前沿技术讲座(空泡减阻技术)ppt课件.ppt

超空泡减阻技术简介,船舶与海洋工程前沿技术讲座,主讲人：张学伟,Harbin Engineering University,库尔斯克号沉没之谜,俄罗斯“库尔斯克”号多用途战役导弹核潜艇是由俄“王牌”武器设计局“红宝石”设计局设计的，潜艇上的许多设计方案都是世界上独一无二的。该艇由俄北德文斯克造船厂制造，1994年5月下水，1995年1月正式加入俄北方舰服役，为“奥斯卡”级核潜艇，是俄海军最新的战略核潜艇之一，也是当今世界最大的核潜艇之一，造价10亿美元的库尔斯克号核潜艇，是俄罗斯最先进的防御武器。它有两座核反应堆，潜艇长150米，有6层楼高，体积达到了大型喷气式客机的两倍以上。库尔斯克号拥有独特的双壳艇身和9个防水隔舱，即使被鱼雷直接击中也不会沉没。2000年8月12日上午，一阵猛烈的爆炸发生在库尔斯克号上，这场危机为什么发展得如此之快，竟使潜艇来不及浮出水面？为什么没有人生还？,伊朗试射神秘潜射导弹,2006年4月2日，伊朗在波斯湾海域举行大规模军演时发射一枚名为“鲸”（波斯语“胡特”）的高速鱼雷。该鱼雷从一艘水面舰艇上发射，入水后以极快的速度（100米/秒）成功击沉一艘靶舰。从该鱼雷的外形、速度、发射尾焰和气泡轨迹来看，都与俄罗斯的“暴风”超空泡鱼雷相似。专家普遍认为，这是一种超空泡鱼雷，由此也引发世人对超空泡武器的关注。,超空泡减阻技术主要内容,超空泡中的基本概念超空泡中的关键技术超空泡技术的研究方法,超空泡中的基本概念,超空泡现象概述超空泡发展过程超空泡形成方法超空泡减阻技术,空化概念,液体绕物体快速运动时压力会下降，这一规律瑞典科学家伯努利在1895 年就发现了，这就是今天流体动力学上的“伯努利定律”。随着速度的增加，当液体压力等于水蒸气压力时，液体便由水相变为气相，形成水蒸气。空泡会使水流发生畸变，从而损失水泵、涡轮水翼和推进器的使用效率，还可能导致强冲击波的出现，引起金属面的腐蚀。舰船设计师经常要与制造麻烦的空泡打交道，试图避免出现空泡现象，如将船体设计成流线型等。,空化对于水利机械的影响,插入空化影响图片,超空泡技术概述,当航行体与水之间发生高速相对运动时，航行体表面附近的水因低压而发生相变，形成覆盖航行体大部分或全部表面的超空泡。形成超空泡之后，航行体将在气体中航行，由于航行体在水中的摩擦阻力约为在空气中摩擦阻力的850倍，因此，超空泡技术的应用可以使水下航行体的摩擦阻力大幅减小，从而使鱼雷等大尺度水下航行体的速度提高到100m/s的量级，使水下射弹等小尺度水下航行体的航速提高到1000m/s的量级,超空泡发展过程,当航行体在流体中高速运动时，航行体表面的流体压力就会降低，当航行体的速度增加到某一临界值时，流体的压力将达到汽化压，此时流体就会发生相变，由液相转变为汽相,这就是空化现象。随着航行体速度的不断增加，空化现象沿着航行体表面不断后移、扩大、进而发展成超空化。其发展过程一般可以分为四个状态：游离型空泡、云状空泡、片状空泡和超空泡。,水翼表面产生的空泡形态,导弹表面产生的空泡形态,超空泡形态特性,超空泡形成方法,超空泡分为自然超空泡和通气超空泡两种，形成超空泡一般有三种途径： 1）提高航行体的速度； 2）降低流场压力； 3）在低速情况下，利用人工通气的方法增加空泡内部压力。前两种方法形成的为自然超空泡，最后一种方法所得到的就是所谓的通气超空泡。,自然超空泡形态特性,弹体入水时速度最大，空泡数最小，超空泡稍微滞后达到最大尺寸；随着速度逐渐降低，空泡数逐渐增大，超空泡的尺寸逐渐减小；当弹体速度降低到较小值时，超空泡的边界逐渐模糊、蜕化为局部空泡；速度继续降低，则空泡进一步剥离溃灭气泡融入尾流，直至消失。