弹头构型对水下射弹表面气泡形态的影响

赵盛炜，赵博，张焕好，吕续建

（南京理工大学 a.瞬态物理国家重点实验室 b.能源与动力学院，南京 210094）

射弹在空气中容易实现高速飞行，但水的密度远高于空气密度，射弹在水下航行时很难实现高速运动。射弹在水下航行时，因其受到水的阻力较空气阻力更高，航行阻力阻碍射弹提高航行速度和增大航行距离，从而产生额外能源消耗。水下航体所受的阻力主要由压差阻力和黏性阻力组成，黏性阻力约占总阻力的90%，故对于水下射弹，想要提高有效射程和射击精度，首要目标就是降低黏性阻力。巨大的阻力不仅意味着射弹需要携带更多的燃料来克服阻力影响，同时也导致了自身有效载荷的减小。弹头构型的不同，能够改变弹体外部液体边界层的状态，减小射弹航行阻力，优化射弹性能。因此，研究不同弹头构型对水下射弹减阻效果的影响，对水下射弹的性能有十分重要的意义。早在苏联时期，许多苏联院校和科研机构就建设了多功能水池，并对在自由飞行和约束情况下的飞行体开展了试验研究与分析。哈尔滨工业大学的郭建明、金大桥等也开展了水下射弹的试验研究，并分别对水下航行体的形体结构进行了优化设计和可靠性分析。

对于水下航行体来说，通过射弹内部供气，使高压气体通过微孔材料孔隙喷出，形成覆盖在航行体表面的气泡层，减小弹体与流体之间的摩擦力，是目前研究的热点之一。本文采用微气泡减阻的方式，微气泡减阻是指在射弹内部的通气，高压气体通过射弹表面微孔材料的孔隙喷出，向液体边界层喷入微小气泡，进而减小气液界面介质密度和改变边界层内湍流结构，从而达到减小射弹表面摩擦阻力的目的。早在 19世纪，对于水下航行体“空气润滑减阻”的概念就已被提出，但受技术和理论水平的限制，这个概念并未得到验证与实施。直到20世纪60年代后，采用空气进行润滑减阻的方法才取得实质性的试验进展，并得以实施。国内对于微气泡减阻的研究起步较晚，参考相关文献可知，国内研究大多采用数值模拟的方式进行，主要研究水下航体所采用的通气量和通气方式对微气泡减阻效率的影响，而对微气泡流形态变化的研究很少涉及，并且对微气泡减阻机理的研究也很少。试验研究表明，采用微气泡润滑的减阻方式，减阻效果可达20%～80%，减阻效率受通气压力、来流参数、气泡尺寸和航行体形体结构等因素的影响，减阻因素众多，机理复杂。

本试验以微孔材料作为通气结构，针对不同弹头构型对水下射弹减阻特性的影响进行研究。对于平台锥形弹头，研究分析了相同来流速度和通气压力条件下的微气泡形态变化。随后对不同构型弹头，利用高速摄像机记录下相同来流和通气压力下的微气泡形态，进而对比分析不同弹头构型对射弹减阻率的影响。

1 试验系统与模型参数

水下射弹气膜减阻试验装置和试验模型如图1和图2所示。由图1可见，试验系统包括水洞系统、供气系统以及高速摄像。高速水洞系统主要由试验段、驱动段、收缩段以及调控系统组成。试验段截面的宽度为0.4 m，深度为0.5 m，长度为1.4 m，最大流速为2 m/s。为了使水高速流过射弹后，对弹表面的影响较小，在射弹尾部设计了流线型的尾流罩与翼型支撑架，并通过固定板将射弹固定在高速水洞中，如图2所示。供气系统通过高压软管与气膜减阻弹连接。调控系统由电机和控制器组成，可以实现对试验水洞流速的控制。

图1 试验装置Fig.1 Test device: a) schematic diagram of the water tunnel; b) schematic diagram of the water tunnel test system

图2 气膜减阻弹试验装置现场Fig.2 Picture of the experimental device for the gas film drag reduction bomb

水下多孔材料气膜减阻弹的弹头构型及试验模型安装效果如图3所示。为了研究不同弹头构型对多孔材料壁面微气泡形态的影响，图3a给出了不同的弹头构型，除了平台弹头的长度不同外，其余弹头构型的长度均一样，但锥度不同，其锥度分别为0°、43.6°、33.4°、22.6°、11.4°。它们安装后的效果如图3b所示。另外，射弹的弹身长度为180 mm，弹径为60 mm。微孔材料的孔径为7倍径材厚度，多孔覆盖面积在25%~30%。由于气体注入弹表面过程中伴随着气液两相相互掺混等复杂的流动现象，因此采用860 fps的高速摄像机采集图形。试验过程中，水洞中水深为0.4 m，弹体模型架设在水洞的中心轴上，水温为15 ℃。为保证水质清澈，试验前对水进行过滤处理。试验中来流速度通过高速水洞水流速度调节器进行控制调节，弹体内部的气体压力通过高压气瓶的控制阀进行控制调节。

图3 试验模型Fig.3 Test model: a) different warhead models; b) installation renderings of the warhead model

