俄羅斯超空化減阻的研究

俄羅斯超空化減阻的研究

超空化減阻試驗(yàn)研究如果物體嵌入液體（水）或液體中的運(yùn)動(dòng)速度足夠高，液體壓力將降低至物體表面的液壓（飽和蒸餾水），并將發(fā)生壓縮。由于速度很快，如果完全分解，它們將立即完全發(fā)展。在物體表面形成一個(gè)覆蓋部分或整個(gè)物體的大空氣泡。在這種現(xiàn)象中，稱之為空間發(fā)展和過(guò)度空間。超空泡一旦產(chǎn)生,包圍著物體的不是水,而是超空泡中粘度和密度很低的水蒸汽,表面摩擦幾乎消失,摩擦阻力減少90%,僅頭部與水接觸,故總的阻力大大降低。因此從原理上可以大大降低像細(xì)長(zhǎng)體這樣摩擦阻力占主要地位的水下航行體的阻力。因此從上個(gè)世紀(jì)40年代開(kāi)始,美國(guó)、蘇聯(lián)、德國(guó)等國(guó)家就開(kāi)始研究利用這一原理研制高速水下兵器,但是,超空化現(xiàn)象是一種極其復(fù)雜的流動(dòng)現(xiàn)象,其過(guò)程涉及非定常、非線性、可壓縮的多相流體動(dòng)力學(xué)問(wèn)題,涉及邊界層理論、湍流理論等諸多流體力學(xué)研究的難點(diǎn),因此無(wú)論是理論還是試驗(yàn)研究都有相當(dāng)?shù)碾y度。美國(guó)等在上世紀(jì)50年代末,關(guān)于超空化的研究就漸漸冷了下來(lái),只有蘇聯(lián),以大量試驗(yàn)為基礎(chǔ),采用半經(jīng)驗(yàn)的方法,在超空化減阻問(wèn)題的研究上取得了舉世矚目的成就。研制成功速度達(dá)100kn的暴風(fēng)(Шквал)號(hào)水下導(dǎo)彈,并于上世紀(jì)70年代裝備部隊(duì)。目前已經(jīng)研制出新的ШквалE型,速度可達(dá)90m/s～100m/s。筆者由于到莫斯科鮑曼國(guó)立技術(shù)大學(xué)作訪問(wèn)學(xué)者一年,所以有機(jī)會(huì)對(duì)蘇聯(lián)以及現(xiàn)在的俄羅斯和烏克蘭在超空化減阻問(wèn)題上公開(kāi)發(fā)表的研究成果進(jìn)行跟蹤,并對(duì)他們的部分典型研究成果加以分析、總結(jié)和介紹,希望對(duì)超空化減阻理論和應(yīng)用問(wèn)題的研究有所借鑒和幫助。1超空化的特性根據(jù)公開(kāi)發(fā)表的資料來(lái)看,蘇聯(lián)從上世紀(jì)40年代,就開(kāi)始了超空化的理論和試驗(yàn)研究工作,最主要的研究單位就是著名的莫斯科中央空氣、水動(dòng)力研究院(中央流體動(dòng)力研究院,ЦАГИ),主要代表人物就是后來(lái)突破超空化減阻關(guān)鍵技術(shù)的科研小組的領(lǐng)導(dǎo)人ЛогвиновичГ.В.,他從1947年開(kāi)始領(lǐng)導(dǎo)ЦАГИ的航空和海洋武器流體力學(xué)部,50年代末開(kāi)始研制新型高速水下武器,1968—1987年在烏克蘭建立試驗(yàn)基地,并創(chuàng)立和主持烏克蘭科學(xué)院流體力學(xué)研究所帶自由邊界的液流(ТСГ)研究部,在這里突破了超空化減組關(guān)鍵技術(shù)以后,于1988年又返回ЦАГИ繼續(xù)領(lǐng)導(dǎo)高速水力學(xué)部,是俄羅斯發(fā)展空化流流體動(dòng)力學(xué)的奠基人,2002年離世。另一位同是ЦАГИ代表人物的是ЭпштейнЛ.А.,他于1945年在俄羅斯第一個(gè)提出利用向物體表面通氣的方法來(lái)在低速下生成超空泡,同樣可以達(dá)到減阻的目的,由于僅依靠提高速度形成超空泡,至少需要50m/s,就是以現(xiàn)在的推進(jìn)技術(shù)都很難實(shí)現(xiàn),因此這一思想對(duì)后來(lái)俄羅斯的超空化減阻的試驗(yàn)研究起到了奠基石的作用。