流体动力学理论基础超空泡减阻技术哈尔滨工业大学航天学院2014年4月©2014HIT13-2库尔斯克号沉没俄罗斯核潜艇1994年5月下水,造价10亿美元长150米,宽18.2米,高13.1米独特的双壳艇身和9个防水隔舱2000年8月沉没118人遇难©2014HIT13-3伊朗试射超级鱼雷2006年4月,伊朗大规模军演超级鱼雷“鲸”水下运动速度约193.9节击中靶艇©2014HIT13-4研究意义AVCFdd221maF©2014HIT13-5研究意义©2014HIT13-6超空泡减阻机理©2014HIT13-7研究意义“暴风”超空泡鱼雷©2014HIT13-8研究意义“暴风”超空泡鱼雷©2014HIT13-9研究意义©2014HIT13-10研究意义美国正在研制的超空泡鱼雷原理图©2014HIT13-11研究意义美国正在研制的超空泡鱼雷原理图©2014HIT13-12超空泡鱼雷结构1空化器2通气口3导引系统4推进及通气系统5尾翼©2014HIT13-13研究意义美国RAMICS机载超空泡射弹©2014HIT13-14研究意义©2014HIT13-15研究意义美国RAMICS机载超空泡射弹©2014HIT13-16研究意义利于稳定飞行的尾翼标准GAU-8弹药筒接口兼容Mk44/BushmasterII30mm链炮弹丸质量:0.55lb(250g)弹丸长度:7.5inches(190.5mm)©2014HIT13-17研究意义美国AHSUM水下超空泡射弹©2014HIT13-18研究意义美国AHSUM水下超空泡射弹试验方案©2014HIT13-19研究意义美国AHSUM水下超空泡射弹试验照片©2014HIT13-20研究意义德国“棱鱼”超空泡导弹©2014HIT13-21研究意义德国“棱鱼”超空泡导弹©2014HIT13-22研究意义德国“棱鱼”超空泡导弹©2014HIT13-23研究意义超空泡导弹超空泡水雷超空泡运输艇超空泡潜艇潜射超空泡武器……超空泡武器的未来发展©2014HIT13-24空化器设计©2014HIT13-25空化器设计)(10xnccDD1ln)1(10xnccDL圆盘空化器©2014HIT13-26通气超空泡的生成与控制通气的作用:形成空泡、维持空泡通气系统的组成通气规律的研究2nDVQQ]2[27.043FrQgg©2014HIT13-27通气超空泡的生成与控制©2014HIT13-28通气超空泡的生成与控制通气角度的影响:©2014HIT13-29通气超空泡的生成与控制V=8.9m/s重力的影响:©2014HIT13-30通气超空泡的生成与控制通气超空泡的形态:©2014HIT13-31空泡稳定性与控制技术通气不稳定性自由剪切层不稳定性气泡振荡©2014HIT13-32空泡稳定性与控制技术通气不稳定性主要与通气率和自然空化数有关,Parishev等应用线形稳定性理论对轴对称空泡进行了研究,认为通气超空泡的主要动力学特性取决于无量纲参数gv645.21©2014HIT13-33空泡稳定性与控制技术自由剪切层的不稳定性在两种互不渗透液体通过一个界面进行接触时发生,当两种介质在界面处的相对速度较大时更为明显。应用线性稳定性理论得到自由剪切层稳定性要求如下smuugaswater/6.6©2014HIT13-34空泡稳定性与控制技术气泡振荡不稳定性是由于环境压力的波动而引起的。Parishev运用Logvinovich独立性原理将空泡界面描述为一系列独立的界面。