通气空泡内部流场结构实验研究

王 志，李 鹏，许统华，徐良浩，张国平，陈伟政

（中国船舶科学研究中心，江苏 无锡 214082）

通气空泡内部流场结构实验研究

王 志，李 鹏，许统华，徐良浩，张国平，陈伟政

（中国船舶科学研究中心，江苏 无锡 214082）

采用人工通气的办法在水下航行体表面生成通气超空泡可以大幅降低水下航行阻力。保持通气空泡的形态稳定是保证航行体水下流体动力稳定的前提，因此需要了解通气空泡内部气体流动结构及其与空泡泄气方式的相互影响规律。该文建立了通气空泡内部流场结构的实验测量装置，并运用PIV（粒子成像测速）方法对通气超空泡内流场结构进行了测量，归纳了通气空泡三种典型的内部流场结构形式及其成因，并给出了泡内气流流速的变化趋势。

通气空泡；流场结构；PIV；实验

0 引 言

空泡内通气是为了形成包裹水下航行体大部分表面的大尺度通气空泡或通气超空泡用于大幅降低水下航行阻力。针对通气空泡而言，保持空泡形态稳定是保证航行体水下流体动力稳定的前提，这需要通气率与泄气率相互匹配。通气率可以进行人工调节，但泄气率的准确确定需要清楚了解空泡内的物性参数及气体流动模式。以往对超空泡形态及泄气率的理论和经验计算公式均忽略了空泡内流动，例如Spurk[1]建立的气体损失理论就是以此为前提。由于空泡内流动结构的测量难度大，到目前为止对空泡内流场结构的了解主要通过势流理论分析和多相流数值模拟得到，仍缺乏实验结果的直接验证。Michael等人[2]利用多相流数值模拟方法对通气空泡内部流场进行了计算；Savchenko[3]观察通气空泡内铝粉的运动轨迹，获得了圆盘空化器后定性的内流场结构；Wu和Chahine[4]利用高速摄影机捕捉通气空泡试验照片，研究空化器形状和通气方向等因素对泡内流动的影响。仲霄[5-6]等学者给出了圆盘空化器后方空泡内流场PIV图像的还原处理表达式，探索了空泡内流场的PIV测量方法。

鉴于对空泡内流场深入理解的重要性，以及相关试验研究中面临的技术困难，本文尝试采用一种新的思路建立通气超空泡内部流场结构的测量方法，运用PIV方法对通气超空泡内流场结构进行实验研究。

1 实验设备与实验方法

通气超空泡内部流场结构测量实验是在中国船舶科学研究中心多功能高速空泡水洞开展的。该水洞是立式循环水洞，具有两个可相互替换工作段，第一工作段截面为225 mm×225 mm的正方形，第二工作段截面为Φ350 mm的圆形，长度均为1 500 mm。本文实验使用第一工作段。第一工作段主要性能技术指标为：水速0～25.0 m/s连续可调，压力10～500 kPa，水流不稳定度和不均匀度均不大于1.0%，紊流度低于0.5%，最低光体空化数0.12。水洞扩散段下游建造有高效除气水箱，可以实时去除水洞中人工通入的气体，非常有利于开展通气超空泡实验。参见图1。

本文实验采用的PIV测量设备如下：激光器—Solo 200XT YAG激光器，波长532 nm；CCD相机—DALSA，最高拍摄帧率10 kHz，分辨率2 048×2 048；采集软件—TSI Insight 3G；同步控制器—TSI 610035；示踪粒子—聚苯乙烯颗粒，密度1.05 g/cm3。

为了能够对空泡内流场进行PIV测量，设计并使用不锈钢材料加工了分段式平板空化器，用于生成近似二维的空泡。图2展示了空化器的安装方法及实物照片。空化器总长与水洞工作段宽度相同，由平直段和翘起段连接而成。其中平直段用于生成通气空泡主体，泡内流场测量位置位于主体空泡内。占空化器总长三分之一的翘起段的作用是扩大观测区域面积，使透过水洞侧壁观测空泡内部成为可能。在测试试验中验证了如果没有翘起段，仅使用平直空化器生成的空泡在水洞工作段两侧空泡壁迅速下卷，无法形成足够大的观测区域。空化器平直段高度为20 mm，翘起末端增大至40 mm，空化器迎流面保留锐利边缘，便于空泡形成。空化器安装于水洞顶板是为了减小空泡尾部回射流对光路的不利影响。空化器背流面开设有7个通气孔和一个示踪粒子布撒孔，分别用于通入空气和示踪粒子。在水洞顶板空化器后方50 cm范围内均布四个量程为300 kPa绝对压力传感器测量空泡内压力。

