帶圓盤空化器頭航行體阻力特性試驗研究

帶圓盤空化器頭航行體阻力特性試驗研究

1高速行人體的空化特性與水動力特性由于伯努利效應，航行體表面附近的水壓力降低。當壓力降至飽和蒸汽壓時，水將蒸發(fā)并形成覆蓋航行體各部分或大部分表面的空氣泡。如果行李表面形成的固定空氣泡長度超過河岸的長度，則泡沫稱為空泡沫。此時，大部分行人表面僅與水蒸發(fā)汽體接觸，這可以顯著降低航行體的運動阻力。航行體可以在水下航行數(shù)百米后仍保持高速速度和動能，并像地面動能彈藥穿透或破壞目標一樣，使用超空泡沫彈沉積體破壞水下目標。80年代初期,德國進行了不同超空泡航行體的試驗,演示了超空泡航行體毀傷水深大于10m處水雷的能力,超空泡航行體最先進的研究和技術項目是SMG3反氣墊船和抗登陸水雷,它被視作是超空泡首次應用到水中兵器上的實例。美國水下戰(zhàn)中心采用超空泡技術設計了“適應高速度水下彈(AHWSUM)”的航行體,由水下炮發(fā)射,航行體速度高達到1549m/s。在高速航行體的空泡特性與水動力特性研究方面,俄羅斯和烏克蘭開展了大量基礎性工作。我國關于水下航行體的空化問題研究已有一段歷史,特別在航行體空泡形態(tài)、水動力特性和減阻特性方面也開展了大量的試驗和數(shù)值研究工作[3,4,5,6,7,8,9,12,13],但基本上都是針對低流速和人工通氣超空化。高速航行體(空化數(shù)≤10-3)自然空化的空泡形態(tài)、水動力特性及其水下彈道特性研究,從國內(nèi)公開發(fā)表的資料來看基本上還屬于空白。本文對帶圓盤形空化器的航行體,設計了多種外形結構,進行了不同空化數(shù)(空化數(shù)≤10-3)航行體的水靶道試驗,研究了小空化數(shù)下超空泡的阻力特性。2試驗設備與航行模型2.1水下光幕的探測試驗工作是在南京理工大學水靶道中完成的,水靶道系統(tǒng)如圖1所示。水靶道端部有發(fā)射架,靶道底面和兩邊采用防護措施,保障航行體發(fā)射的安全性。在靶道上測速點處安裝水下光幕靶測速系統(tǒng),光源經(jīng)光學調(diào)理系統(tǒng)調(diào)整后,轉換成一束平行光,平行光經(jīng)狹縫遮擋后形成探測光幕。當水下航行體通過該光幕后,由一組光學鏡片組成的光電信號采集系統(tǒng)探測光幕的光照,并將整個探測區(qū)的光照集中于焦點光斑上。光電轉換系統(tǒng)將光通量的變化經(jīng)大面積光敏元件、門限電路等轉換為交變的電壓模擬信號,完成對有效信號的放大處理,同時根據(jù)靈敏度的選擇設置信號比較門限,完成對各種干擾信號的阻擋。時間測試儀完成航行體穿越探測區(qū)光幕的時間采集及記錄。測速原理如圖2所示。2.2試驗模型的直徑圓盤形空化器頭部有利于航行體的超空泡形成與穩(wěn)定,試驗模型采用前段圓盤空化器和后段圓柱體組成,如圖3。圖中Dn為空化器頭部直徑,Ln為航行體頭部長,LC為航行體圓柱部長,Dm為航行體直徑,試驗中所有模型的直徑為Dm=30mm,LB=Ln+LC為航行體全長。模型M1-M3空化器直徑Dn依次為5mm、4.2mm、2.8mm,全長LB=150mm,頭部長Ln=130mm;模型M4空化器直徑Dn=2.8mm,全長LB=240mm,頭部長Ln=220mm。3光電色譜分析航行體水下試驗測量點布置如圖4所示。發(fā)射點在水靶道的端面,距水靶道頂面0.5m,采用密封技術防止水倒流入發(fā)射器。發(fā)射后,航行體進入光電測速靶區(qū)域后,觸發(fā)光電測速靶啟動工作,并測量出航行體的航行速度,在起始點和距起始點20m處布置了光電測速靶,在50m處,布置防護鋼板回收航行體。試驗中主要考慮了航行體空化數(shù)、空化器直徑、航行體長細比對航行體水動阻力特性的影響,設計了相應的方案來實施試驗。3.1多元意義的“以水為體”空化數(shù)的定義為:,P∞為水靶道內(nèi)射擊平面的水壓力,P0為航行體表面飽和蒸汽壓力(取P0=2350Pa),ρ為水的密度,V為航行體速度。在試驗中,通過改變航行體速度V來調(diào)整航行體空化數(shù),對M3模型彈,進行了空化數(shù)σ≈2.45×10-4和σ≈7.92×10-4各2發(fā)航行體試驗,在2個光電測速靶處實測出航行體的航行速度(計算空化數(shù)),通過試驗數(shù)值處理獲取航行體的阻力系數(shù),比較分析空化數(shù)對航行體水動阻力特性的影響。3.2相似空化數(shù)試驗對航行體模型M1(Dn=5mm)、M2(Dn=4.2mm)進行空化數(shù)σ≈2.45×10-4的水靶道試驗,獲取相應模型的水動阻力參數(shù),與模型1的相近空化數(shù)試驗結果進行比較分析。3.3模型2:水動阻力參數(shù)的確定對模型M4進行空化數(shù)σ≈2.45×10-4的水靶道試驗,獲取相應模型的水動阻力參數(shù),與模型1的試驗結果進行比較分析。