带圆盘空化器头航行体阻力特性试验研究

带圆盘空化器头航行体阻力特性试验研究

1高速行人体的空化特性与水动力特性由于伯努利效应，航行体表面附近的水压力降低。当压力降至饱和蒸汽压时，水将蒸发并形成覆盖航行体各部分或大部分表面的空气泡。如果行李表面形成的固定空气泡长度超过河岸的长度，则泡沫称为空泡沫。此时，大部分行人表面仅与水蒸发汽体接触，这可以显著降低航行体的运动阻力。航行体可以在水下航行数百米后仍保持高速速度和动能，并像地面动能弹药穿透或破坏目标一样，使用超空泡沫弹沉积体破坏水下目标。80年代初期,德国进行了不同超空泡航行体的试验,演示了超空泡航行体毁伤水深大于10m处水雷的能力,超空泡航行体最先进的研究和技术项目是SMG3反气垫船和抗登陆水雷,它被视作是超空泡首次应用到水中兵器上的实例。美国水下战中心采用超空泡技术设计了“适应高速度水下弹(AHWSUM)”的航行体,由水下炮发射,航行体速度高达到1549m/s。在高速航行体的空泡特性与水动力特性研究方面,俄罗斯和乌克兰开展了大量基础性工作。我国关于水下航行体的空化问题研究已有一段历史,特别在航行体空泡形态、水动力特性和减阻特性方面也开展了大量的试验和数值研究工作[3,4,5,6,7,8,9,12,13],但基本上都是针对低流速和人工通气超空化。高速航行体(空化数≤10-3)自然空化的空泡形态、水动力特性及其水下弹道特性研究,从国内公开发表的资料来看基本上还属于空白。本文对带圆盘形空化器的航行体,设计了多种外形结构,进行了不同空化数(空化数≤10-3)航行体的水靶道试验,研究了小空化数下超空泡的阻力特性。2试验设备与航行模型2.1水下光幕的探测试验工作是在南京理工大学水靶道中完成的,水靶道系统如图1所示。水靶道端部有发射架,靶道底面和两边采用防护措施,保障航行体发射的安全性。在靶道上测速点处安装水下光幕靶测速系统,光源经光学调理系统调整后,转换成一束平行光,平行光经狭缝遮挡后形成探测光幕。当水下航行体通过该光幕后,由一组光学镜片组成的光电信号采集系统探测光幕的光照,并将整个探测区的光照集中于焦点光斑上。光电转换系统将光通量的变化经大面积光敏元件、门限电路等转换为交变的电压模拟信号,完成对有效信号的放大处理,同时根据灵敏度的选择设置信号比较门限,完成对各种干扰信号的阻挡。时间测试仪完成航行体穿越探测区光幕的时间采集及记录。测速原理如图2所示。2.2试验模型的直径圆盘形空化器头部有利于航行体的超空泡形成与稳定,试验模型采用前段圆盘空化器和后段圆柱体组成,如图3。图中Dn为空化器头部直径,Ln为航行体头部长,LC为航行体圆柱部长,Dm为航行体直径,试验中所有模型的直径为Dm=30mm,LB=Ln+LC为航行体全长。模型M1-M3空化器直径Dn依次为5mm、4.2mm、2.8mm,全长LB=150mm,头部长Ln=130mm;模型M4空化器直径Dn=2.8mm,全长LB=240mm,头部长Ln=220mm。3光电色谱分析航行体水下试验测量点布置如图4所示。发射点在水靶道的端面,距水靶道顶面0.5m,采用密封技术防止水倒流入发射器。发射后,航行体进入光电测速靶区域后,触发光电测速靶启动工作,并测量出航行体的航行速度,在起始点和距起始点20m处布置了光电测速靶,在50m处,布置防护钢板回收航行体。试验中主要考虑了航行体空化数、空化器直径、航行体长细比对航行体水动阻力特性的影响,设计了相应的方案来实施试验。3.1多元意义的“以水为体”空化数的定义为:,P∞为水靶道内射击平面的水压力,P0为航行体表面饱和蒸汽压力(取P0=2350Pa),ρ为水的密度,V为航行体速度。在试验中,通过改变航行体速度V来调整航行体空化数,对M3模型弹,进行了空化数σ≈2.45×10-4和σ≈7.92×10-4各2发航行体试验,在2个光电测速靶处实测出航行体的航行速度(计算空化数),通过试验数值处理获取航行体的阻力系数,比较分析空化数对航行体水动阻力特性的影响。3.2相似空化数试验对航行体模型M1(Dn=5mm)、M2(Dn=4.2mm)进行空化数σ≈2.45×10-4的水靶道试验,获取相应模型的水动阻力参数,与模型1的相近空化数试验结果进行比较分析。3.3模型2:水动阻力参数的确定对模型M4进行空化数σ≈2.45×10-4的水靶道试验,获取相应模型的水动阻力参数,与模型1的试验结果进行比较分析。