得到迟滞量与欧拉数、空泡数和空泡内气体的绝热指数之间的函数表达式1120Eu200©2014HIT13-35带空泡航行体的稳定性技术浮力缺失升力集中于空化器和尾舵尾部滑行力或尾拍力的存在©2014HIT13-36带空泡航行体的稳定性技术©2014HIT13-37带空泡航行体的稳定性技术超空泡内弹体处于平衡位置超空泡内弹体尾部上摆超空泡内弹体尾部下摆©2014HIT13-38带空泡航行体的稳定性技术超空泡射弹入水过程©2014HIT13-39带空泡航行体的稳定性技术超空泡射弹结构破坏状态©2014HIT13-40带空泡航行体的稳定性技术主动控制是首先对航行体的姿态进行实时监控,再利用主动调控设施(调整喷气量和喷射方向,调整空化器攻角等等)产生反馈的闭环控制系统。©2014HIT13-41带空泡航行体的稳定性技术被动控制指的是依赖航行体设计阶段进行的适当的流体动力布局及若干非人工控制的稳定措施来保证运动稳定性的控制方法,如空化器、模型弹身及尾翼等的形态及流体动力的设计。©2014HIT13-42超空泡技术试验研究进展乌克兰/俄罗斯美国德国国内©2014HIT13-43超空泡技术试验研究进展俄罗斯和乌克兰的超空泡研究工作实为一体,多数超空泡试验都在乌克兰进行。俄罗斯莫斯科大学数学力学系流体力学教研室、莫斯科大学力学研究所以及中央空气、水动力学研究院、乌克兰科学院流体力学研究所等部门开展了超空泡问题的试验研究。©2014HIT13-44超空泡技术试验研究进展莫斯科大学的主要试验设备是大型高速水洞。乌克兰科学院流体力学研究所具有多个大型超空泡试验设备,其中一个多功能的水利试验台,主要进行小模型的约束模弹射或自推力飞行试验;在1986年建成的高速开路型水洞,最大水流速度32m/s,是其最主要的试验装置。©2014HIT13-45超空泡技术试验研究进展通过大量的试验,获得了不同模型和空化器下超空泡的形态、通气及稳定性规律,设计出一系列可以调节升力和阻力系数值的不同类型的空化器;试验还得到了30~140m/s下自然及通气超空泡的试验数据,并通过40~1300m/s速度下的高速射弹实验总结出轴对称超空泡形态和尺寸的计算公式等。©2014HIT13-46超空泡技术试验研究进展美国从20世纪五十年代开始高速推进器和水翼方面的超空泡研究,目前主要致力于发展超空泡高速射弹和超空泡鱼雷两类超空泡武器,其中机载快速灭雷系统(RAMICS)已于1995年研制成功,该系统用20mm的超空泡射弹,可穿透水下15m处的水雷。©2014HIT13-47超空泡技术试验研究进展美国水下武器作战中心进行了系列的通气超空泡的流场特性试验研究。试验以水洞试验和约束飞行试验为主,约束飞行试验在大型拖曳水池中进行,拖曳水池长878m、宽7.3m、深3.7m,最大拖曳速度可达21m/s。©2014HIT13-48超空泡技术试验研究进展ARL试验室和宾州大学研制了超空泡射弹模型,美国水下武器作战中心研制开发了自由航行的高速水下武器系统为了测试AHSUM的性能,美国水下武器作战中心在ARL实验室位于马里兰州阿伯丁市的特大试验水池中进行了自由射击试验。©2014HIT13-49超空泡技术试验研究进展德国早在第二次世界大战期间德国就开始了超空泡的理论与实践研究。为了完成超空泡射弹和超空泡火箭武器的研制,启用了两个主要的试验场地。德国南方第52技术中心的垂直水洞,水深60米,直径5米,可以研究空泡与深度的关系及气体发生器的性能。©2014HIT13-50超空泡技术试验研究进展梅尔多夫水下试验靶场,试验场配有由磁探头组成的传感器场,可跟踪水下火箭的弹道和速度;沿着试验场地设置着大量的普通电视摄像机,以观察火箭排气的轨迹。©2014HIT13-51超空泡技术试验研究进展国内从上世纪六、七年代开始了空化与空蚀问题的研究,当时以研究水翼、螺旋桨等水下物体的空化噪声和空蚀等为主。上世纪八、九十年代,开始研究水下物体局部空泡的稳定性和升、阻力特性,空泡对水下兵器的水动力特性影响、带空泡航行体的水下弹道以及出水冲击等问题。