表面特性对水下航行器流体动力的影响研究

王在铎，王　威，张孝石

（1. 海军驻中国运载火箭技术研究院军事代表室，北京，100076； 2. 哈尔滨工业大学 航天学院，黑龙江 哈尔滨，150001）

表面特性对水下航行器流体动力的影响研究

王在铎1，王威2，张孝石2

（1. 海军驻中国运载火箭技术研究院军事代表室，北京，100076； 2. 哈尔滨工业大学 航天学院，黑龙江 哈尔滨，150001）

为进一步优化水下航行器头型设计，通过水洞试验对不同表面特性的水下航行器模型进行了试验研究，对比分析了凹槽、凹坑和光滑头型对水下航行器流体动力的影响，分析了不同表面特性下的自然空泡形态、空泡的周期性波动及阻力系数，得到以下结论: 在相同空化数条件下，光滑头型水下航行器具有更好的抗空化特性，而凹槽和凹坑头型则更加容易产生空化并形成完整透明的局部空泡； 光滑头型形成的空泡不稳定且不易被观察到，凹槽和凹坑头型的空泡较稳定且呈现周期性波动； 在一定速度范围内，凹槽头型和凹坑头型具有较好的减阻效果，当速度为12.8 m/s时，凹槽和凹坑头型的减阻量分别达到5%和8%。该研究可为水下航行器头型的优化设计提供理论参考。

水下航行器； 表面特性； 水洞试验； 空泡； 减阻

0　引言

水面船舶等受到的流体摩擦阻力约占其总阻力的50%，对于高速行驶的核潜艇这个比例则高达70%左右［1］。因此，减小摩擦阻力可以提高长距离管道输送效率，节省能源，增强高速舰艇的攻击能力。了解摩擦阻力产生的原因并研究减阻机理，探索减小阻力的新方法意义重大。目前减阻方法主要有空化减阻、主动通气减阻、柔性波减阻、微沟槽减阻、表面涂层减阻等。其中微沟槽减阻相比其他方法有着突出的优点: 微沟槽减阻方法只需在航行器表面加工出微沟槽结构或者粘附微沟槽薄膜等就可实现减阻，不需要外加设备，应用前景广阔［2］。

20世纪60年代，NASA兰利研究中心最早对表面微沟槽进行了试验研究［3-5］，研究结果表明，在物体和流体接触面处布置大小和比例合适的微小沟槽可以改变与粘性阻力相关的湍流拟序结构，从而达到减阻效果。微沟槽减阻方法已经开始被应用于实际工程问题中，美国曾对高速舰艇表面进行了微沟槽贴膜试验，获得了较好的减阻效果。疏水性微沟槽的减阻已经开始应用在高速潜艇的表面，输送管道壁面等领域也开始应用此类方法，但迄今为止该减阻技术仍未成熟，机理仍不明确，目前该减阻技术的研究仍受到诸多学者的高度重视，国内外均开展了大量沟槽面湍流边界层试验和数值计算。胡海豹等人通过水洞试验研究了具有条纹沟槽表面的回转体，并得出凹槽回转体在一定速度范围有较好的减阻效果，同时讨论了不同雷诺数对沟槽回转体减阻特性的影响，发现其减阻效果同时受到沟槽面的位置尺寸和来流速度等因素影响［6-7］； Yuan等人通过试验研究了不同方向的疏水性微沟槽的特性，并得到了不同微沟槽方向条件下的减阻规律［8］； 徐中等人利用数值计算的方法研究了凹坑表面在不同流动速度下的阻力系数，在一定速度范围内凹坑表面可以达到减阻效果［9］； El-Samni研究了矩形微槽道的减阻性能，在特定的凹槽布置下得到11%的减阻比例［10］；Hasegawa通过数值仿真分析了疏水性微沟槽的减阻特性，研究了空间滑移和减阻效率之间的关系［11］； 余永生等人通过水槽试验测量了光滑和粗糙表面、疏水和亲水表面受力和边界层流场情况，并得出表面疏水性和表面粗糙的共同作用下会产生明显的减阻效果［12］； 黄桥高等人在水洞中做了超疏水表面功能材料的减阻特性试验，研究了超疏水表面的减阻特性，获取减阻特性曲线，并得到超过20%的减阻效果［13］。

文章利用水洞进行了水下航行器沟槽表面、凹坑表面和光滑表面试验，比较了沟槽表面、凹坑表面和光滑面的空化特性和阻力系数，分析了微沟槽面和凹坑面对湍流边界层的影响关系。

