超空泡武器水動(dòng)力問題的研究進(jìn)展

超空泡武器水動(dòng)力問題的研究進(jìn)展

1超空泡武器的穩(wěn)定性問題超空氣泡法是一種革命性的抗洪方法，可以實(shí)現(xiàn)水下高速運(yùn)動(dòng)物體的90%的抗阻量。這種抗阻性對(duì)水下武器的開發(fā)有很大的影響。超空泡作為一種有前景的減阻方式,其關(guān)鍵是必須在水與物體表面之間形成穩(wěn)定的氣層,而這種氣層減阻的機(jī)理實(shí)際上是多種減阻機(jī)理的綜合,如:運(yùn)動(dòng)表面效應(yīng);邊界層物理常數(shù)的改變等。在過去的幾十年里俄羅斯和烏克蘭已經(jīng)成功地將這項(xiàng)技術(shù)引入了一個(gè)較高的發(fā)展?fàn)顟B(tài)。已經(jīng)存在實(shí)物或試驗(yàn)型的超空泡武器有美國的先進(jìn)高速水下彈藥(AHSUM)、德國的試驗(yàn)型超空泡水下火箭,以及俄羅斯的“疾風(fēng)”超高速魚雷(Shkval)等。超空泡武器如高速射彈和高速魚雷的發(fā)展要求對(duì)超空泡型態(tài)下物體的水動(dòng)力特性有深入的了解?？栈鲃?dòng)型態(tài)有其重要而特殊的性質(zhì),遠(yuǎn)非流場介質(zhì)由水變成氣體那樣簡單。計(jì)算表明:物體在水下運(yùn)動(dòng)時(shí),若處于超空泡流動(dòng)型態(tài),其所受阻力可以比在空氣中運(yùn)動(dòng)時(shí)還要小。水下超空泡的產(chǎn)生將對(duì)利用超空泡減阻的高速武器各子系統(tǒng)(包括控制器、導(dǎo)引系統(tǒng)及推進(jìn)裝置等)提出不同于以往低速水中兵器的特殊要求。要實(shí)現(xiàn)超空泡流動(dòng)型態(tài)必須解決物體在空泡中運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性問題。在空泡中運(yùn)動(dòng)的物體將失去在水中運(yùn)動(dòng)的主要優(yōu)勢——浮力,從而需要以一定的動(dòng)態(tài)方式來維持其重力。烏克蘭與美國都致力于初始速度大于1M的超空泡物體的發(fā)射(常溫時(shí)水下音速相當(dāng)于1430m/s)。目前,這些物體大多在20～30cm,有著不穩(wěn)定彈道?？梢灶A(yù)見,穩(wěn)定性問題一旦解決,物體的速度和航程將有進(jìn)一步的增大。與超空泡物體運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性直接相關(guān)的是空泡自身的穩(wěn)定性問題。超空泡情形下,物體在空化器之后的氣體包層中航行,只有頭部和尾部的小部分區(qū)域與水接觸。由于沾濕區(qū)域小,局部空泡潰滅區(qū)域里的擾動(dòng)將導(dǎo)致超空泡航行體產(chǎn)生極大的不穩(wěn)定力與力矩。因此,為了保證超空泡武器的穩(wěn)定航行,必須首先保證空泡的穩(wěn)定性。對(duì)空泡穩(wěn)定性起決定作用的是空泡閉合區(qū)域(或稱空泡尾流區(qū))的穩(wěn)定性。包括局部閉合在內(nèi)的空泡閉合問題與通氣空泡的實(shí)現(xiàn)和進(jìn)一步降低阻力有關(guān)。本文將對(duì)超空泡武器技術(shù)中的幾個(gè)水動(dòng)力學(xué)問題進(jìn)行討論,包括超空泡武器的組成部分及對(duì)各部分的特殊要求、超空泡型態(tài)下物體的運(yùn)動(dòng)方式及其附加質(zhì)量、空泡的穩(wěn)定性及其失穩(wěn)機(jī)理、空泡閉合模型,以及超空泡型態(tài)下物體的水動(dòng)力特性。2空化器及通氣裝置以超空泡高速魚雷為例,超空泡裝置可以分為以下幾個(gè)子系統(tǒng):通氣裝置;空化器;導(dǎo)引系統(tǒng);控制和推進(jìn)系統(tǒng)(圖1)。超空泡武器的設(shè)計(jì)起始于空化器?？栈鞯男螤詈艽蟪潭壬蠜Q定了超空泡武器產(chǎn)生空泡的難易程度,以及所產(chǎn)生空泡的可控制程度。