©2014HIT13-52超空泡技术试验研究进展水洞试验拖曳水池试验约束飞行试验自由飞行试验©2014HIT13-53通气超空泡特性的水洞试验主要试验设备及仪器–中速水洞–数码摄像系统–外置通气系统–流体动力测量系统–试验模型©2014HIT13-54通气超空泡特性的水洞试验©2014HIT13-55通气超空泡特性的水洞试验©2014HIT13-56通气超空泡特性的水洞试验气源图像记录系统水洞工作段实验模型通气控制系统测力系统压力传感器水洞收缩段水洞扩散段支路1©2014HIT13-57通气超空泡特性的水洞试验水洞实验的阻塞效应:模型的阻塞比(模型最大截面的面积与水洞工作段截面的面积之比)若过大,水洞边界会对试验结果产生较大影响。形成超空泡相当于增大了模型最大截面的面积,对于水洞模型直径要求更高。©2014HIT13-58通气超空泡特性的水洞试验水洞试验模型:©2014HIT13-59通气超空泡特性的水洞试验水洞试验模型的支撑方式:尾支撑前支撑腹支撑©2014HIT13-60通气超空泡特性的水洞试验©2014HIT13-61通气超空泡特性的水洞试验©2014HIT13-62通气超空泡特性的水洞试验©2014HIT13-63通气超空泡特性的水洞试验实验内容–采用不同实验模型–调节流场参数和通气参数–观测超空泡形态发展过程–测量超空泡航行体模型受力©2014HIT13-64通气超空泡特性的水洞试验©2014HIT13-65通气超空泡特性的水洞试验©2014HIT13-66通气超空泡特性的水洞试验通气空泡的形成过程©2014HIT13-67通气超空泡特性的水洞试验空化器直径对通气超空泡形态的影响0.40.81.21.62.00.51.01.52.02.53.0Dn=14mmDn=12mmDn=10mmDc/DQ(m3/h)©2014HIT13-68通气超空泡特性的水洞试验空化器直径对通气超空泡形态的影响0.40.81.21.62.00.00.51.01.52.0Dn=14mmDn=12mmDn=10mmLc/LQ(m3/h)©2014HIT13-69通气超空泡特性的水洞试验空化器直径对通气超空泡形态的影响0.30.60.91.21.51.82.14567891011Q(m3/h)Dn=14mmDn=12mmDn=10mm©2014HIT13-70通气超空泡特性的水洞试验0.00.40.81.21.62.00.60.91.21.51.82.1120o圆锥空化器平头倒角空化器Dc/DQ(m3/h)空化器线形对通气超空泡形态的影响©2014HIT13-71通气超空泡特性的水洞试验空化器线形对通气超空泡形态的影响0.00.40.81.21.62.00.00.30.60.91.21.5120o圆锥空化器平头倒角空化器Lc/LQ(m3/h)©2014HIT13-72通气超空泡特性的水洞试验空化器线形对通气超空泡形态的影响0.00.40.81.21.62.02.424681012120o圆锥空化器平头倒角空化器Q(m3/h)©2014HIT13-73通气超空泡特性的水洞试验空化器锥角对通气超空泡形态的影响/hm3.03Q/hm2.53Q/hm5.03Q/hm3.53Q©2014HIT13-74通气超空泡特性的水洞试验弗劳德数对通气超空泡形态的影响©2014HIT13-75通气超空泡特性的水洞试验弗劳德数对通气超空泡形态的影响0.00.20.40.60.81.0152025303540LcQ实验数据拟合曲线42.20Fr©2014HIT13-76通气超空泡特性的水洞试验弗劳德数对通气超空泡形态的影响)2.539.205.0()5.2202.268.0(22FrFrQFrFrLcBQALcFrAB20.4222.9218.1129.16150.6712.1134.99291.2423.2543.74625.6731.75©2014HIT13-77–压差阻力–粘性阻力通气超空泡特性的水洞试验通气超空泡的阻力特性AVFCd221©2014HIT13-78Ft(s)通气超空泡特性的水洞试验©2014HIT13-7