通气协助航行体出水流动实验研究

杨 茂，王涵瑞，邹志辉，沈 乐，李 洋， 吴 斌，蒋运华，刘红松

(1.中山大学 海洋工程与技术学院,南方海洋科学与工程广东省实验室(珠海), 广东 珠海 519000； 2.重庆长安工业(集团)有限公司, 重庆 401120)

1 引言

航行体水下发射涉及复杂海洋环境下变深度航行、穿越气水界面等复杂流动与水动力过程。航行体在这些复杂流动与水动力过程，尤其在出水过程存在空泡溃灭导致的强大非对称载荷容易导致弹道失稳[1-3]。人工主动通气是通过人为的办法主动通入非凝结气体形成气幕包裹航行体，可用于协助航行体出水来一定程度减缓非对称载荷。前期学者对人工主动通气空泡开展了丰富的研究。

蒋运华等[4-6]对气射流空化器进行水洞实验，观察了通气空泡的形成、稳定和脱落的过程，发现不同通气率下不同的空泡形态，即气泡流、稳定空泡、不稳定空泡和射流空泡，这是由于随着通气量的增加，气体射流从势流核心区转向湍流区的结果。根据实验数据，给出了气体射流长度、最大空泡直径、空化数、弗劳德数和通气系数等无量纲参数的关系。并对不同外形的航行体阻力与流动特性进行实验研究。结果表明，阻力系数很大程度取决于模型外形。邹志辉等[7]研究航行体穿越气液界面之后，射流形成的空泡壁面由于黏性剪切流动存在显著的K-H失稳，开口空泡深度、空泡直径和射流长度随喷气系数呈线性增长。李洋等[8]探究水下通气空泡包裹水射流的流动特性及相关影响因素，结果表明，通气空泡的包裹可以增加水射流流程，空泡的变化具有周期性。Liu[9]探究了局部空泡随着弗汝德数及通气率的变化，分别呈现透明型空泡、半透明水气混合型空泡及水气混合型空泡。Semenenko[10]总结了空泡的3种泄气模式，即双涡泄气、回射流涡环泄气及空泡振荡泄气。New等[11]将射流孔附近的旋涡结构归纳为剪切层涡、马蹄涡、反向旋转涡对、尾迹涡等结构。仇洋[12]研究表明双环排气下，适当增加排气环间距，航行体表面压力变化趋缓，但间距过大变化反而加剧。马贵辉[13]开展了等压排气改善航行体出水特性及稳健性的机理研究。探讨了排气结构参数影响等压排气特性的机制。排气气膜降低了航行体迎、背水面的压差，从而削弱了航行体横向载荷及俯仰力矩对随机平台速度的敏感性，达到改善航行体出水特性及稳健性的效果。任泽宇等[14]基于减压水下航行体运动平台，探究了弗汝德数和空化数对空泡发展和溃灭过程的影响。卢佳兴[15]的研究表明充足含气量和较高的泡内压下，出水空泡溃灭过程不会在航行体表面产生冲击。段磊[16]揭示了流动处于不同流型时空泡尾部的非定常流动特性与机理，获得了自由液面与通气空泡相互作用的特性。本文主要开展较大通气量下人工通气协助航行体出水实验研究。

2 实验装置与模型

实验所用航行体水下航行及出入水运动平台如图1所示，平台主要由水箱、运动系统、数据采集系统与通气系统组成。运动系统由同步带模组、运动控制器、高速电机、运动滑块等组成。数据采集系统由高速摄像机、LED灯阵列光源与FPV数据采集软件等组成。高速摄像机型号为PhotronFastcam Mini AX200，实验采用分辨率为1 024×1 024，采样频率为6 400帧/s。通气系统由供气系统和流量调节系统两部分组成，供气系统包括空压机、压力计、调压阀、储气罐与高压输气管等组成；流量调节系统包括转子流量计、电磁阀、同步控制器，气体流量计选用Darhor的FA-15AIR，全刻度度数为18 m3/h，电磁阀属于两位三通式。

图1 实验装置示意图Fig.1 Schematic showing of the experimental setup

该实验中，航行体由圆柱主体段和头部段组成，如图2所示。材质是表面经过抛光处理的铝。

图2 实验航行体模型示意图Fig.2 Experimental model and definition of main parameters

3 实验结果

3.1 水下通气空泡流动特性

图3给出了在相同弗汝德数和2种不同通气系数下，通气缝协助航行体出水实验中，水下航行阶段空泡发展形成和演化过程的图像。从图3(a)可以看出，通气量较小的情况下，通气空泡在出水之前，空泡还未成型便到达了自由液面。对于图3(b)，在通气量较大的情况下[相对于图3(a)]，气体沿径向喷出，受到来流的作用沿航行体下游拓展。同时气层与水层相互作用，发生动量交换,并伴随着气液间的混合形成了空泡表面各处离散气泡和不均匀的褶皱，这种不同流体之间，因为速度不同引起的不稳定现象与K-H不稳定状态一致[17]。随着气体从通气缝内不断排出，在足够气量之后，空泡在长度和宽度上趋于稳定，多余的气体通过尾部泄流的方式排出空泡，形成较为稳定的通气空泡，见图3(b)。