,通气超空泡形态特性,通气开始时在空化器后形成一个有大量气泡组成的游移型空泡，当通气量足够大以至气泡密度达到某一临界值时，游移型空泡转变为椭球形的附着空泡，在附着空泡内部可以看到剧烈的回注射流向前发展并与通入的气体相互作用形成雾状多相流区域，使得附着空泡看上去比较混浊。继续增加通气量使得通气空泡数降低到某一阀值后，空泡长度和厚度突然明显增加，由混浊的局部空泡转变为覆盖模型大部分表面的透明的超空泡。,自然超空泡与通气超空泡区别,需要指出的是虽然通气空泡由超空泡、附着空泡到游移空泡的溃灭过程与生成过程类似，但是两者并非可逆的，溃灭过程与生成过程相比存在滞后效应。如上所述，当局部空泡转变为超空泡时存在某一临界空泡数，与之相对应存在某一临界通气量。所谓滞后效应是指生成过程中形成超空泡所需的临界通气量大于溃灭过程中超空泡消失时的临界通气量。滞后效应的形成原因可能与通气超空泡产生的自激振有关。,现有的减阻技术,脊装表面减阻 起源于仿生学对鲨鱼等鱼类表皮的研究，通过在研究对象外表面加工具有一定形状尺寸的脊状结构，就能达到很好的减阻效果。根据脊状结构的分布规律与流体流速方向的不同，该减阻方法又可分为随性波表面减阻和沟槽表面减阻。微气泡减阻 微气泡减阻是通过某种方式在壁面形成一层薄的微气泡与流体的混合层，改变边界层的内部结构，亦即改变近壁区流体流动的运动学和动力学特性，达到降低摩擦阻力的目的。复合材料减阻 当流体流经疏水表面时产生了壁面滑移，使得边界面上的速度梯度减小，从而减小了边界上的剪切力；由于边界面上的速度梯度减小，推迟了层流附着面流态的转变，使得附着面的层流流态更加稳定，也使得层流边界层的厚度增加；同时疏水表面微凸柱间的流体剖面形状证实了确实存在无剪切空气-水面。,超空泡减阻技术,水下超空泡武器是一种新概念武器，基于这种新概念、新原理设计的水下超空泡武器，其运动速度极高，且不受水声对抗器材的干扰，从而大大提高了水下武器的突防能力。目前，俄罗斯(乌克兰)在超空泡领域的研究处于世界领先地位，但是直到2000年8月俄罗斯最先进的奥斯卡级库尔斯克号核潜艇在演习时发生神秘爆炸，人们才真正了解到俄罗斯正在研制的超空泡技术目前达到的水平。,超空泡减阻发展现状乌克兰/俄罗斯,在前苏联时期，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，中央空气、水动力学研究院以及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。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。乌克兰/俄罗斯的研究人员通过大量的试验，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；得到了30140m/s速度下自然及通气超空泡的试验数据，并通过401300m/s速度下的高速射弹试验总结出轴对称超空泡形态和尺寸的计算公式等。,“暴风”号超高速鱼雷,第一代“暴风”鱼雷的优缺点同样明显，其优点是高速、强打击能力和抗干扰能力；而缺点则是射程短（10公里），只能作直线航行，目标搜寻能力有限，打击敌人的同时，自身潜艇也难以逃脱敌舰的报复。因此第一代“暴风”鱼雷不久就退出了现役。但苏军及其后的俄军一直没有放弃对这种鱼雷的技术改进，改进后的“暴风”鱼雷长8.29m，质量2697kg，头部装有空化器和战斗部，靠火箭动力推进，水下行进速度达到230节，比西方国家最先进鱼雷的速度要快几倍。