图1 多功能高速空泡水洞Fig.1 High speed cavitation tunnel

图2 空化器安装示意图及照片Fig.2 Cavitator mounted on the ceiling

图3为实验布置示意图，图4为实验现场照片。实验开始后，待来流水速和压力稳定在设定值，开启通气阀门（气源为大气），生成通气空泡。空泡状态稳定后，开启激光器。激光经导光臂和透镜组展成片光后从水洞上方窗盖板中心位置射入空泡内部。同时高压气源驱动示踪粒子从粒子布撒口喷入空泡内部。CCD相机同步记录空泡内片激光照射下的示踪粒子运动图像，通过对粒子图像进行互相关分析得到不同工况下通气空泡内部中剖面的速度场。

图3 实验布置图Fig.3 Experimental arrangement sketch

图4 实验现场照片Fig.4 Experiment site photo

图5 实验获得的空泡图像Fig.5 A typical cavity image

图5是实验获得的空泡图像。由图可见，分段式空化器形成的观测窗口足够大，在空泡形态好的条件下，泡内示踪粒子清晰可辨。激光片光自上而下照射到空泡壁面受到散射后照亮了大部分空泡壁面。从图像上看空化器翘起段形成了较宽范围空泡壁，翘起段的倾斜部分拉出了部分倾斜空泡，实际观察到的是这部分倾斜空泡的内表面。实验关注的是空泡远端表面即占空化器长度三分之二的平直段形成的空泡所包围的内部流场结构，空泡壁面并未遮挡内部流场区域。

2 实验结果及分析

实验测量了四种水速条件下的通气空泡内部流场，实验工况见表1。由于空泡对水洞的阻塞，空泡外流场水速会有所增大。表1中同时给出了PIV测量得到的空泡外水速和根据泡内平均压力计算得到的通气空化数。

表1 实验工况Tab.1 Experiment conditions

实验的每一工况均拍摄了100对粒子图像，通过对粒子图像分析，各工况下均出现了四种典型的通气空泡内部流场结构，绘制于图6～9。每幅图片中由上至下依次绘制了速度矢量图、流线图和涡量图，图中上部为空泡内流场，下部为水流场（涡量图只给出泡内流场）。其中超过半数的流场图像出现了图6所示的流场结构，图7和图8这两种流场结构可以归为一类，约有1/3流场图像为此类结构，图9所示流场结构出现最少，占实验图像的1/10。

图6 第一种流场结构Fig.6 The first kind of flow structure（V=6.3 m/s，σc=0.18）

图7 第二种流场结构Fig.7 The second kind of flow structure（V=9.0 m/s，σc=0.39）

图8 第三种流场结构Fig.8 The third kind of flow structure（V=11.4 m/s，σc=0.51）

图9 第四种流场结构Fig.9 The fourth kind of flow structure（V=9.0 m/s，σc=0.39）

图6中的速度矢量图和流线图显示，空泡内部绝大部分区域气体自空泡后部流向前部，与水流方向相反。从速度矢量图可以判断泡内流场速度分布不均匀，通过实验数据分析可知泡内气体最大速度值与水流速度值接近。水流场的流动状态是均匀的，由于空泡的影响，水流场流线随着空泡发展逐渐向下倾斜。涡量图显示，空泡后部和前部有顺时针旋转的涡，但强度不大。

图7和图8展示的流场结构共同特征是空泡后部存在明显的多个涡，这些涡又被包裹在空泡内部的大环流中，两图中空泡内涡量比图6所示第一种流场结构分布广、量值大。图7与图8的不同之处在于空泡前部气体的流动方向是相反的。图7中看到通气孔射出的气流冲击到空泡内壁，形成局部的高速区，射流流动对空泡前部流动影响比较显著。而图8所示状态的通气口射流对空泡后部流动扰动比较明显。

图9为实验获得的第四种流场结构，与前三种流场结构最明显的区别是空泡内主体流动是向后的，且前部存在顺时针涡，这种流场结构出现最少。从实验录像观察，空泡壁面的脉动使得空泡内随机卷入大量的水，占据了泡内较大体积。空泡体积的压缩使得泡内气体加速向后方泻出，形成了泡内向后流动的流场结构。

根据实验得到的四种空泡内部流场结构归纳为a、b、c三类，绘制于图10中。其中a类空泡出现最多，其主要特征是通入气体在空泡大部分区域内形成环流流动，这种状态下空泡内气体流动比较稳定，对应实验图像是图6。b类空泡出现较少，主要特征是在空泡后部形成多个涡，是由于通气气流对泡内流动扰动形成的，对应实验图像为图7、8。c类空泡出现最少，其主要特征是空泡内大部分区域气体流动是向后的，主要由于空泡脉动对空泡体积压缩造成的，对应图9。