图3 不同通气系数下水下通气空泡演化过程示意图Fig.3 Evolution process of underwater ventilated cavity under different ventilation coefficients

为了定量探究通气流量对通气空泡的影响，图4给出不同通气系数下空泡长度随时间的变化关系，以航行体开始运动为0时刻。在通气量相对较大时(如CQs=0.69)，气体排出模型空腔内水的速度较快，在航行体开始运动前就有空泡的生成与发展，因此在图4和图5中，0时刻前有空泡尺寸的数据。对于不同的通气系数，长度变化基本一致。如图4所示，以Fr=7.4,CQs=0.69工况为例。通气空泡发展初期，存在较大尺度的空泡脱落；之后通气空泡长度随着气体的注入及航行时间的增加而增加，空泡处于稳定的发展阶段。在形成较稳定的通气空泡之后，空泡的尾部依旧存在脱落导致的空泡长度一定程度的剧减。随着气体的不断注入，空泡长度继续增长，但此时空泡形状已经基本稳定，直至空泡开始穿越水界面。

图4 不同通气系数下空泡长度变化关系图(Fr=7.4)Fig.4 Variation of the cavity length under different ventilation coefficients(Fr=7.4)

图5 不同通气系数下空泡直径变化关系图(Fr=7.4)Fig.5 Variation of the cavity diameter under different ventilation coefficients(Fr=7.4)

对于空泡直径的变化，如图5所示，空泡发展初始阶段，其增长速率较大，但直径与长度变化相似，依旧存在空泡脱落导致的急剧减小。与长度一样，随着通气系数增大，在空泡稳定成型后的直径增加，空泡成型的时间越早。

3.2 出水空泡流动特性

图6给出了不同通气系数下通气缝通气航行体穿越气水界面时空泡形态的演化过程。在航行体头部刚出水时，水面在航行体附加质量的影响下形成较小的“水冢”[12][如图6(a)(3)]。随后航行体肩部即通气缝到达水平面，形成的“水冢”现象更加明显[如图6(a)(4)]，空泡仍维持其完整性。此后空泡开始穿越气水界面，在通气缝径向离心排气的作用下，空泡提前发生主动溃灭[如图6(a)(6)]，航行体肩部即空泡顶部形成一圈圆形开口，圆心是航行体纵轴线与开口平面的交点。顶部水层在气体动量的传递下，沿着横截面径向向外辐射式展开，在水上空泡中间部分形成了一圈较窄开口。在自然空化出水中，航行体表面往往附着大量液体，这些液体拍击航行体表面造成一部分溃灭压力，而通气缝主动通气出水中，气体使水层沿径向离心运动，改善了液体拍击航行体的现象。在完全打开的空泡下，航行体继续完成出水。在较大的通气系下,如图6(b)所示。航行体表面没有受到来自空泡水层破灭带来的拍击，且空泡壁面均匀光滑。

图6 不同通气系数下通气空泡出水演化过程示意图Fig.6 Selected images of vehicle water exit ventilated cavity under different ventilation coefficients

图7—图10给出了定量的出水空泡几何特性，以航行体顶部到达自由液面为0时刻。当通气系数较小时(CQs≤0.39)，随着通气系数增加，空泡在自由液面上的直径D1,D2增加明显,如图7和图8所示。

图7 不同通气系数下D1随时间变化关系图(Fr=5.5) Fig.7 Variation of the D1 under different ventilation coefficients(Fr=5.5)

图8 不同通气系数下D2随时间变化的关系图(Fr=5.5)Fig.8 Variation of the D2 under different ventilation coefficients (Fr=5.5)

如图9和图10所示，不同通气系数下，空泡在水面处的开口直径D3和高度H随着通气系数增大而增大。通气空泡穿越气水界面后期，由于空泡自身独立发展过程，水面开口空泡的尺度也相应呈现略微收缩的趋势。

图9 不同通气系数下D3随时间变化的关系图(Fr=5.5)Fig.9 Variation of the D3 under different ventilation coefficients (Fr=5.5)

图10 不同通气系数下H随时间变化的关系图(Fr=5.5)Fig.10 Variation of the H under different ventilation coefficients (Fr=5.5)

4 结论

开展了较大通气量下通气缝协助航行体出水实验，分析了水下空泡与出水空泡流动特性，得到如下结论：

1) 当通气系数到达一定值时，在充足的通气量作用下可以使水层拍击航行体现象减弱甚至消失。

2) 航行体水下航行阶段，空泡长度和直径均随着通气系数的增加而增大。

3) 航行体穿越气水界面阶段，在较小通气系数下，通气量对空泡水上水层的直径和高度都有明显影响，但通气系数增加到一定程度时，其影响减弱。