据报道，俄正在研制配有声纳制导，可以60节速度搜索目标，当发现目标后，以300节高速攻击目标的专用重型超高速鱼雷及速度可达500节的新型超高速鱼雷，这就是第二代“暴风”鱼雷。传言其速度可达720 km/h以上，射程进一步扩大，达100km以上，而且是可以制导的，在加速攻击之前，如果需要可以减速和重新选择攻击。,俄罗斯暴风鱼雷,超空泡减阻发展现状美国,美国从20世纪50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，该系统使用20mm的超空泡射弹，可穿透水下15m处的水雷。,机载快速灭雷系统,超空泡射弹武器系统是一种潜在的有效的反鱼雷近程防御武器系统，其作用类似于“密集阵”近程反导武器系统。目前世界上已接近实用的、唯一的超空泡射弹武器系统是美国正在开发的机载快速灭雷系统（RAMICSRapid Airborne Mine Clearance System）。该系统于1994年开始概念设计，计划2006年开始少量生产，2007年批量生产。美海军将为MH-60R和MH-60S直升机采购44套RAMICS系统。RAMICS系统的各部件构成如上图所示。RAMICS近程武器系统超空泡射弹是一种直升机机载武器，利用它可以消灭水面和近水面水雷。它是平头炮弹，可由一种改型速射炮发射，可以在空气和水中平稳航行。射弹除具有穿透目标的功能外，还释放出一种反应强烈、非炸弹锂高氯酸盐氧化剂，使水雷炸弹迅速燃烧。,超空泡减阻发展现状德国,德国早在第二次世界大战期间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，其一为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。其二为德国南方第52技术中心的垂直水洞，水深60m，直径5m，可以研究空泡与深度的关系及气体发生器的性能。20世纪70年代后，德国主要进行了超空泡射弹和火箭的研究，获得了火箭的稳定的水下弹道，对多种不同的气体发生器进行了试验，并开发了适于超空泡航行体的固体火箭发动机等，目前正在致力于超空泡火箭的制导、控制及发射等方面的研究。,“梭鱼”超空泡水下导弹,“梭鱼”是一种德国试验用超空泡水下导弹，具有全新的速度范围和机动性。最近，德国在MOD北海试验场成功地进行了该导弹水下惯性制导飞行试验，速度超过370km/h。该导弹采用空化器偏转控制，串级滚转-俯仰控制系统直接安装在导弹头锥内，因而导弹具有极高的转弯速率。内部子系统如惯导系统、自动驾驶仪-电子设备、机械设备和声纳部件可以承受较高的过载环境以及强烈振动。由于“梭鱼”导弹具有极高的速度并且采用火箭发动机技术，因此适用于近程水下防御。导弹的高速度、快速反应和高机动性可有效支持水面舰和潜艇的近程防御。,“梭鱼”超空泡水下导弹,超空泡减阻发展现状中国,国内从20世纪六、七十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。20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。以上研究主要针对局部空泡，而超空泡技术的研究最近几年刚刚起步，目前主要在空泡水洞、拖曳水池和射弹试验水槽中进行模型试验，侧重于低速通气超空泡的生成与发展、稳定性和通气规律、升力和阻力特性等超空泡基础问题的研究,超空泡鱼雷基本构造,超空泡鱼雷基本构造,空化器。内部装有传感器，空化器的主要功能是诱导生成空泡，提供升力和姿态控制，可影响航行体的阻力，海水可以通过空化器上的孔道进入航行体内部；通气管口。通过人工通气使空泡伸长并覆盖航行体表面以降低阻力；导引系统。