根據(jù)試驗方案,加工了多個航行體模型,航行體靜態(tài)參數(shù)測量結果如下表1所示。4性阻力和“行人體”運動方程超空泡航行體阻力系數(shù)Cx定義為Cx=D/(0.5rSV2),其中:D為航行體水中運動所受到的阻力,S為特征面積(取為航行體后段圓柱體的橫截面積)。航行體阻力主要包括壓差阻力和黏性阻力兩部分,壓差阻力主要取決于頭部空化器與彈尾部的流場壓力差,而黏性阻力與航行體表面積及其黏濕介質(zhì)的密度有關。在水中運動的航行體,由牛頓第二定律,航行體質(zhì)心運動方程為:由于水靶道中,航行體水中運動為小射角、短距離的平面運動,可將升力Ry、馬格努斯力Rz和科氏力升力Rc、地球自轉產(chǎn)生的慣性離心力升力R?取為零。航行體受到阻力m為航行體質(zhì)量。整理可得:以彈道弧長s為自變量,考慮到射角θ0很小,航行體整個運動過程中彈道傾角θ很小,(2)式整理可得:在一段彈道上,將上式分離變量積分整理可得:由此,可求出航行體的水動阻力系數(shù)Cx。5空化數(shù)對阻力特性的影響在南京理工大學水靶道進行了上述3個方案的航行體水下航行試驗,航行體發(fā)射仰角為1°,水深0.5m發(fā)射,測量了航行體入水附近和距發(fā)射點20m處的航行體速度,共進行了7次航行體的水下航行試驗。通過上述數(shù)據(jù)擬合方法,以航行體最大橫截面積(πDm2/4)為參考面積處理出了航行體水下運動的平均阻力系數(shù),試驗結果與計算結果見表2。根據(jù)航行體D3、D4、D5、D6的試驗結果,在小空化數(shù)下,空化數(shù)對超空泡航行體的阻力特性影響很小。烏克蘭國家科學院流體力學研究院LogvinovichG.V]試驗總結,對于較低空化數(shù)的鈍形空化器,阻力系數(shù)的近似值為cx=cx0(1+σ),對于空化數(shù)由0.0003變化到0.0009,阻力系數(shù)變化量為0.06%,本文試驗結果為0.07%,兩者基本一致,在小空化數(shù)的超空化形態(tài)下,空化數(shù)對航行體的阻力特性影響很小。根據(jù)航行體D1、D2、D3的試驗結果,頭部空化器直徑對航行體的阻力特性有較大的影響,空化器直徑加大,阻力系數(shù)增大。這主要是,航行體在高速運動的情況下,完全處于蒸汽超空泡中,黏性阻力約為壓差阻力的0.01倍,航行體所受的水動力阻力主要為壓差阻力。較小直徑的空化器,所產(chǎn)生的超空泡的厚度也就越小,相當于減小了模型的橫截面積,在一定程度下減小了航行體的壓差阻力,更加有利于航行體的減阻效果。根據(jù)航行體D3、D4、D5、D6與D7的試驗結果,航行體的長徑比對阻力特性有較大的影響,增大航行體長徑比,航行體的阻力系數(shù)將顯著減小。這主要是,在超空泡狀態(tài)下,航行體所受到的黏性阻力已經(jīng)較小,在其他參數(shù)不變條件下,增加航行體長度,可獲得較好的超空泡形態(tài),可以顯著改善航行體所受到的壓差阻力。以模型M4為例,在空化數(shù)s=0.00027條件下,數(shù)值計算分析了不同長徑比下的阻力系數(shù),如圖5所示,圖中航行體阻力系數(shù)隨長細比的增大而減小,但長徑比大到一定時,已不能形成完全超空泡形態(tài),航行體阻力系數(shù)反而顯著增加。設計合理的航行體長徑比,對航行體水下航行有重要意義。針對航行體模型M4的外形尺寸,在Fluent6.2中數(shù)值分析了全沾濕條件下的阻力特性,cx=0.8377,超空泡航行體的阻力系數(shù)為全沾濕條件的1.1%。超空泡形態(tài)下航行體減阻率達98.9%。SavcheenkoYN.通過計算認為,當速度等于100m/s和空化數(shù)s=0.01時,可獲得20倍利益,減阻率達95%;當空化數(shù)s=10-4時,可獲得1000倍利益,減阻率達99.9%。國內(nèi)許多學者認為,超空泡減阻率在15%-70%左右,國內(nèi)無論理論分析與試驗結果與國際研究結果有較大差異。圖6是航行體模型M4在速度V0=900m/s下SCAV軟件(由烏克蘭國家科學院力學研究所根據(jù)大量有關超空泡模型自由運動(V=50m/s-1400m/s相應空化數(shù)s=1.4′10-4-10-2)試驗數(shù)據(jù)開發(fā)的超空泡運動計算軟件)計算和采用本文阻力系數(shù)計算的航行體水下航行速度變化曲線。由圖可見,采用本文試驗結果計算的航行體航行速度變化曲線與SCAV軟件計算的基本一致,通過試驗驗證了:在空化數(shù)下,細長體的超空化減阻率可達98%,超空泡技術是一種可以使水下高速運動物體獲得95%以上減阻量的減阻技術。6行人體的阻力特性在小空化數(shù)下,通過對某典型結構超空泡航行體的水下航行試驗研究,我們可以得出如下結論:(1)空化數(shù)