流体动力学理论基础流体动力学理论基础 超空泡减阻技术超空泡减阻技术 哈尔滨工业大学航天学院哈尔滨工业大学航天学院 20142014年年4 4月月 © 2014 HIT 13-2 库尔斯克号沉没 l俄罗斯核潜艇 l 1994年5月下水，造价10亿美元 l 长150米，宽18.2米，高13.1米 l 独特的双壳艇身和9个防水隔舱 l 2000年8月沉没 l 118人遇难 © 2014 HIT 13-3 伊朗试射超级鱼雷 l 2006年4月，伊朗大规模军演 l 超级鱼雷“鲸” l 水下运动速度约193.9节 l 击中靶艇 © 2014 HIT 13-4 研究意义 © 2014 HIT 13-5 研究意义 © 2014 HIT 13-6 超空泡减阻机理 © 2014 HIT 13-7 研究意义 “暴风”超空泡鱼雷 © 2014 HIT 13-8 研究意义 “暴风”超空泡鱼雷 © 2014 HIT 13-9 研究意义 © 2014 HIT 13-10 研究意义 美国正在研制的超空泡鱼雷原理图 © 2014 HIT 13-11 研究意义 美国正在研制的超空泡鱼雷原理图 © 2014 HIT 13-12 超空泡鱼雷结构 1 空化器 2 通气口 3 导引系统 4 推进及通气系统 5 尾翼 © 2014 HIT 13-13 研究意义 美国RAMICS机载超空泡射弹 © 2014 HIT 13-14 研究意义 © 2014 HIT 13-15 研究意义 美国RAMICS机载超空泡射弹 © 2014 HIT 13-16 研究意义 Ø 利于稳稳定飞飞行的尾翼 Ø 标标准 GAU-8 弹药弹药 筒 Ø 接口兼容 Mk44/Bushmaster II 30mm链链炮 Ø 弹弹丸质质量：0.55 lb (250 g) Ø 弹弹丸长长度：7.5 inches (190.5 mm) © 2014 HIT 13-17 研究意义 美国AHSUM水下超空泡射弹 © 2014 HIT 13-18 研究意义 美国AHSUM水下超空泡射弹试验方案 © 2014 HIT 13-19 研究意义 美国AHSUM水下超空泡射弹试验照片 © 2014 HIT 13-20 研究意义 德国“棱鱼” 超空泡导弹 © 2014 HIT 13-21 研究意义 德国“棱鱼” 超空泡导弹 © 2014 HIT 13-22 研究意义 德国“棱鱼” 超空泡导弹 © 2014 HIT 13-23 研究意义 l 超空泡导弹 l 超空泡水雷 l 超空泡运输艇 l 超空泡潜艇 l 潜射超空泡武器 l …… 超空泡武器的未来发展 © 2014 HIT 13-24 空化器设计 © 2014 HIT 13-25 空化器设计 圆盘空化器 © 2014 HIT 13-26 通气超空泡的生成与控制 l 通气的作用：形成空泡、维持空泡 l 通气系统的组成 l 通气规律的研究 © 2014 HIT 13-27 通气超空泡的生成与控制 © 2014 HIT 13-28 通气超空泡的生成与控制 通气角度的影响 ： © 2014 HIT 13-29 通气超空泡的生成与控制 V = 8.9 m/s 重力的影响： © 2014 HIT 13-30 通气超空泡的生成与控制 通气超空泡的形态： © 2014 HIT 13-31 空泡稳定性与控制技术 l 通气不稳定性 l 自由剪切层不稳定性 l 气泡振荡 © 2014 HIT 13-32 空泡稳定性与控制技术 通气不稳定性主要与通气率和自然空化数有 关，Parishev等应用线形稳定性理论对轴对 称空泡进行了研究，认为通气超空泡的主要 动力学特性取决于无量纲参数 © 2014 HIT 13-33 空泡稳定性与控制技术 自由剪切层的不稳定性在两种互不渗透液体 通过一个界面进行接触时发生，当两种介质 在界面处的相对速度较大时更为明显。