它可以有不同的形狀,如圓盤、圓錐、齒輪狀圓臺(tái)、有刻面的凹孔,以及嵌入了像圓珠筆尖那樣可以進(jìn)出的圓錐的圓形套筒。對(duì)于較大的超空泡武器,空化器通常還要傾斜產(chǎn)生一個(gè)攻角,以提供頭部支撐所需要的升力?？栈髯鳛轭^部唯一的沾濕部位,還必須考慮在超空泡條件下用來探測與制導(dǎo)的傳感器安裝問題。因此,空化器設(shè)計(jì)不僅與超空泡武器的外形及流體動(dòng)力布局設(shè)計(jì)直接相關(guān),而且影響到制導(dǎo)裝置的安裝與設(shè)計(jì)?？张莸男螤詈统叨戎饕Q于航行體的速度和環(huán)境壓力。借助于空化器,自然超空泡一經(jīng)形成,為了在不同深度維持恒速,必須從物體內(nèi)部噴出氣體以維持空泡的有效尺度。氣體的來源可以利用火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的廢氣,也可以采用氣體發(fā)生器。通氣裝置的設(shè)計(jì)包括通氣孔的形狀、大小、位置、分布及流量的確定。通氣裝置是空泡不穩(wěn)定性的主要來源。水下推進(jìn)系統(tǒng)一般采用火箭發(fā)動(dòng)機(jī)和金屬燃燒技術(shù)。使用水反應(yīng)燃料在比沖和沖量密度上都高于傳統(tǒng)的火箭燃料。更高的推進(jìn)性能可通過采用高能量密度鋁—水或鋁鎂—水反應(yīng)來實(shí)現(xiàn)。另外,采用旋轉(zhuǎn)燃燒室的性能將比最好的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)器高4倍。由于傳統(tǒng)的控制面如鰭舵,位于航行體尾部空泡閉合區(qū),該區(qū)域的流動(dòng)是高湍流度多相流,非常復(fù)雜。除非對(duì)控制面進(jìn)行一定的改進(jìn)設(shè)計(jì),否則控制面將不起作用。因此推進(jìn)系統(tǒng)一般都須要設(shè)置推力矢量控制機(jī)構(gòu)。3雙轉(zhuǎn)臺(tái)后小波內(nèi)物體的穩(wěn)定模式空泡中的物體不僅受到作用于空化器上的水動(dòng)力,還受到空泡內(nèi)氣體的氣動(dòng)作用力,以及空泡邊界附近射流的噴射作用力。而且,所有力和力矩系數(shù)(空化器上的水動(dòng)力除外)都是關(guān)于物體瞬態(tài)偏轉(zhuǎn)角的時(shí)間延遲函數(shù)。這就使空泡內(nèi)物體運(yùn)動(dòng)的計(jì)算變得十分復(fù)雜。對(duì)水下物體應(yīng)用超空泡流動(dòng)方案的主要困難在于:在缺少浮力、外力作用點(diǎn)位于物體質(zhì)心之前的情況下,必須保證物體運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性(連續(xù)介質(zhì)中物體運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性的一般條件是外力作用點(diǎn)位于物體質(zhì)心之后)。烏克蘭國家科學(xué)院水動(dòng)力研究所(NAS-IHM)的超空泡研究帶頭人Yu.N.Savchenko在文獻(xiàn)中給出了超空泡內(nèi)物體運(yùn)動(dòng)的4種穩(wěn)定模式(圖2)。物體重量G被2個(gè)流體動(dòng)力平衡,Y1為作用于空化器上的升力,Y2為作用于殼體尾部沾濕區(qū)域上的升力。隨著運(yùn)動(dòng)速度的增加,有經(jīng)典運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性這種情況下,水動(dòng)力中心位于質(zhì)心之后,有穩(wěn)定力矩作用于模型上,滿足經(jīng)典的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性條件。除穩(wěn)定性比較好之外,這種方案還提供了利用頭尾兩個(gè)空泡的壓力差PoR-pcN來產(chǎn)生附加推力的可能性。