安装有微型传感器，可以进行先进的信号处理、波形优化，收发声纳信号；推进及通气系统。可能采用水反应推进系统，对航行体进行推力矢量控制，利用喷嘴喷射气体以稳定空泡的形态；控制尾翼。大部分表面穿过空泡壁面，提供航行体尾部升力、滚转及姿态控制。尾翼处还可能有海水入口以及制导导线的连接出口。,暴风鱼雷,暴风鱼雷基本构造,理论上该鱼雷可使用普通鱼雷发射器发射，如图所示，鱼雷发射后依靠机身上的4个机翼保持平衡。鱼雷壳体由尾部至头部逐渐变细。头部装有战斗部，尾部中心为大口径固体火箭发动机喷管，周围有8个小型圆柱形启动火箭，它们将“暴风”加速到超空泡速度，然后主发动机开始工作。在尾部还有1个制导导线线轴，当鱼雷在水中运行时释放出导线，该导线被用来控制鱼雷的运动及战斗部的引爆。鱼雷头部是极重要的空泡发生器（即空化器），它呈圆形或者椭圆形平盘状，向前倾斜形成一定的攻角，以产生支持雷体前部的升力。紧靠空化器后面是几个环状通气管，它将火箭排气注入空穴气泡以使其涨大。航行时首先由平盘式空化器产生局部空泡，然后由通气管向局部空泡注入气体，使之膨胀成为超空泡。,暴风鱼雷基本构造,“暴风”号超空泡鱼雷在200节高速下运行时会使其机体产生巨大的流体动力负载，如对机体结构和控制部件产生影响的振动负载，需要设计出专用的鱼雷部件以消除这些负载。达到超空泡速度需要很大的能量，为实现火箭的最大航程必须燃烧有最大比推力的高密度燃料。在对多种动力装置进行比较之后，俄罗斯专家的结论是：只有燃烧金属燃料（铝、锰或锂），并利用海水作为氧化剂与燃烧生成物的冷却剂的高效燃气轮机或喷气推进系统，才是推进超空泡航行器实现最高速度的最佳途径。,超空泡技术中的关键问题,空化器设计技术 通气控制技术 超空泡形态稳定性技术 超空泡运动和动力稳定性技术 超空泡数值模拟技术,空化器设计技术,空化器是超空泡试验模型中最重要的组成部分。它一方面在模型头部的流场中产生一个较大的负压峰值，使空泡易于发生，另一方面非流线形的空化器一旦产生空泡, 空泡便总是起始于空化器的最大圆周处,有利于获得稳定和确定的空泡形态。传统的典型空化器主要是圆盘或圆锥空化器。,圆盘空化器,圆锥空化器,空化器对超空泡长度和厚度的影响,空化器参数：空化器直径，空化器线形,空化器对阻力特性的影响,为了探索空泡的减阻机理，将总阻力系数分为压差阻力系数和粘性阻力系数两部分，分别对应于图中的曲线“total”、“pressure”和“viscous”。从图中可以看到：随着空泡数的减小，物体表面压差阻力系数增大，而摩擦阻力系数减小。前者是由于空泡厚度增加，使物体的形状阻力增加；后者是由于通气引起的流体密度降低。当Lc/L00.3 之后，粘性阻力系数降低的幅度高于压差阻力系数增加的幅度，总阻力系数曲线从原来的上升趋势变为下降趋势,这与实验基本上是一致的。,Lc/L0,阻力系数,空化器攻角影响,轴线变形,数值模拟结果,新型空化器,通气控制技术,在水洞试验研究中，靠提高流体的速度和降低工作段压力来降低空泡数使空化器自身产生超空泡很难实现，必须辅以向局部空泡内通气的方式来增加空泡内压力，从而降低空泡数形成通气超空泡。目前采用人工通气的方法生成超空泡已经成为一种非常有效的方法，并被广泛应用于水洞中对超空泡的试验研究。实际上，对于超空泡航行体，在低速时需要利用通气超空泡的减阻特性使其加速至自然超空泡能够维持减阻的状态，在高速段由于要对超空泡得形态特性和动力特性进行控制，也可以采用通气进行控制。