应用 线性稳定性理论得到自由剪切层稳定性要求 如下 © 2014 HIT 13-34 空泡稳定性与控制技术 气泡振荡不稳定性是由于环境压力的波动而 引起的Parishev运用Logvinovich独立性原 理将空泡界面描述为一系列独立的界面得 到迟滞量与欧拉数、空泡数和空泡内气体的 绝热指数之间的函数表达式 © 2014 HIT 13-35 带空泡航行体的稳定性技术 l 浮力缺失 l 升力集中于空化器和尾舵 l 尾部滑行力或尾拍力的存在 © 2014 HIT 13-36 带空泡航行体的稳定性技术 © 2014 HIT 13-37 带空泡航行体的稳定性技术 超空泡内弹体处于平衡位置 超空泡内弹体尾部上摆超空泡内弹体尾部下摆 © 2014 HIT 13-38 带空泡航行体的稳定性技术 超空泡射弹入水过程 © 2014 HIT 13-39 带空泡航行体的稳定性技术 超空泡射弹结构破坏状态 © 2014 HIT 13-40 带空泡航行体的稳定性技术 主动控制是首先对航行体的姿态进行实 时监控，再利用主动调控设施（调整喷气量 和喷射方向，调整空化器攻角等等）产生反 馈的闭环控制系统 © 2014 HIT 13-41 带空泡航行体的稳定性技术 被动控制指的是依赖航行体设计阶段进 行的适当的流体动力布局及若干非人工控制 的稳定措施来保证运动稳定性的控制方法， 如空化器、模型弹身及尾翼等的形态及流体 动力的设计。
© 2014 HIT 13-42 超空泡技术试验研究进展 l 乌克兰/俄罗斯 l 美国 l 德国 l 国内 © 2014 HIT 13-43 超空泡技术试验研究进展 俄罗斯和乌克兰的超空泡研究工作实 为一体，多数超空泡试验都在乌克兰进行 俄罗斯莫斯科大学数学力学系流体力学 教研室、莫斯科大学力学研究所以及中央 空气、水动力学研究院、乌克兰科学院流 体力学研究所等部门开展了超空泡问题的 试验研究 © 2014 HIT 13-44 超空泡技术试验研究进展 莫斯科大学的主要试验设备是大型高 速水洞乌克兰科学院流体力学研究所具 有多个大型超空泡试验设备，其中一个多 功能的水利试验台，主要进行小模型的约 束模弹射或自推力飞行试验；在1986年建 成的高速开路型水洞，最大水流速度32m/s ，是其最主要的试验装置 © 2014 HIT 13-45 超空泡技术试验研究进展 通过大量的试验，获得了不同模型和 空化器下超空泡的形态、通气及稳定性规 律，设计出一系列可以调节升力和阻力系 数值的不同类型的空化器；试验还得到了 30~140m/s下自然及通气超空泡的试验数据 ，并通过40~1300m/s速度下的高速射弹实 验总结出轴对称超空泡形态和尺寸的计算 公式等。
© 2014 HIT 13-46 超空泡技术试验研究进展 美国从20世纪五十年代开始高速推进 器和水翼方面的超空泡研究，目前主要致 力于发展超空泡高速射弹和超空泡鱼雷两 类超空泡武器，其中机载快速灭雷系统（ RAMICS）已于1995年研制成功，该系统 用20mm的超空泡射弹，可穿透水下15m处 的水雷 © 2014 HIT 13-47 超空泡技术试验研究进展 美国水下武器作战中心进行了系列的 通气超空泡的流场特性试验研究试验以 水洞试验和约束飞行试验为主，约束飞行 试验在大型拖曳水池中进行，拖曳水池长 878m、宽7.3m、深3.7m，最大拖曳速度可 达21m/s © 2014 HIT 13-48 超空泡技术试验研究进展 ARL试验室和宾州大学研制了超空泡射 弹模型，美国水下武器作战中心研制开发 了自由航行的高速水下武器系统为了测试 AHSUM的性能，美国水下武器作战中心在 ARL实验室位于马里兰州阿伯丁市的特大 试验水池中进行了自由射击试验 © 2014 HIT 13-49 超空泡技术试验研究进展 德国早在第二次世界大战期间德国就 开始了超空泡的理论与实践研究为了完 成超空泡射弹和超空泡火箭武器的研制， 启用了两个主要的试验场地。