低頻振蕩時(shí)穩(wěn)定性這種情況下,模型尾部沿空泡下表面滑行以補(bǔ)償浮力的損失。因此,從整體上來看,運(yùn)動(dòng)是穩(wěn)定的,但模型可能在垂直面內(nèi)發(fā)生低頻振蕩從而失穩(wěn)。原因是擾動(dòng)將可能從空化器沿空泡邊界向下游。模型穩(wěn)定性分析模型攻角及角速度的初始擾動(dòng)引起模型尾部與空泡邊界的碰撞。數(shù)值仿真表明,在這種碰撞之后,模型所做振蕩呈穩(wěn)定或衰減趨勢。這種振蕩伴隨著模型尾部與空泡上下壁之間交替進(jìn)行的周期性碰撞,使運(yùn)動(dòng)整體上保持穩(wěn)定?？栈芰Φ膭?dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)高速運(yùn)動(dòng)的物體與空泡內(nèi)的氣體及空泡邊界附近的射流相互作用。物體表面和空泡邊界之間的間隙通常比空泡半徑小。因此可以用近壁氣動(dòng)力學(xué)方法來估計(jì)所產(chǎn)生的力。分析表明空泡內(nèi)邊界對(duì)物體運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性的影響是有利的。在烏克蘭國家科學(xué)院水動(dòng)力學(xué)研究所(NAS-IHM),對(duì)水下高速超空泡運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了大量研究。他們?cè)谝粋€(gè)帶電解反應(yīng)彈射器的35m長的發(fā)射池內(nèi)彈射的物體最高速度達(dá)1360m/s。在美國海軍水下戰(zhàn)中心(NUWC),也進(jìn)行過成功的高速發(fā)射,物體以初速1550m/s航行了17m。它是采用水下4m處的炮進(jìn)行發(fā)射的。當(dāng)空化物體帶空泡超過水下音速的速度運(yùn)動(dòng)時(shí),會(huì)損失掉它的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性。需要在空泡內(nèi)部采用增穩(wěn)的動(dòng)力學(xué)措施。分析表明超空泡運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性可以通過安裝于物體頭部的特殊空化器形狀設(shè)計(jì)來達(dá)到。此類自穩(wěn)定空化器,以鋪滿小刻面的淺凹槽為特征,外形為多邊形。據(jù)Savchenko稱,這種裝置可以產(chǎn)生穩(wěn)定的力矩,即在受到擾動(dòng)時(shí)可以使航行體回復(fù)到初始未受擾動(dòng)狀態(tài)。為了求解帶空泡航行體的水下彈道,需要計(jì)算帶空泡航行體的附加質(zhì)量。吳品奇等基于物體表面分布源匯的面元法,對(duì)帶尾空泡航行的細(xì)長回轉(zhuǎn)體附加質(zhì)量進(jìn)行了計(jì)算,發(fā)現(xiàn)與無空泡時(shí)相比,軸向附加質(zhì)量系數(shù)減少一半,橫向則增大15%,對(duì)原點(diǎn)的橫向附加慣性矩增大12%。朱小敏等采用振動(dòng)水翼機(jī)構(gòu)在空泡水洞中進(jìn)行了空泡對(duì)航行體附加質(zhì)量λ22的影響之實(shí)驗(yàn)研究,實(shí)驗(yàn)結(jié)果與吳品奇的數(shù)值計(jì)算結(jié)果有所不同:空泡(肩空泡或尾空泡)的存在導(dǎo)致λ22的明顯降低;在實(shí)驗(yàn)空泡數(shù)范圍內(nèi),λ22基本上呈現(xiàn)出隨空泡數(shù)降低而降低的趨勢。Uhlman等指出,無空泡情形的航行體附加質(zhì)量與航行體的運(yùn)動(dòng)無關(guān),僅僅取決于航行體外形。帶空泡情形則不然,作非定常運(yùn)動(dòng)的航行體,其附加質(zhì)量將依賴于物體的運(yùn)動(dòng)。他們對(duì)無攻角情形下,帶圓盤或錐形空化器的細(xì)長回轉(zhuǎn)體在超空泡狀態(tài)下做正弦波浪運(yùn)動(dòng)時(shí)的附加質(zhì)量進(jìn)行了研究。