之后他在ЦАГИ的拖曳水池進(jìn)行了大量的通氣超空化試驗(yàn),并在60—70年代間,發(fā)表了不少相關(guān)的論文。在超空化的流體動(dòng)力基礎(chǔ)理論以及超空化試驗(yàn)的相似理論研究方面,必須提及在莫斯科大學(xué)數(shù)學(xué)力學(xué)系做了46年的流體力學(xué)教研室主任、被稱為俄羅斯力學(xué)之父的СедовЛ.И.的工作,他的著作《力學(xué)中的相似理論和無(wú)量綱化方法》在俄羅斯再版了10次,并被翻譯成多種文字在很多國(guó)家出版。就是在這些學(xué)者的理論和試驗(yàn)的奠基性研究工作基礎(chǔ)上,烏克蘭科學(xué)院流體力學(xué)研究所帶自由邊界的液流研究部在ЛогвиновичГ.В.的領(lǐng)導(dǎo)下,在發(fā)展空化流(超空化)的研究中取得了舉世矚目的成就,他們主要取得的成果有:1)創(chuàng)造出揭示超空泡形態(tài)變化規(guī)律的原理,創(chuàng)造出形成和控制超空泡的技術(shù);2)研究出了專門的通氣和空泡閉合的方案,利用這個(gè)方案可以大大減小水動(dòng)力作用力,并可以減少向人工超空泡通入的氣體(暴風(fēng)號(hào)就是采用他們的這個(gè)研究成果,三位主要成員ЛогвиновичГ.В.,БуйволВ.Н.,СавченкоЮ.Н.也因此獲得了1978年的蘇聯(lián)國(guó)家獎(jiǎng));3)在世界上第一次實(shí)現(xiàn)了物體在水中以超聲速運(yùn)動(dòng);4)理論說(shuō)明,同時(shí)也試驗(yàn)驗(yàn)證了,當(dāng)物體沿著空泡壁周期性地滑水或者當(dāng)物體和水僅在空化器上點(diǎn)接觸時(shí),借助于空氣動(dòng)力和水點(diǎn)噴濺力,物體在超空泡內(nèi)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是穩(wěn)定的。80年代后期,一直到現(xiàn)在,該部在СавченкоЮ.Н.的領(lǐng)導(dǎo)下,繼續(xù)從事超空化的理論和應(yīng)用研究,其主要成員在近幾年來(lái)的幾屆國(guó)際空化會(huì)議上非?；钴S,連續(xù)幾屆都有他們的文章,向國(guó)際社會(huì)公開(kāi)他們?cè)谶@一領(lǐng)域的研究成果。近年來(lái),俄羅斯的ЦАГИ、莫斯科大學(xué)、彼得堡國(guó)立海洋技術(shù)大學(xué)、克拉斯納亞盧斯克國(guó)立技術(shù)大學(xué)(КГТУ)、俄羅斯科學(xué)院西伯利亞分院等單位也都有學(xué)者在從事與超空化理論與試驗(yàn)有關(guān)的研究。總之,俄羅斯、烏克蘭在超空化的研究方面有著深厚的理論基礎(chǔ)和大量的試驗(yàn)研究成果,是非常值得我們學(xué)習(xí)和借鑒的。下面簡(jiǎn)單介紹一下他們的主要理論和試驗(yàn)研究成果。3空化數(shù)的物理特征超空化減阻研究的根本問(wèn)題就是如何形成形態(tài)可控的、可以減阻的超空泡。因此超空泡形狀的計(jì)算和分析就是一個(gè)基本的問(wèn)題。肉眼可見(jiàn)的超空泡,前部是光滑的自由射流,帶銳緣的物體,脫體位置就在銳緣上,若邊緣是光滑形狀的,則脫體位置不定?？张莺竺?空泡邊界合攏,有從空泡內(nèi)攜帶出水蒸汽和氣體的沸騰的泡沫狀物質(zhì)可見(jiàn)。表征超空泡流的最重要的物理特征之一是空化數(shù):σ=2(p0-pk)ρV20(1)式中:σ為空化數(shù),ρ為液體的密度,p0為來(lái)流無(wú)窮遠(yuǎn)處壓力,pk為空泡內(nèi)壓力,V0為來(lái)流無(wú)窮遠(yuǎn)處速度。