过设计空气泵入压力和限流孔的直径来实现。这个设计要进行专门的试验。模型的尾部形状可以根据绕流的要求来更换。这个模型的发射,利用了带长达4.5m的助推套管的气动弹射器,可以保证最大的初始速度达130m/s,模型在水中的运动速度应该是连续地衰减,空泡也逐渐减小。他们用这个试验观察到了回射流的影响,同时也进行了通气空化的试验