將非定常問題看作在定常流基礎(chǔ)上發(fā)生的擾動(dòng),對(duì)定常流采取低階邊界元加回射流模型的數(shù)值計(jì)算方法,至于非定常擾動(dòng)則在頻域內(nèi)進(jìn)行求解。計(jì)算結(jié)果表明:當(dāng)波動(dòng)呈高頻衰減時(shí),附加質(zhì)量λ11接近于全沾濕狀態(tài)下理論值的一半;而當(dāng)衰減頻率低于某個(gè)數(shù)值之后,λ11變?yōu)樨?fù)值?？梢哉f結(jié)果是令人驚奇的,因?yàn)楦郊淤|(zhì)量為負(fù)值意味著由附加質(zhì)量引起的非定常力是促進(jìn)物體運(yùn)動(dòng)的,而且負(fù)的附加質(zhì)量的出現(xiàn)將影響超空泡航行體的穩(wěn)定性。4空泡振蕩的影響顧巍等人通過對(duì)NACA16012水翼的空泡流演變過程中各階段的空泡噪聲和由空泡云脫落引起的水洞結(jié)構(gòu)低頻振動(dòng)的測量,發(fā)現(xiàn)在空泡數(shù)0.33～0.28范圍內(nèi),空泡流存在一個(gè)具有明顯低頻分量的非穩(wěn)態(tài)周期脈動(dòng)的跨空泡狀態(tài)。處于跨空泡階段的水翼,其水動(dòng)力參數(shù)表現(xiàn)出明顯的非線性和不可預(yù)測性。何友聲等為了弄清跨空泡流情況下的空泡非穩(wěn)定性質(zhì),采用高速攝影技術(shù)在空泡水洞中對(duì)NACA4412翼型在定常來流條件下出現(xiàn)的非穩(wěn)定空泡形態(tài)演變進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,揭示了由于空泡形態(tài)斷裂而產(chǎn)生的低頻脈動(dòng)現(xiàn)象。并指出一次空泡大斷裂過程中的泡面凹陷及臌包的演變與空泡斷裂有關(guān),其機(jī)理有待進(jìn)一步研究。顧巍等人進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn),空泡的振蕩與邊界層流動(dòng)有密切的關(guān)系,空泡內(nèi)部的局部流動(dòng)將直接影響空泡的整體形態(tài),并嘗試在適當(dāng)位置布置擋流條來干擾空泡內(nèi)部局部流動(dòng),在一定的空泡數(shù)范圍內(nèi)抑制或改變空泡的振蕩。馮學(xué)梅等人在空泡水洞中進(jìn)行的細(xì)長回轉(zhuǎn)體通氣空泡實(shí)驗(yàn),也同樣發(fā)現(xiàn)了一個(gè)臨界空泡數(shù)(約為0.166)。當(dāng)系統(tǒng)處于臨界狀態(tài)時(shí),空泡長度振蕩著伸長或縮短,空泡脫體點(diǎn)前移,接近于錐形頭體與圓柱中段相接處,泡面急劇振蕩。一旦通氣率稍稍增加,空泡即從霧狀外觀過渡到清晰透明呈條紋狀的穩(wěn)定超空泡?？张莸牟环€(wěn)定性會(huì)引起局部擾動(dòng),這種擾動(dòng)將導(dǎo)致空泡潰滅和航行體的不可控。作用在空泡界面上引起空泡失穩(wěn)的機(jī)理有三種,這三種機(jī)理分別是通氣引起的不穩(wěn)定性,自由剪切層的不穩(wěn)定性和氣泡振蕩。用于發(fā)展和維持超空泡的通氣裝置是空泡不穩(wěn)定性的來源。這種不穩(wěn)定性的產(chǎn)生是從通氣系統(tǒng)出來的非平行流與空泡壁面相互作用的結(jié)果。美國NUWC的RobertKuklinski等人進(jìn)行的系列水洞通氣空泡實(shí)驗(yàn)研究表明,高正交度氣流將導(dǎo)致空泡自由表面的波動(dòng),如果通氣率足夠大,所產(chǎn)生的擾動(dòng)甚至可以使整個(gè)空泡失穩(wěn),空泡邊界從清晰透明轉(zhuǎn)變?yōu)榛煦缒：?并在下游潰滅變?yōu)殪F狀流動(dòng)。因此通氣孔的設(shè)計(jì)一定要注意避免使通氣流自身成為空泡不穩(wěn)定源。自由剪切層的不穩(wěn)定性在兩種互不滲透液體通過一個(gè)界面進(jìn)行接觸時(shí)發(fā)生。