通常在空化數(shù)小于0.1時(shí)會(huì)產(chǎn)生類似圖1形狀的超空泡。對(duì)超空化現(xiàn)象有影響的因素有:液體的粘性,液體表面張力,液體沸騰溫度,液體中溶解的氣體含量,液體可壓縮性等等。當(dāng)速度不超過(guò)每秒幾百米,水下航行體的尺寸不太小,運(yùn)行溫度遠(yuǎn)離沸點(diǎn),可以將流體看作理想不可壓縮,以此來(lái)評(píng)估空化流的力學(xué)特性是可行的。基于這個(gè)思想,俄羅斯的學(xué)者在勢(shì)流理論分析和試驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上,給出了關(guān)于超空泡形狀計(jì)算的若干經(jīng)驗(yàn)公式。2.1計(jì)算的無(wú)限大空氣泡的輪廓形狀2.1.1體輪廓線方程在上世紀(jì)40年代,Гуревич和Левинсон針對(duì)在無(wú)限大流場(chǎng)內(nèi)的軸對(duì)稱半體繞流問(wèn)題,分別獨(dú)立地指出,在趨于無(wú)窮遠(yuǎn)處,體的輪廓線方程為～R=√～x4√ln～xconst?(～x=xRn,～R=R(x)Rn)(2)時(shí),軸對(duì)稱半體的阻力是有限的。其中const為一個(gè)常數(shù),對(duì)于體的頭部為單位直徑的圓盤,const約為1.34。公式(1)也是軸對(duì)稱體的平面射流或空化問(wèn)題中的流線或空泡后部輪廓的估算公式,稱為Гуревич-Левинсон公式。2.1.2空泡輪廓的確定Логвинович認(rèn)為,液體在空泡子午面上運(yùn)動(dòng)單位長(zhǎng)度的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)動(dòng)能等于體運(yùn)動(dòng)單位路徑克服阻力所作的功。在物體勻速運(yùn)動(dòng)情況下,空泡可以看作含能尾流,該能量用于克服體的阻力,而且在離體較遠(yuǎn)處能量的單位含量是固定的。根據(jù)此能量原理,在空泡邊界上任意微段ds上有dΤ=-ρ2?2πR˙Rds=WV0dt(3)由邊界條件???t+v22=0可得-Wπρddt(1R˙R)+˙R22=0(4)一次積分后可得dRdx=RnR√lnR+A√cx02(5)其中A為積分常數(shù),無(wú)量綱化后可得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的空泡輪廓,由如下經(jīng)驗(yàn)公式(空化數(shù)小于0.1)確定:R=Rn(1+3xRn)1/3(7)即～R=(1+3～x)1/3(8)公式(7)和公式(5)的解合在一起構(gòu)成了整個(gè)空泡的輪廓。公式(6)的解需要與公式(8)在某一個(gè)點(diǎn)上匹配,為計(jì)算方便起見(jiàn),取x/Rn=2,此時(shí)有A=0.8514。2.2空化器前輪輪的計(jì)算在有限大空泡情況下,即空化數(shù)不為零,假設(shè)空泡內(nèi)部壓力為常值,空泡最大截面的面積為Sk=Sncxkσ=Wk(p0-pk)即Dk=dn√cx0(1+σ)kσ(9)其中k與具體的試驗(yàn)條件有關(guān),如體的浸水深度和佛魯?shù)脭?shù)Fr有關(guān),但通常取值范圍0.875＜k＜1(10)k=0.96～1(Логвинович),k=0.9(Эпш-тейн),k=1(Reichardt)同樣基于能量原理可以得到空泡輪廓方程R=Rk√1-(1-R21R2k)|(1-ttk)2/γ|(11)˙R=R2kRtk(1-R21R2k)1γ(1-ttk)|(1-ttk)2(1-γ)/γ|(12)當(dāng)靠近空化器的空泡的前部輪廓方程仍然取(7)或(8)時(shí),我們還可以得到～R=√～R2k-(～R2k-～R21)|(1-～xγ～R1(～R2k-～R21))|2/γ(13)以及空泡半長(zhǎng)計(jì)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)使用時(shí)需要確定修正乘子γ,并確定與前部輪廓的匹配點(diǎn)。