,通气量影响,通气角度影响,空泡长度变化,空泡长度变化,吸气控制作用,重力作用对空泡形态的影响,V = 8.9 m/sec, Fr = 24.5; a - = 0.0334, b - =0.0644,重力作用对空泡形态的影响,超空泡形态稳定性技术,通气不稳定性 通气不稳定性主要是通气系统出来的非平行流与空泡壁面相互作用的结果。国外学者的试验表明当通气量较小时可形成稳定的超空泡，而当通气量足够大时所产生的扰动甚至可以使整个超空泡失稳，空泡边界从清晰透明转变为混沌模糊，并在下游溃灭变为雾状流动。,适当通气率产生的稳定清晰的超空泡,通气率较大时产生的振荡模糊的超空泡,超空泡形态稳定性技术,自由剪切层的不稳定性,自有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是这种现象更加明显。国外学者应用线性稳定性理论得到下列结论：,超空泡形态稳定性技术,气泡震荡 环境压力的变化将导致空泡自由表面的局部移动，空泡体积的变化引起空泡压力的变化，而空泡压力的变化又会反过来影响空泡形态的变化，由于压力在气体和液体中的传播速度不同，使得空泡压力变化滞后于液体中的压力变化，这种相位滞后的结果就是空泡形状和压力发生震荡。,超空泡自激震荡,超空泡尾部闭合方式,通气超空泡的主要问题是确定用以达到某一尺度的超空泡所需的通气量。为了保证雷体运动稳定性显然通气量应该与尾部的气体泄漏量相平衡。因此，研究超空泡尾部闭合机理，确定稳定的闭合方式是超空泡技术的一项重要内容。影响超空泡尾部闭合的因素主要有空泡扰动：空泡的上浮、波动变形、自由边界的自然分解、闭合位置的径向速度等；弹体参数：闭合位置处的形状，表面粗糙度，振动问题等；闭合条件：流动自由边界角度，沾湿线周长值；液体和气体射流，改变表面张力和流体粘性的特殊附加物等。,超空泡尾部闭合方式,超空泡尾部的理论闭合方式主要有三种：Riabouchinsky方式（空泡最大直径大于闭合位置处的雷体直径） Joukowski-Roshko 方式（空泡最大直径等于闭合位置处的雷体直径）Gilbard-Efros方式（回注射流形式）。,超空泡武器流体动力布局,对水下航行体应用超空泡流动方案的主要困难在于：在缺少浮力、外力作用点位于航行体质心之前的情况下，必须保证航行体运动的稳定性（连续介质中航行体运动稳定性的一般条件是外力作用点位于航行体质心之后）。,连续介质中航行体运动稳定性的一般条件是外力作用点位于航行体质心之后,超空泡武器流体动力布局,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,超空泡武器流体动力布局,Savchenko给出了超空泡内航行体运动的4种稳定模式。航行体重量G被2个流体动力平衡，Y1为作用于空化器上的升力，Y2作用于壳体尾部沾湿区域上的升力。随着速度的增加有：,超空泡武器流体动力布局,双空泡流动方案这种情况下，水动力中心位于质心以后，有稳定力矩作用于模型上，满足经典的运动稳定性条件。除稳定性比较好之外，这种方案还提供了利用头尾两个空泡的压力差来产生附加推力的可能性；,超空泡武器流体动力布局,沿着空泡内表面滑行，这种情况下，模型尾部沿空泡下表面航行以补偿浮力的损失。因此，从整体上来看，运动是稳定的，但模型可能在垂直面内发生低频震荡从而失稳；,超空泡武器流体动力布局,与空泡边界发生碰撞作用，模型攻角及角速度的初始扰动引起模型尾部与空泡边界的碰撞。在这种碰撞之后，模型所做振荡成稳定或衰减趋势。这种振荡伴随着模型尾部与空泡上下壁之间交替进行的周期性碰撞，使运动整体上保持稳定。,超空泡武器流体动力布局,与空泡中的蒸汽及射流相互作用，高速运动的航行体与空泡内的气体及空泡边界附近的射流相互作用。分析表明空泡内边界对航行体运动稳定性的影响是有利的。