研讨流量突变对空泡影响

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超空泡航行器在超空泡生成阶段，航行器是从全沾湿状态发展到局部空化状态再到超空化状态，伴随着航行器流体动力的剧烈变化，航行体的运动是不稳定的［1］，而且在这种流体动力激变条件下对航行体运动状态的控制是很难实现的。经过多次的水洞和水池试验发现，空泡生成过程是不稳定的。为了解决空泡生成阶段流体动力激变对航行器稳定性的影响，考虑通过提高通气流量加快通气空泡的生成速度，使航行器对激变尚未来得及响应时就进入相对稳定的超空泡状态。同时在试验中还发现，空泡生成后维持具有减阻意义的超空泡，所需通气流量比生成超空泡所需的通气量小得多，因此在超空泡航行器从开始生成到使命结束(空泡溃灭)的整个阶段，始终使用大气量(满足空泡生成的快速性要求［2］)或始终使用维持空泡形态的通气流量都是不合理的，所以在通气超空化航行器的通气系统设计中不可避免的要使用多级通气流量。比如在空泡生成阶段使用较大的通气流量，以满足空泡生成的快速性要求为主;

在超空泡生成后使用小的通气流量，以能够维持满足要求的空泡形态为准。所以在通气超空化的工程应用中通气流量的突变是不可避免的，研究和探索通气流量突变对空泡形态的影响和通气超空泡生成和维持所需通气流量，对通气超空化的实际应用至关重要。从已知的文献看，目前对通气超空泡的研究主要集中于空化器［3］、通气角度对超空泡形态和航行器减阻效果的影响［4］以及通气率对空泡形态的影响［5］。尚未见到有关超空泡生成、维持和通气流量突变对空泡形态影响的研究内容。1试验装置与模型试验在高速水洞完成。水洞工作段长2m、截面直径0.4m，水速0～18m/s连续可调，水压0.01～0.3MPa连续可调，水洞配备有水质处理系统，高速数据采集系统，人工通气流量与空泡压力自动测控系统。通气流量范围为0～200L/min，连续可调，精度为5‰;高速摄影机摄影频率为1000～100000帧/s，摄影频率可调。模型总长850mm，圆柱段直径40mm，空化器为直径10mm的圆盘空化器。为减小支架干扰，采用尾支撑安装，模型及其在水洞中的安装如图1所示。

2试验及结果分析

2.1通气超空化参数定义2.2生成和维持超空泡的通气流量研究

2.2.1空泡生成临界通气量研究超空泡技术的主要作用和意义在于减阻———即要求航行器除空化器迎流端面和尾部局部区域以及控制面，其余均要包在空泡内。在测量生成超空泡通气流量Q•范围的试验过程中，发现存在一个Q•min。当通气流量稍大于Q•min时，空泡长度会迅速增长成真正意义上的超空泡。当通气流量小于Q•min后，空泡长度将迅速减小，成为局部空泡。文章将这个Q•min称为临界通气量。为确保能生成超空泡，试验选取通气空化数σc=0.08作为试验条件，空化数是通过协调与匹配自然空化数σv和通气流量Q•来实现，自然空化数可以通过控制水洞工作段压力和水速达到设计值，通气流量可以通过流量自动测控系统控制。试验条件及2.2生成和维持超空泡的通气流量研究2.2.1空泡生成临界通气量研究超空泡技术的主要作用和意义在于减阻———即要求航行器除空化器迎流端面和尾部局部区域以及控制面，其余均要包在空泡内。在测量生成超空泡通气流量Q•范围的试验过程中，发现存在一个Q•min。当通气流量稍大于Q•min时，空泡长度会迅速增长成真正意义上的超空泡。当通气流量小于Q•min后，空泡长度将迅速减小，成为局部空泡。文章将这个Q•min称为临界通气量。为确保能生成超空泡，试验选取通气空化数σc=0.08作为试验条件，空化数是通过协调与匹配自然空化数σv和通气流量Q•来实现，自然空化数可以通过控制水洞工作段压力和水速达到设计值，通气流量可以通过流量自动测控系统控制。试验条件及

2.2．2维持超空泡所需通气流量的研究根据此前超空泡试验经验与数据，试验中首先给较大的初始通气流量Q•int，使航行器上可以快速稳定的生成超空泡，然后逐步减少通气量，观察空泡形态，直至空泡不能满足减阻需求为止，将此时通气量记为空泡维持临界通气量Q•min－WC。为方便维持空泡所需通气量与生成空泡临界通气量的比较，此次试验的初始条件将水速V∞，背压P∞作为参考试验条件，保持与空泡临界通气量试验条件相同，初始通气流量Q•相同。试验工况和结果见表2。将表1中的空泡生成临界通气流量Q•min和表2中的空泡维持最小通气量Q•min－WC作比较，不难看出，就本文研究所用模型和试验工况而言，生成空泡所需最小通气量比维持超空泡所需最小通气量要大的多，前者是后者的2.616倍左右。

2.3通气流量突变对空泡形态的影响图3为通气流量系数从1.212逐步减少到0.7576过程中空泡形态变化。由试验可知通气流量变化的过程中，整个航行器均包括在空泡内，空泡稳定闭合于模型的尾支杆，闭合位置基本稳定，空泡形态无明显波动变化，模型稳定无明显振动。图4为Q•从0.7576减少到0.606过程中的空泡形态变化的一个周期。(鉴于篇幅有限，图片变化周期内平均每四帧给出一帧图片)由图可知在通气流量变化的过程中，空泡闭合在模型的尾支杆，空来看，从尾端以后(整个尾支杆区间)的空泡形态处在一个大段的波动状态，具体见图5和图6，并且试验中模型有强烈振动，试验噪声比其它流量条件下的试验噪声突出。这种现象对于航行器的稳定性而言是非常不利的，所以在通气超空泡航行器的多级通气流量设计中，一定要注意通气量的配比关系，避免因通气量的流量变化引起的航行器不稳定现象。

3结论

通过对通气超空泡生成所需临界通气量和空泡维持临界通气流量的试验研究，得到如下结论:1)生成给定通气超空泡形态的通气流量与维持相应空泡形态的通气流量相差很大。本次试验的数据显示生成空泡所需最小通气量是维持空泡所需最小通气量的2.616倍左右。2)通气流量突变对空泡的形态、泄气方式和模型的稳定性均有影响，所以在通气流量的设计中要注意通气量的配比关系，避免因通气量的流量变化引起的航行器不稳定现象。考虑空泡生成过程的快速性要求和空泡维持所需通气量与空泡生成通气流量的巨大差距，建议在航行器超空泡的生成阶段，采用比维持通气量大3倍以上的通气量来加速空泡的生成，在空泡生成后，再减少通气流量到维持超空泡的流量范围。同时在多级通气流量的设计中要注意通气流量的选取范围，避免航行器在运行中因通气量的流量变化引起的航行器不稳定现象。由于水洞试验研究和外场自由飞试验的情况并不完全相同，所以本文结论对通气超空化航行器的设计仅作初步参考。