修正乘子的選取準(zhǔn)則,定性的有γ→1k?σ→0且有kγ<1Логвинович推薦γ=0.85。匹配點(diǎn)的選取,通常為計(jì)算方便仍然取x～=2。另外,將(14)代入(13)以后,可以得到更為簡(jiǎn)捷的空泡半長(zhǎng)公式LkσRn=a-bσ(16)(Логвинович:a=1.913,b=3;Гуревич:a=1.53,b=0.42)LkσRn=1.67cx0k(Эпштейн)(17)下面給出空化數(shù)分別為0.01,0.05,0.1時(shí)空泡輪廓及半長(zhǎng)和最大半徑計(jì)算結(jié)果,見(jiàn)圖2。半長(zhǎng)和最大半徑分別為(180.15,9.1),(32.52,4.15),(14.1,3.0)?？张莅腴L(zhǎng)按公式(15)～(16)的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖3。3超空化分析的原理和軟件包3.1空泡納米過(guò)程的計(jì)算空泡的每一個(gè)橫截面相對(duì)于體幾何中心的運(yùn)動(dòng)軌跡的擴(kuò)大都幾乎與物體通過(guò)這個(gè)截面的前一個(gè)運(yùn)動(dòng)和下一個(gè)運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān),而僅與物體通過(guò)所研究的空泡截面的那一個(gè)時(shí)刻的空泡內(nèi)外的壓差、體的尺寸(沾濕部分最大截面半徑)、速度、阻力有關(guān)。例如,已知t1時(shí)刻體的速度V1、阻力W1,空泡內(nèi)外壓差,可以利用公式(11)、(12)來(lái)計(jì)算,其中Rk=W1πΔp,tk=RnσV1(a-bσ)(18)體的運(yùn)動(dòng)愈接近直線勻速,原理的描述就愈精確。對(duì)于體的非定常運(yùn)動(dòng)(加速或減速),如果能夠已知軌跡上點(diǎn)xi、通過(guò)這點(diǎn)時(shí)體的速度vi,并記錄下通過(guò)這些點(diǎn)的時(shí)刻ti,那么在前述如(11)、(12)的公式中,用t-ti代替t,即可計(jì)算xi軌跡點(diǎn)所在截面的擴(kuò)大規(guī)律。在烏克蘭科學(xué)院流體所的許多試驗(yàn)都證實(shí)了該原理的正確性,其中一個(gè)是高速射彈試驗(yàn),研究空泡的非定常過(guò)程。空化器直徑1.3mm。試驗(yàn)觀察的結(jié)論為:·接近薄細(xì)超空泡的液體的運(yùn)動(dòng),主要發(fā)生在徑向上;·被鋼片分隔的超空泡相鄰的截面的擴(kuò)展,大部分時(shí)間內(nèi),就像鋼片不存在一樣。3.2非定常超空化流的計(jì)算機(jī)仿真為了研究物體入水和物體在水中超空化運(yùn)動(dòng)這樣復(fù)雜的非定常過(guò)程,他們也應(yīng)用了物理實(shí)驗(yàn)和計(jì)算機(jī)仿真相結(jié)合的綜合方法。以他們研究的數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ),研制出了仿真非定常超空化流和超空化體動(dòng)力學(xué)的程序包。