這種不穩(wěn)定性機(jī)理稱之為Kelvin-Helmholtz不穩(wěn)定性。對(duì)于平行流情形,線性穩(wěn)定性理論給出了流體邊界層擾動(dòng)激勵(lì)條件的確切表達(dá)式?？张葸吔鐚臃€(wěn)定性估計(jì)可以用這種理論。但沒有考慮空泡曲率和當(dāng)?shù)貕毫μ荻?。一般?有利的壓力梯度可以顯著衰減不穩(wěn)定渦。線性穩(wěn)定性理論可以得到兩層之間的最大速度差為6.6m/s。以此為判據(jù),利用通氣率、空泡數(shù)、佛汝德數(shù)及空泡形狀之間的關(guān)系式,可以對(duì)通氣空泡進(jìn)行初步的穩(wěn)定性判別。氣泡振蕩(Parishev不穩(wěn)定性)也可能在通氣空泡中出現(xiàn)。環(huán)境壓力的變化將導(dǎo)致空泡自由表面的局部移動(dòng),即通氣空泡的容積變化。容積變化將影響空泡壓力,從而影響整個(gè)空泡的形狀。壓力信息在液體中的傳播速度不同于空泡中的傳播速度。空泡反應(yīng)滯后于液體中的壓力反應(yīng)。這種相位滯后的結(jié)果就是空泡形狀和壓力發(fā)生振蕩。通氣空泡的振蕩取決于氣液兩相的時(shí)間滯后、空泡的體積和長度。通氣空泡的壓力還受到氣體進(jìn)出空泡邊界的影響。很多實(shí)驗(yàn)中都觀察到了空泡脈動(dòng),沿著空泡表面有波浪形狀的突起與凹入。很長時(shí)間這種現(xiàn)象得不到合理解釋。也不清楚如何進(jìn)行控制。最后由E.V.Parishev給出了解釋,并提出了相應(yīng)的理論。他運(yùn)用Logvinovich獨(dú)立性原理說明空泡特性可以用滯后方程來描述,將空泡描述為一系列獨(dú)立的截面。假設(shè)空泡的入流和出流處于平衡態(tài),分析表明空泡穩(wěn)定性可以由遲滯量τ0來表征,τ0僅僅是歐拉數(shù)Eu、空泡數(shù)σ和空泡內(nèi)氣體的絕熱指數(shù)y的函數(shù)。當(dāng)時(shí),空泡穩(wěn)定,其中;如果,則脈動(dòng)發(fā)生。5空泡閉合模型為實(shí)現(xiàn)流動(dòng)方案(圖2a,b)有必要保持穩(wěn)定的空泡閉合區(qū)域。這樣,在航行深度和速度變化時(shí),就可以減小一定的力與力矩?？张蓍]合的穩(wěn)定性對(duì)于通氣空泡內(nèi)氣體質(zhì)量的平衡非常重要,直接影響到空泡的整體穩(wěn)定性。對(duì)空泡閉合區(qū)域里發(fā)生的現(xiàn)象進(jìn)行描述是空泡動(dòng)力學(xué)中難度最大的問題?？张菰谖矬w表面上有圖3所示的幾種理論閉合模式:a)Riabouchinsky模型,又稱鏡象模型,空泡閉合于與空化器類似的固體表面;b)Zhukovsky-Roshko模型,又稱開式尾流模型或平行尾流模型,空泡閉合在直徑為Dc的圓柱上,Dc為最大空泡截面;c)Brilluene模型,又稱壓力恢復(fù)模型,有底空泡形成,底空泡中pc2>p0,空泡數(shù)小于0;d)Efros模型,又稱回射流模型,空泡閉合時(shí)有回射流形成,回射流將對(duì)物體產(chǎn)生影響。除此之外,還有吳耀祖的新開式尾流模型、Tulin的螺旋渦模型等。值得指出的是空泡理論閉合模型的提出是基于人們利用勢流理論研究空泡流的需要。例如,鏡象模型是Riabouchinsky于1920年計(jì)算無攻角平板空泡流時(shí)提出;開式尾流模型是于1954年前后由Roshko等人提出來,用以解決對(duì)稱體的無攻角空泡流。因此,空泡閉合模型又稱尾流替代模型。提出的目的,并不是為了研究尾流本身,而是為了用它來替代尾流對(duì)物體近旁和空泡區(qū)流場的影響。所有閉合模型都各有優(yōu)缺點(diǎn)。