乌克兰Savchenko等人利用圆盘空化器后通入撒有铝粉的气体观察到了泡内气体流动，给出了流动结构示意图如图11[3]所示。本文实验结果表明通气空泡内部流动结构是非常丰富的。图11绘制的是定常空泡流动状态，相当于图10中泡内存在环流的a类型。图11明确绘出了的空泡尾部泄气区。在本文实验中，由于实验条件所限，无法获得空泡壁面附近的流场，但按气体连续方程可以判断通入空泡内的气体是通过泡壁内侧薄层流向空泡后部并从尾部泄走的，而且图7-9也测到了其中一部分泄气流场。

图10 三类空泡流场结构示意图Fig.10 Sketch of three types of inner flow structure

图11 Savchenko给出的空泡内流动示意图Fig.11 Sketch of inner flow structure by Savchenko

图12 泡内相对流速与通气空化数关系Fig.12 Relationship between ratio of gas and water velocity with ventilated cavitation number

由于各实验工况条件下出现的空泡流场结构均以a类型居多，为此分别对各工况a类型空泡内气体的回流速度进行了统计平均，列于表2中。泡内气体流速Vg取的是排除通气口附近区域占观测区域3/4面积的回流区域速度的平均值。泡内气体与来流相对速度Vg/V和通气空化数的关系见图13。从泡内气体回流速度统计结果看，通气空泡内回流流速不大于来流水速，并且随着通气空化数的增大呈降低趋势。通气空化数增大，意味着空泡内外压差增大，来流条件不变的情况下泡内压力相应降低。如果空化起始区域局部低压条件不变，则空泡前后压差减小，使得泡内气体回流速度降低。

表2 a类空泡内气体回流速度统计Tab.2 Gaseous velocity of‘a’type

3 结 论

应用PIV方法测量得到了近似二维平板空化器生成的通气空泡内部流场结构。所得实验结果可为空泡内部流场的理论分析和数值模拟提供参考。

（1）在通气空泡内部流场中观察到三类典型的流场结构。出现最多的a类空泡主要特征是通入气体在空泡大部分区域内形成环流流动。出现较少的b类空泡主要特征是在空泡后部形成多个涡。c类空泡出现最少，其主要特征是空泡内大部分区域气体流动是向后的。

（2）通气空泡内部气体的回流流速不大于来流水速，随着通气空化数的增大泡内气体回流速度呈降低趋势。现有实验结果表明泡内气体回流速度与来流水速的相对值在0.54到0.98之间。

由于实验条件所限，本文的实验方法还需进一步完善，得到的实验结果也仍需更多验证。这将是后续工作重点。

[1]Spurk J H.On the gas loss from ventilated supercavities[J].Acta Mechanica,2002,155:125-135.

[2]Kinzel Michael P,Lindau Jules W,Kunz Robert F.Air entrainment mechanisms from artificial supercavities:insight based on numerical simulations[C].CAV2009-Paper No.136,2009.

[3]Savchenko Y N,Savchenko G Y.Gas flow in ventilated supercavities.Supercavitation Advances and Perspectives A collection dedicated to the 70th jubilee of Savchenko Yu N[M].Springer-Verlag Berlin Heidelberg,2012.

[4]Wu Xiongjun,Chahine G L.Characterization of the content of the cavity behind a high-speed supercavitating body[J]. ASME,2007,129:136-145.

[5]仲 霄,王树山,马 峰,张敏娣.通气超空泡内部流场PIV测试方法[J].船舶力学,2013,17(8):851-857. Zhong Xiao,Wang Shushan,Ma Feng,Zhang Mindi.A PIV measuring method of flow in ventilated super-cavitation[J]. Journal of Ship Mechanics,2013,17(8):851-857.

[6]仲 霄,王树山,马 峰.通气超空泡内部流场的PIV实验图像处理[J].船舶力学,2013,17(7):715-721. Zhong Xiao,Wang Shushan,Ma Feng.PIV image processing method of the ventilated super-cavitating flow[J].Journal of Ship Mechanics,2013,17(7):715-721.

Experimental research of inner flow field structure for ventilated cavity

WANG Zhi,LI Peng,XU Tong-hua,XU Liang-hao,ZHANG Guo-ping,CHEN Wei-zheng
(China Ship Scientific Research Center,Wuxi 214082,China)

Ventilated cavity can greatly decrease the drag of an underwater navigating vehicle.It is important to maintain the shape of the ventilated cavity to be steady.Thus the inner flow structure of the cavity and its interaction with the gas leakage pattern need to be investigated.In this paper,the inner gas flow field structure of the ventilated cavity induced by a flat plate was studied by the PIV(Particle Image Velocimetry)method.Three typical types of the inner flow field structure were concluded.The velocity tendency of the gas flow was also given.

ventilated cavity;flow field structure;PIV;experiment

O235

A

10.3969/j.issn.1007-7294.2016.07.001

1007-7294（2016）11-1355-06

2016-07-15

王 志（1972-），男，博士，高级工程师，E-mail：whvi0@163.com；李 鹏（1987-），男，工程师。