程序包是模塊化的,有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)輸入輸出格式,包含幾個(gè)獨(dú)立的模塊:SCAV——超空化模型自動(dòng)設(shè)計(jì)模塊;PCAV——模型入水和有外部干擾情況下的非定常超空化過(guò)程的計(jì)算機(jī)仿真程序;PULSE——人工超空泡的不穩(wěn)定和自激振蕩現(xiàn)象的計(jì)算機(jī)仿真模塊;ACAV——通氣超空泡控制過(guò)程的計(jì)算機(jī)模擬程序;STAB——超空化體動(dòng)力學(xué)的計(jì)算機(jī)模擬程序。3.2.1沖擊載荷的計(jì)算1)能計(jì)算當(dāng)物體以固定深度和固定速度運(yùn)動(dòng)時(shí),圓盤型或錐形空化器形成的超空泡的形狀和尺寸;2)估計(jì)模型入水時(shí)所受到的最大沖擊載荷值;3)能計(jì)算在慣性作用或者在工作推進(jìn)器作用下模型的運(yùn)動(dòng)速度的變化;4)能計(jì)算在行程上任意一點(diǎn)上非定常空泡的主要尺寸(長(zhǎng)度和最大截面面積)。3.2.2空化數(shù)的檢測(cè)1)選擇模型(真實(shí)的或者簡(jiǎn)易的),并給出模型的形狀和質(zhì)量;2)給出初始參數(shù),運(yùn)動(dòng)速度和深度,空化器的傾斜角,模型的俯仰角和空化數(shù);3)給定一種氣體從空泡移出的類型(按比例定量分配的,沿渦線的,空泡閉合在體上的和接近自然空泡的),或按照Кэмпбела-Хилборна的準(zhǔn)則自動(dòng)選擇;4)給出通入空泡的氣量的變化規(guī)律和運(yùn)動(dòng)速度的變化規(guī)律。在計(jì)算機(jī)屏幕上可以看到人工空泡的初始形狀,這里考慮了水自重的影響和空化器的攻角;還可以看到人工空泡的動(dòng)態(tài)行為,以及空泡長(zhǎng)度和空化數(shù)的曲線。3.2.3空泡仿真設(shè)計(jì)該程序指定用于進(jìn)行由水的外部壓力擾動(dòng)引起的超空泡形狀的非定常變化研究,以及在模型高速入水時(shí)空泡形成研究。1)選擇模型類型,給出模型質(zhì)量和形狀;2)給出運(yùn)動(dòng)參數(shù):發(fā)射速度、深度和空泡內(nèi)部的壓力;3)給出仿真參數(shù):計(jì)算步長(zhǎng)、圖形沿垂直軸的比例和壓縮系數(shù);4)選擇圖形顯示方式:動(dòng)畫式或步進(jìn)式。在計(jì)算機(jī)屏幕上可以看到在外部不同類型的擾動(dòng)作用下空泡的變形:(1)脈沖式擾動(dòng);(2)周期性擾動(dòng);(3)用戶規(guī)定的擾動(dòng)。還可以看到模型穿過(guò)剛性側(cè)壁上的圓孔入水時(shí)超空泡的形成以及從里面膨脹的氣體氣泡。3.2.4空泡特性的研究通氣軸對(duì)稱超空泡的脈動(dòng)模擬,主要用于模擬通氣軸對(duì)稱超空泡的不穩(wěn)定性,以及在變外部壓力下超空泡的強(qiáng)迫振蕩。在計(jì)算機(jī)屏幕上可以看到:1)在給定的模型物理參數(shù)值下,不穩(wěn)定的通氣超空泡的自激振蕩的發(fā)展;2)空泡內(nèi)部壓力和空泡長(zhǎng)度隨時(shí)間的變化;3)在給定振蕩頻率和幅值的外部壓力的作用下,超空泡的強(qiáng)迫振蕩;4)用人機(jī)對(duì)話的方式進(jìn)行參數(shù)的任意取值對(duì)超空泡特性的影響;5)空泡內(nèi)部壓力和空泡長(zhǎng)度隨時(shí)間的變化序列值可以保存到文件,以供進(jìn)一步分析(譜分析、相關(guān)分析和畫相圖等等)。3.2.5計(jì)算模型偏差的各因子取值該程序用于模擬超空化模型的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題,研究運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性問(wèn)題。