鏡象模型的優(yōu)點(diǎn)是幾何圖形簡單,數(shù)學(xué)上容易實(shí)現(xiàn),尤其是在空泡比較大的情況下,這時(shí)遠(yuǎn)處鏡象對(duì)物體表面壓力分布及受力的影響較小;回射流模型與空泡閉合區(qū)的流動(dòng)圖象最為接近,計(jì)算所得空泡邊界形狀和尺度也較為接近實(shí)驗(yàn)值,但具體求解起來比較復(fù)雜;從方便計(jì)算分析的角度而言,開式尾流模型特別是吳耀祖提出的新開式尾流模型最為方便,然而該模型的缺點(diǎn)是替代尾流效應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于實(shí)際尾流;從觀察到實(shí)際尾流在空泡區(qū)的末端存在旋渦從而緊接著在遠(yuǎn)尾流區(qū)又存在著動(dòng)量損失和排擠厚度的效應(yīng)而言,螺旋渦模型能在一定程度上反映這個(gè)事實(shí)。圖3a,b,c所示的理論閉合模型提供了自由表面與固體表面在零攻角情況下的閉合。而實(shí)際上這是難以實(shí)現(xiàn)的。從閉合于物體上的空泡中泄漏氣體的機(jī)理非常復(fù)雜,取決于很多因素。如自由空泡邊界層的自然潰滅,流動(dòng)的湍動(dòng)性或物體的振動(dòng)。通氣空泡的研究經(jīng)驗(yàn)表明空泡的氣體泄漏量相當(dāng)于由回射流卷入空泡內(nèi)的流體量。從物理上解釋為進(jìn)入空泡中的液體與氣體混合,又以氣水混合物的形式從空泡內(nèi)被帶走。假設(shè)空泡閉合于直徑為Db的圓柱,回射流強(qiáng)度將取決于空泡中段截面面積與空泡閉合所在圓柱的截面面積之比。當(dāng)Db=De時(shí)就得到零泄漏情況下的Zhukovsky-Roshko空泡閉合模型。理論上,零泄漏可以在Db<Dc時(shí),由于空泡曲率與物體曲率在空泡閉合處一致而得到滿足;然而,在實(shí)踐中只能盡可能地降低,不可能真正實(shí)現(xiàn)。6人工空化法超空泡技術(shù)巨大的減阻前景是令人振奮的。Savchenko等人的計(jì)算表明:空泡數(shù)為0.01,速度為100m/s時(shí)阻力可以減小到全沾濕狀態(tài)下的5%,空泡數(shù)為10-4時(shí)阻力可以減小到0.1%。然而,要在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)研究這種減阻技術(shù)存在很大的難度。試圖通過增加物體的運(yùn)動(dòng)速度來達(dá)到10-4量級(jí)的空泡數(shù),在一般的發(fā)射水池或深井中難以實(shí)現(xiàn)。同樣,在一般的水洞實(shí)驗(yàn)室內(nèi),僅僅通過改變水流速度來使物體產(chǎn)生超空泡也存在很大困難。德國人H.Reichardt首次提出可以在低速情況下采用吹氣入自然局部空泡,即所謂人工空化的方法來研究超空泡現(xiàn)象。這種方法是通過增加空泡內(nèi)壓力來得到較低的空泡數(shù),并得到通氣超空泡。此后許多學(xué)者都采用人工空化的方法進(jìn)行超空泡研究。這些實(shí)驗(yàn)大多致力于觀察空泡形狀,測量流場速度分布,并將實(shí)驗(yàn)值與計(jì)算值作比較。然而,正如自然空化現(xiàn)象曾經(jīng)引起過學(xué)者們對(duì)其模型實(shí)驗(yàn)預(yù)測的可靠性及實(shí)物與模型之間的相似準(zhǔn)則的廣泛研究一樣,具有相同空泡數(shù)的通氣空泡與自然空泡是否具有相似的特性,物體的超空泡是否可以采用通氣方式來進(jìn)行研究都還需要實(shí)驗(yàn)的證實(shí)。馮學(xué)梅等人在空泡水洞中進(jìn)行的實(shí)驗(yàn),探索了利用通氣空泡來模擬超空泡的可能性,并研究了回轉(zhuǎn)體阻力、升力及俯仰力矩在不同攻角下隨空泡數(shù)的變化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:在一定空泡數(shù)范圍內(nèi),自然空泡和通氣空泡的空泡長度及流體動(dòng)力隨空泡數(shù)變化的曲線吻合得很好,從而證實(shí)了對(duì)于局部空泡,可以采用通氣方式來模擬,也因此揭示了采用通氣方式來研究超空泡的可能性。當(dāng)空泡數(shù)從空化初生時(shí)起逐漸減小時(shí),阻力逐漸增大;當(dāng)空泡數(shù)減小至從