1　试验装置与方法

1.1试验装置及模型

试验主要依托通气空泡水洞试验系统进行，该试验系统主要包括水洞及其操控系统、缩比模型安装及调节系统、光学测试系统、流体力测试系统以及其他辅助系统，各系统如图1所示。其中，天平数据线由尾支撑处引入。测力系统由安装于模型内部的六分力天平、多通道动态应变仪、集线器、信号采集与记录系统（包括软件与硬件）等部分组成。通过天平信号可以计算该状态下模型的流体动力，包括阻力、升力、偏航力及力矩。水洞试验中，通过调整工作段流速和加减尾水罐压力实现水洞工作段空化数调节。

图1　水洞试验系统示意图Fig. 1　Schematic of water tunnel experiment system

试验使用的航行器模型材质为铝合金，长度为235 mm，直径为40 mm。航行器模型内部装有六分力天平，连接在尾支撑杆上，试验过程中天平测到的力为除了航行器尾支撑外航行器外壳受到的力，具体结构如图2所示。

图2　航行器模型Fig. 2　Model of the vehicle

航行器模型采用3种不同表面特性的头部，分别为光滑、凹槽和凹坑表面。航行器头部具体结构如图3所示。

图3　不同表面特性的航行器头部模型Fig. 3　The head model of the vehicle with different surface characteristics

1.2试验方法

测量在给定空化数条件下，研究不同模型的空化特性及流体动力特性。试验中先将模型安装至水洞工作段内并调整模型为0°攻角，将摄像系统、数据采集系统及水洞系统调试完成。试验时，调节水洞流速，在流速稳定时记录数据，待该工况的数据采集完成后，调节至下一流速继续试验。当此模型头部的试验数据采集完成后，更换模型其他的头部，重新调节水洞系统继续试验。

空化数

其中: p∞流场远处来流压力； pc为流体的饱和蒸汽压； ρ为流体密度。

阻力系数

其中: F为流体动力； A为航行器横截面面积； V∞为来流速度。

2　试验结果及分析

2.1航行器空泡形态分析

测试得到3种不同头部的航行器模型水洞试验结果如图4所示，试验空化数范围为0.41～ 0.62，相应的来流速度为12.0～13.5 m/s。

从图4中可以看出，对于不同的头型在相同空化数的条件下头部空化有明显差别。光滑头型的航行器模型空化现象并不明显，只产生了局部微弱空化，且空泡的变化无明显规律； 凹槽头型航行形体模型在第1条凹槽开始产生空泡，空泡连续透明，空泡结束的位置有明显的回射现象；凹坑头型航行器模型的第1排凹坑起始点为空泡的起始点，空泡连续透明并且回射现象比凹槽头型更加明显。光滑头型相比另外2种头型抗空化能力更强。随着流速的增加，空化数减小，各头型模型的空化区域均呈现增大趋势。

图4　相同空化数下不同模型空化特性Fig. 4　The cavitation characteristics of different models in same cavitation number

2.2航行器空泡波动分析

从水洞试验中可以观察到，光滑头型航行器由于空泡不明显，无法准确测量空泡长度的变化；凹槽和凹坑头型空泡的长度随时间呈现周期变化。针对凹槽和凹坑头型航行器模型，通过高速摄像机拍摄的图片，提取不同时间的空泡长度，并以时间t为横坐标、空泡长度Lc为纵坐标，得到空泡长度随时间的变化曲线如图5和图6所示。

图5和图6为凹槽头型和凹坑头型空泡的长度Lc随时间呈现出周期性波动，相同空化数下，凹槽头型和凹坑头型产生的空泡不稳定，并呈现出周期性变化。凹坑头型的周期变化规律更加明显，并且凹坑的头型的空泡长波动周期和波动幅值均要大于凹槽头型。

2.3航行器流体动力分析

通过天平采集的试验数据，得出3种头型的航行器模型流体动力随流速变化特性如图7所示。

由于航行器自然空化不明显，底部受力面积较小，如图2所示，底部受到空泡脱落影响忽略不计，因此文中认为模型的底阻相等，在相同流速和环境压力条件下，航行器阻力的不同主要受到头型之间的差异影响。从图7可知，图中选取速度为模型从空化初生到局部空化，来流速度的变化范围为12.2～12.5 m/s，由于航行器在这个范围已经开始处于空化状态，所以3个头型的航行器阻力系数Cd呈现减小的趋势，随着速度的继续增大在12.5～12.6 m/s之间光滑头型继续空化从而呈现阻力减小趋势，此时另外2种头型阻力略有增长； 随着速度的继续增大，阻力趋于稳定不变，这是由于光滑头型的空化泡增长导致粘性阻力减小与压差阻力的增大值基本相等。