1)可以在計(jì)算機(jī)屏幕上模擬超空化模型的運(yùn)動(dòng)(自由狀態(tài)和有推進(jìn)器兩種情況);2)可以計(jì)算模型的飛行軌跡、模型在給定的初始條件下偏離預(yù)定軌跡的偏差;3)研究在給定初始條件下給定形狀的模型的運(yùn)動(dòng),以及模型在外部壓力干擾作用下模型的運(yùn)動(dòng);4)設(shè)計(jì)合乎要求的模型形狀和結(jié)構(gòu),所謂合乎要求就是模型可以穩(wěn)定地通過(guò)指定距離上的區(qū)段;5)確定模型在發(fā)射時(shí)容許的初始偏差。這些程序模塊都有友好的人機(jī)界面,計(jì)算結(jié)果可以保存成多種格式的圖形文件和多種數(shù)據(jù)格式。這個(gè)程序包幾乎涵蓋了超空化體設(shè)計(jì)、超空化流場(chǎng)分析的全部?jī)?nèi)容。4試驗(yàn)設(shè)備和典型試驗(yàn)的介紹烏克蘭科學(xué)院流體力學(xué)研究所的帶自由面的液流研究部的主要試驗(yàn)設(shè)備有兩個(gè)水洞試驗(yàn)裝置,一個(gè)水力試驗(yàn)臺(tái)。4.1工作段采用洞穴小水洞是一個(gè)開(kāi)放型裝置,水從壓力存儲(chǔ)器自由流出,水頭4.4m,它可以保證水流速度8.9m/s。工作段截面340mm×340mm,長(zhǎng)2m,見(jiàn)圖4。水洞既可以作為封閉循環(huán)式水洞,也可以用作有開(kāi)放自由表面的水槽。用過(guò)的水流在地面水池經(jīng)過(guò)除氧處理,因此可以研究需要較大通氣量的問(wèn)題,也可以研究靠近水流自由表面的繞流過(guò)程。4.2u3000材料和裝備大水洞是主要的試驗(yàn)裝置,建于1982—1986年。水洞的設(shè)計(jì)主要是基于1978—1980年間ТСГ部的ЛогвиновичГ.В.,СавченкоЮ.Н.,ВласенкоЮ.Д.等人的大量專門的水洞組件和整體裝置的模擬試驗(yàn)研究結(jié)果。水洞是高速開(kāi)路型的水洞,主要參數(shù)為:水泵總功率——5000kW;在循環(huán)回路上水流量可達(dá)8m3/s;在水泵的總水頭下,水流速度最大可達(dá)32m/s;循環(huán)水路總長(zhǎng)度——70m;工作段截面為0.5m×0.5m,長(zhǎng)度為4m。輸送段截面為2.1m×2.1m,長(zhǎng)為40m,裝備有一對(duì)尺寸為840mm×630mm,用多層鋼化玻璃板制成的觀察窗口,這段輸送段可以當(dāng)作封閉的拖航試驗(yàn)水槽(模型試驗(yàn)渠),用于自由運(yùn)動(dòng)的高速目標(biāo)試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)室裝備有大功率的壓氣機(jī)和泵、應(yīng)變測(cè)量設(shè)備,激光測(cè)速設(shè)備、照明設(shè)備,每秒4000幀的高速攝影設(shè)備,曝光時(shí)間為2μs、在1m×1.4m的底片上成像的照相設(shè)備。4.3u3000速度自由運(yùn)動(dòng)的裝置水力工作臺(tái),用于沿金屬絲自行走超空化模型的運(yùn)動(dòng)。這個(gè)臺(tái)子主要用于相對(duì)大直徑的、結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜的模型在速度超過(guò)100m/s的超空化繞流研究,這可以保證獲得自然蒸汽空化情況。他們還研制了帶有不同驅(qū)動(dòng)裝置的自行走模型,包括帶有噴射發(fā)動(dòng)機(jī)這樣的驅(qū)動(dòng)裝置。模型的運(yùn)動(dòng)軌跡的穩(wěn)定是借助于穿過(guò)水池的定向金屬絲來(lái)實(shí)現(xiàn)的,這允許在實(shí)驗(yàn)室條件下研究尺寸達(dá)60mm、以50m/s～150m/s的速度自由運(yùn)動(dòng)的模型繞流,模型既可以在通氣空化情況下運(yùn)動(dòng),也可以在自然空化情況下運(yùn)動(dòng)、示意圖見(jiàn)圖6。