2 结果与讨论

2.1 不同通气压力

高速水流状态下，不同通气压力对平台锥形弹头多孔材料表面微气泡流状态的影响如图4所示。可见，因重力的影响，下层水介质的压力高于上层。在通气初期，只在弹体上侧表面形成了大量的微气泡。随着通气压力的持续增加，当通气压力克服弹体下侧表面的水压，在回旋体的下侧表面开始形成微气泡，直到整个回旋面上均形成微气泡。此后，随着通气压力的持续增大，可以看到在多孔材料的前缘区域开始形成大气泡。此时，大气泡将弹体表面进行包裹，有效地提升了减阻效率。

图4 不同通气压力情况下平台锥形弹头的多孔材料表面微气泡流状态Fig.4 The state of micro bubble flow on the porous material surface of the platform conical warhead under different ventilation pressure

2.2 不同流速

同一通气压力时，不同水流速度对平台锥形弹头多孔材料表面微气泡流状态的影响如图5所示，水流速度控制在0.5~2 m/s。由图5可知，随着水流速度的增大，多孔材料前缘区域仍有大量的气泡形成，且气泡的尺度也较椭圆尖头弹的情况要大。此外，随着流速的持续增大，在弹头区域的边界层上还会出现微气泡，且该处微气泡的密度随着水流速度的增加而增大。相对于椭圆尖头的弹头，平台锥形头能更有效地在多孔材料表面形成大气泡。由此可知，弹头构型对多孔材料表面微气泡流的状态具有重要的影响。

图5 不同通气水流速度下平台锥形弹头的多孔材料表面微气泡流状态Fig.5 The state of micro bubble flow on the porous material surface of the platform conical warhead under different ventilation water flow velocities

2.3 不同弹头构型

同一流速和通气压力时，不同锥形弹头下弹体表面的微气泡流的状态如图6所示。由图6可见，弹头的锥度对微气泡流状态具有重大的影响。对于平头弹，微气泡流在弹头上侧，融合形成了一个液气界面清晰的透明空泡，且透明空泡的外表层附着有大量细碎的微小气泡。这些微小气泡仍存在剧烈的脉动，导致气液混合，降低了空泡边缘处界面的透明性。

图6 弹头构型对弹体气泡流状态的影响Fig.6 Influence of warhead configuration on the state of bubbly flow in the projectile

气膜覆盖在固体表面，随着平头锥度的增加，头部气膜逐渐消失，因此降低了减阻效果。然而，当平台锥度为33.4°时，在多孔材料的前缘开始形成多个气泡（见图6d），将回转体弹丸表面覆盖。随着锥度的继续增加，覆盖面积随之增加，因而具有更佳的减阻效果。另外，当平台锥度为43.6°时（见图6e），气膜的上侧边缘非常光滑，下侧边缘内部还存在较多的气液融合界面，由此推断存在一个最佳的锥度使气膜的覆盖面积达到最大，减阻效果最好。

为了对气膜内部结构进行详尽分析，图7给出了多孔材料前缘流场的局部放大形貌。随着通气压力的进一步增加，离散的微气泡逐渐融合，并逐渐发展成一个透明的大空泡，将整个航行体进行包裹。该通气压力下，仅在负攻角情况下水下射弹尾部有所沾湿，并且射弹尾部沾湿的区域随着安装攻角的增加而增大，在射弹尾部沾湿区域，仍有一些并未相互融合的离散微气泡存在。

图7 弹头气泡流状态的局部放大图Fig.7 A partial enlarged view of the bubble flow state of the warhead

不同头部形状时，弹体表面的气泡状态如图8所示。由此可见，针对锥头为43.6°时，即使头部未形成大的空泡，但其材料表面上的微气泡尺度与厚度均大于椭圆尖头构型形成的微气泡。由此可知，弹头构型对材料表面的微气泡具有重要的影响。

图8 2种弹头形成的微气泡对比Fig.8 Comparison of microbubbles formed by two warhead:a) warhead configuration with Elliptical pointed; b) warhead configuration with taper of 43.6°

3 结论

通过试验研究弹头构型对多孔材料表面微气泡流动状态的影响，发现弹头的锥度对多孔材料表面微气泡流状态具有重要影响。

1）对于平台锥形弹头，随着弹体内通气量的增加和来流速度的增大，相较于椭圆尖型弹头，在水下射弹的前缘区域更易形成大气泡。

2）对于平头弹，离散的微气泡在弹头上侧发生相互碰撞、融合，形成水液界面清晰的大空泡。但由于空泡外表层附着有大量细碎气泡，从而导致空泡气液界面受附着气泡影响，存在剧烈的脉动，降低了空泡边缘处界面的透明性。

3）随着平头锥度的增加，头部气膜逐渐消失，当锥度大于33.4°时，多孔材料的前缘区域又开始形成多个大气泡，其对回转体弹丸表面覆盖面积随着锥度的继续增加而增大。当锥度为43.6°时，气膜的上侧边缘非常光滑，下侧边缘虽然内部还存在较多的气液融合界面，但其已能将材料头部的整个回旋面进行包裹。