德国南方第 52技术中心的垂直水洞，水深60米，直径5 米，可以研究空泡与深度的关系及气体发 生器的性能 © 2014 HIT 13-50 超空泡技术试验研究进展 梅尔多夫水下试验靶场，试验场配有 由磁探头组成的传感器场，可跟踪水下火 箭的弹道和速度；沿着试验场地设置着大 量的普通电视摄像机，以观察火箭排气的 轨迹 © 2014 HIT 13-51 超空泡技术试验研究进展 国内从上世纪六、七年代开始了空化与 空蚀问题的研究，当时以研究水翼、螺旋桨 等水下物体的空化噪声和空蚀等为主上世 纪八、九十年代，开始研究水下物体局部空 泡的稳定性和升、阻力特性，空泡对水下兵 器的水动力特性影响、带空泡航行体的水下 弹道以及出水冲击等问题 © 2014 HIT 13-52 超空泡技术试验研究进展 l 水洞试验 l 拖曳水池试验 l 约束飞行试验 l 自由飞行试验 © 2014 HIT 13-53 通气超空泡特性的水洞试验 l 主要试验设备及仪器 – 中速水洞 – 数码摄像系统 – 外置通气系统 – 流体动力测量系统 – 试验模型 © 2014 HIT 13-54 通气超空泡特性的水洞试验 © 2014 HIT 13-55 通气超空泡特性的水洞试验 © 2014 HIT 13-56 通气超空泡特性的水洞试验 气 源 图像记录系统 水洞工作段实验模型 通气控制系统测力系统 压力传感器 水洞收缩段水洞扩散段 支路1 © 2014 HIT 13-57 通气超空泡特性的水洞试验 水洞实验的阻塞效应：模型的阻塞比（ 模型最大截面的面积与水洞工作段截面 的面积之比)若过大，水洞边界会对试验 结果产生较大影响。
形成超空泡相当于 增大了模型最大截面的面积，对于水洞 模型直径要求更高 © 2014 HIT 13-58 通气超空泡特性的水洞试验 水洞试验模型： © 2014 HIT 13-59 通气超空泡特性的水洞试验 水洞试验模型的支撑方式： l 尾支撑 l 前支撑 l 腹支撑 © 2014 HIT 13-60 通气超空泡特性的水洞试验 © 2014 HIT 13-61 通气超空泡特性的水洞试验 © 2014 HIT 13-62 通气超空泡特性的水洞试验 © 2014 HIT 13-63 通气超空泡特性的水洞试验 l 实验内容 – 采用不同实验模型 – 调节流场参数和通气参数 – 观测超空泡形态发展过程 – 测量超空泡航行体模型受力 © 2014 HIT 13-64 通气超空泡特性的水洞试验 © 2014 HIT 13-65 通气超空泡特性的水洞试验 © 2014 HIT 13-66 通气超空泡特性的水洞试验 l 通气空泡的形成过程 © 2014 HIT 13-67 通气超空泡特性的水洞试验 l 空化器直径对通气超空泡形态的影响 © 2014 HIT 13-68 通气超空泡特性的水洞试验 l 空化器直径对通气超空泡形态的影响 © 2014 HIT 13-69 通气超空泡特性的水洞试验 l 空化器直径对通气超空泡形态的影响 © 2014 HIT 13-70 通气超空泡特性的水洞试验 l 空化器线形对通气超空泡形态的影响 © 2014 HIT 13-71 通气超空泡特性的水洞试验 l 空化器线形对通气超空泡形态的影响 © 2014 HIT 13-72 通气超空泡特性的水洞试验 l 空化器线形对通气超空泡形态的影响 © 2014 HIT 13-73 通气超空泡特性的水洞试验 l 空化器锥角对通气超空泡形态的影响 © 2014 HIT 13-74 通气超空泡特性的水洞试验 l 弗劳德数对通气超空泡形态的影响 © 2014 HIT 13-75 通气超空泡特性的水洞试验 l 弗劳德数对通气超空泡形态的影响 © 2014 HIT 13-76 通气超空泡特性的水洞试验 l 弗劳德数对通气超空泡形态的影响 FrAB 20.4222.9218.11 29.16150.6712.11 34.99291.2423.25 43.74625.6731.75 © 2014 HIT 13-77 – 压差阻力 。