為了研究模型在水中的運(yùn)動(dòng)、模型入水和跳彈現(xiàn)象(рикошет),研制了可以傾斜180°的垂直試驗(yàn)臺(tái)以及帶有電化學(xué)彈射器的發(fā)射臺(tái),用以保證模型能夠獲得速度可達(dá)1800m/s。總之,這是一個(gè)多功能的可進(jìn)行高速約束模試驗(yàn)、高速射彈試驗(yàn)的裝置,在這個(gè)裝置上,他們做了大量首創(chuàng)性的通氣和自然超空化試驗(yàn),得到了一批非常有價(jià)值的創(chuàng)造性成果,本文也只是介紹在這個(gè)設(shè)備上完成的試驗(yàn)。4.3.1空化器模型的建立帶有水蒸氣噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的模型示意圖見(jiàn)圖7,其中模型外殼圓柱段內(nèi)裝工質(zhì),中心體用于與彈射器的鎖扣對(duì)接,錐段與圓柱段可以分開(kāi),前部的空化器可以更換。水蒸氣噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的基本原理是在封閉的容器里把水加熱到飽和或接近飽和的狀態(tài)(欠加熱的水),接著經(jīng)過(guò)噴嘴進(jìn)行射流,由于在噴嘴處流動(dòng)突然擴(kuò)大,欠加熱的水蒸發(fā),形成蒸汽水混合物。模型殼體直徑58mm,發(fā)動(dòng)機(jī)的推力設(shè)計(jì)按照模型只在空化器處沾濕所受到的阻力,這里空化器選在12mm～16mm的區(qū)間范圍內(nèi)。這保證了當(dāng)模型在超空泡內(nèi)無(wú)沾濕運(yùn)動(dòng)時(shí),有近20m的行程上是勻速運(yùn)動(dòng),此時(shí)的平均速度是110m/s。還做了更小直徑的空化器試驗(yàn),由于空化器直徑太小不能保證在軌跡的初始段形成軸對(duì)稱的超空泡,部分非對(duì)稱沾濕導(dǎo)致模型阻力變化,也就導(dǎo)致了模型運(yùn)動(dòng)的不穩(wěn)定。對(duì)照片測(cè)繪,得出定常通氣超空泡的輪廓,然后與公式(11)進(jìn)行比較,結(jié)果表明在空泡閉合到殼體或噴氣射流上的點(diǎn)之前的整個(gè)空泡長(zhǎng)度上二者都吻合得很好。這表明模型發(fā)動(dòng)機(jī)的噴氣射流對(duì)超空泡的參數(shù)沒(méi)有影響。4.3.2氣動(dòng)彈射器的影響這個(gè)試驗(yàn)方案的模型示意圖見(jiàn)圖8,其中圓柱殼體段用于保存通氣用的壓縮空氣,壓縮空氣的填充用進(jìn)氣閥門3來(lái)實(shí)現(xiàn)。壓縮空氣經(jīng)過(guò)限流孔4流到模型頭部,為使空氣均勻排放到空泡里,在頭部空化器后面安裝了一個(gè)環(huán)狀噴嘴6?？諝鈴沫h(huán)狀噴嘴噴出的流量在指定的時(shí)間內(nèi)保持基本穩(wěn)定,可以通過(guò)設(shè)計(jì)空氣泵入壓力和限流孔的直徑來(lái)實(shí)現(xiàn)。這個(gè)設(shè)計(jì)要進(jìn)行專門的試驗(yàn)。模型的尾部形狀可以根據(jù)繞流的要求來(lái)更換。這個(gè)模型的發(fā)射,利用了帶長(zhǎng)達(dá)4.5m的助推套管的氣動(dòng)彈射器,可以保證最大的初始速度達(dá)130m/s,模型在水中的運(yùn)動(dòng)速度應(yīng)該是連續(xù)地衰減,空泡也逐漸減小。他們用這個(gè)試驗(yàn)觀察到了回射流的影響,同時(shí)也進(jìn)行了通氣空化的試驗(yàn)