图5　2种头型航行器空泡形态对比Fig. 5　Comparison between cavity shapes produced by the vehicle with two different head surfaces

凹槽和凹坑头型的阻力均小于光滑头型，并且凹坑头型的阻力最小，在速度为12.8 m/s时，相比光滑头型，凹槽头型和凹坑头型总减阻量最大分别达到5%和8%。凹坑和凹槽产生减阻的主要原因是，在凹坑和凹槽的底部会形成比较明显的旋涡，旋涡形状如图8所示。旋涡上方的流体方向与来流方向基本一致，旋涡下方的流体方向与来流方向相反。当流体沿壁面流向下游时在凹坑和凹槽区域是从上部流过壁面。壁面凹坑和凹槽内部水流与其外部水流形成涡垫效应，水流在旋涡上流动，不与凹坑和凹槽的壁面直接接触，流体沿近壁面的滑动摩擦变为滚动摩擦。滚动摩擦系数低于滑动摩擦系数，这样凹坑和凹槽所形成的旋涡就降低了流体通过壁面时的粘性阻力，从而相比光滑头型这2种头型产生了减阻效果。

图6　2种头型航行器空泡变化曲线Fig. 6　Curves of cavity length versus time for the vehicle with two different head surfaces

图7　3种头型阻力系数的对比Fig. 7　Comparison of drag coefficients among three head surfaces

3　结论

文中针对光滑、凹槽和凹坑3种头型的航行器模型进行了水洞试验研究，分析了3种不同表面粗糙特性对航行器模型空泡形态和流体动力影响关系，得到结论如下。

1）相同空化数条件下，光滑头型航行器空化现象不明显，凹槽头型和凹坑头型均产生了明显的空泡，即光滑头型有更好的抗空化作用；

2）相同空化数下，凹槽头型和凹坑头型产生的空泡不稳定，并呈现出周期性变化。凹坑头型的周期变化规律更加明显，并且凹坑的头型的空泡长波动周期和波动幅值均要大于凹槽头型；

3）随着流速的增加，3种头型航行器的阻力也随着变化，其中具有光滑头型的航行器模型阻力减小到一定程度后趋于稳定。而凹槽头型和凹坑头型航行器模型的阻力系数呈线性减小趋势。在速度为12.8 m/s时，相比光滑头型，凹槽头型和凹坑头型总减阻量分别达到5%和8%。

通过水洞试验获得了不同表面粗糙度对水下航行器模型空泡形态及其动态特性、阻力系数的影响关系，对航行器头型进一步优化设计具有参考价值。后续将对不同模型表面粗糙度、空化数以及攻角等对空泡形态及流体动力的影响进行试验研究。

图8　2种头型航行器底部旋涡流场示意图Fig. 8　Schematic of vortex flow fields under bottom of the vehicle with two different head surfaces

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（责任编辑: 陈曦）

Influences of Surface Characteristics of Underwater Vehicle on Its Hydrodynamic Properties

WANG Zai-duo1，WANG Wei2，ZHANG Xiao-shi2

（1.Navy Representative Office in China Academy of Launch Vehicle Technology，Beijing 100076，China； 2. School of Astronautics，Harbin Institute of Technology，Harbin 150001，China）

To optimize the headform design of an underwater vehicle，water tunnel experiment was conducted to analyze the influences of different surface characteristics of the headform on hydrodynamic properties of the vehicle. The headform includes grooved surface，concave surface and smooth surface. The natural cavity shape，the periodical fluctuation of the cavity and the drag coefficient for different head surface were obtained. The results show that: 1）for same cavitation number，the vehicle with smooth head surface has higher cavitation resistance，but the grooved and concave head surfaces are easier to generate cavitation with complete and transparent partial cavities； 2）the smooth head surface produces unsteady and non-observable cavities，while the grooved and concave head surfaces produce steady cavities with periodic fluctuation； and 3）in a certain speed range，the unsmooth head surfaces （i.e. grooved head surface and concave head surface）can gain better drag reduction property compared with the smooth head surface，and at a speed of 12.8 m/s they can obtain the best drag reduction amount of 5% and 8%，respectively.

underwater vehicle； surface characteristics； water tunnel experiment； cavity； drag reduction

TJ630.1

A

1673-1948（2015）05-0321-05

10.11993/j.issn.1673-1948.2015.05.001

2015-03-28；

2015-07-09.

王在铎（1967-），男，高级工程师，主要从事舰艇及水下航行器相关技术研究与管理.