根据试验方案,加工了多个航行体模型,航行体静态参数测量结果如下表1所示。4性阻力和“行人体”运动方程超空泡航行体阻力系数Cx定义为Cx=D/(0.5rSV2),其中:D为航行体水中运动所受到的阻力,S为特征面积(取为航行体后段圆柱体的横截面积)。航行体阻力主要包括压差阻力和黏性阻力两部分,压差阻力主要取决于头部空化器与弹尾部的流场压力差,而黏性阻力与航行体表面积及其黏湿介质的密度有关。在水中运动的航行体,由牛顿第二定律,航行体质心运动方程为:由于水靶道中,航行体水中运动为小射角、短距离的平面运动,可将升力Ry、马格努斯力Rz和科氏力升力Rc、地球自转产生的惯性离心力升力RΩ取为零。航行体受到阻力m为航行体质量。整理可得:以弹道弧长s为自变量,考虑到射角θ0很小,航行体整个运动过程中弹道倾角θ很小,(2)式整理可得:在一段弹道上,将上式分离变量积分整理可得:由此,可求出航行体的水动阻力系数Cx。5空化数对阻力特性的影响在南京理工大学水靶道进行了上述3个方案的航行体水下航行试验,航行体发射仰角为1°,水深0.5m发射,测量了航行体入水附近和距发射点20m处的航行体速度,共进行了7次航行体的水下航行试验。通过上述数据拟合方法,以航行体最大横截面积(πDm2/4)为参考面积处理出了航行体水下运动的平均阻力系数,试验结果与计算结果见表2。根据航行体D3、D4、D5、D6的试验结果,在小空化数下,空化数对超空泡航行体的阻力特性影响很小。乌克兰国家科学院流体力学研究院LogvinovichG.V]试验总结,对于较低空化数的钝形空化器,阻力系数的近似值为cx=cx0(1+σ),对于空化数由0.0003变化到0.0009,阻力系数变化量为0.06%,本文试验结果为0.07%,两者基本一致,在小空化数的超空化形态下,空化数对航行体的阻力特性影响很小。根据航行体D1、D2、D3的试验结果,头部空化器直径对航行体的阻力特性有较大的影响,空化器直径加大,阻力系数增大。这主要是,航行体在高速运动的情况下,完全处于蒸汽超空泡中,黏性阻力约为压差阻力的0.01倍,航行体所受的水动力阻力主要为压差阻力。较小直径的空化器,所产生的超空泡的厚度也就越小,相当于减小了模型的横截面积,在一定程度下减小了航行体的压差阻力,更加有利于航行体的减阻效果。根据航行体D3、D4、D5、D6与D7的试验结果,航行体的长径比对阻力特性有较大的影响,增大航行体长径比,航行体的阻力系数将显著减小。这主要是,在超空泡状态下,航行体所受到的黏性阻力已经较小,在其他参数不变条件下,增加航行体长度,可获得较好的超空泡形态,可以显著改善航行体所受到的压差阻力。以模型M4为例,在空化数s=0.00027条件下,数值计算分析了不同长径比下的阻力系数,如图5所示,图中航行体阻力系数随长细比的增大而减小,但长径比大到一定时,已不能形成完全超空泡形态,航行体阻力系数反而显著增加。设计合理的航行体长径比,对航行体水下航行有重要意义。针对航行体模型M4的外形尺寸,在Fluent6.2中数值分析了全沾湿条件下的阻力特性,cx=0.8377,超空泡航行体的阻力系数为全沾湿条件的1.1%。超空泡形态下航行体减阻率达98.9%。SavcheenkoYN.通过计算认为,当速度等于100m/s和空化数s=0.01时,可获得20倍利益,减阻率达95%;当空化数s=10-4时,可获得1000倍利益,减阻率达99.9%。国内许多学者认为,超空泡减阻率在15%-70%左右,国内无论理论分析与试验结果与国际研究结果有较大差异。图6是航行体模型M4在速度V0=900m/s下SCAV软件(由乌克兰国家科学院力学研究所根据大量有关超空泡模型自由运动(V=50m/s-1400m/s相应空化数s=1.4´10-4-10-2)试验数据开发的超空泡运动计算软件)计算和采用本文阻力系数计算的航行体水下航行速度变化曲线。由图可见,采用本文试验结果计算的航行体航行速度变化曲线与SCAV软件计算的基本一致,通过试验验证了:在空化数下,细长体的超空化减阻率可达98%,超空泡技术是一种可以使水下高速运动物体获得95%以上减阻量的减阻技术。6行人体的阻力特性在小空化数下,通过对某典型结构超空泡航行体的水下航行试验研究,我们可以得出如下结论:(1)空化数