,超空泡数值模拟技术,超空泡流动是一种复杂的流动问题，包含了非定常、可压缩、相变、湍动等流体力学研究中比较复杂的流动现象，对空泡流的数值模拟研究带来了很大的挑战。空泡流数值模拟研究的重点是液体的空化现象，因此必须相应地引入空泡模型。随着超空泡流动数值模拟研究的深入，近年来空化模型在空泡流中的应用有很大的发展，对它的研究具有重要的学术价值和广泛的应用前景。空泡模型目前大致可以划分为两类：即基于界面追踪方法的两流体模型和基于界面捕捉方法的单流体模型。,超空泡技术研究方法-实验研究方法,相似准则：超空泡现象主要有以下参数：航行体特征尺度：L；超空泡内外压差：P-Pc；流体速度：V；流体密度：；流体粘性：；重力加速度：g；脉动频率：f；水表面张力系数：；,超空泡实验相似参数,超空泡现象中的基本量纲为：长度、时间和质量。根据定理共有8-3=5个相似参数。当选取航行体特征尺度L、流体速度V和流体密度为基本量时，可以得到空泡数、雷诺数、韦伯数、斯特劳哈尔数和弗劳德数等五个相似参数。,实验研究方法,超空泡试验技术研究的主要手段为水洞试验、约束模飞行试验、高速射弹试验以及自由航行试验等。常用的方法有流场显示方法、激光测量方法、声学测量方法等，具体应用技术有油膜显示技术、染色射流技术、压力传感测量技术、热膜技术、激光观测技术、激光测速技术、纹影技术、高速摄影技术等。,实验研究方法,水洞实验通气超空泡水洞试验设备是在具有良好的调压和气水分离装置的循环水洞、暂冲式水洞或多功能试验水槽等水力学设备的基础上，增加超空泡模型安装工作段和外置通气控制系统改造而成。大多数水洞流速较低（空泡数0.3左右），不通气的情况下，只能生成局部空泡而非超空泡，因此它不适合于通气超空泡的研究。通气超空泡水洞试验可以研究低速情况下重力对超空泡形态的影响；如果水洞工作断面足够大，在满足阻塞比的情况下能够调整空化器和模型的攻角，还可以对超空泡非对称形态进行更深入的研究。,实验研究方法-水洞实验,水洞实验设备组成,通气控制系统，数据采集、处理与显示系统（测力系统），试验模型，照明及图像记录系统，以及工作段流量（流速）和压力测量系统等系统组成，如图所示。模型尾部的支撑与工作段的支座配合，使模型固定在工作段上。支路1为通气通道，气体由气源出发经过支路1进入模型。支路2为电信号通道，采集系统通过支路2与模型内置的六分天平相连接。工作段为有机玻璃，图像记录系统可以进行拍摄。,水洞阻塞比实验结果影响影响,水洞实验中存在阻塞常数，即水洞所能达到的最小空泡数不能大于阻塞常数，而阻塞常数随模型阻塞比的增大而增大，因此为了有效降低水洞的空泡数，以便更好的研究超空泡现象，应尽量降低模型的阻塞比 ( =Sm/Sg，Sm 为模型最大截面，Sg 为水洞工作段截面)。由于模型最大直径与阻塞比密切相关，因此根据阻塞比的要求选取模型最大直径为模型的特征尺度。通常为了降低水洞工作段边壁的影响要求模型阻塞比满足 0.04 ，但是在超空泡实验中由于超空泡最大直径大于模型最大直径，使得阻塞比上升，因此阻塞比即使满足上述条件，水洞边壁依然会对超空泡形态产生影响。实验表明超空泡实验中要忽略边壁影响应满足 0.01。,模型支撑方式对空泡形态的影响,水洞实验中不可避免的要考虑模型支撑对空泡形态以及模型水动力的影响，合理的选择支撑的截面形状并根据实验要求选择合适的支撑方式可以有效提高实验结果的准确性。 模型支撑方式主要有：前支撑尾支撑腹支撑。,尾支撑特点,目前应用最广泛的是尾支撑方式，支撑在模型尾部，距离模型中最重要的部分空化器较远，这样不会破坏来流的流场特征，并且由于支撑与超空泡不相交将使得支撑对空泡形态影响降到最小。尾支撑的缺点主要是尾部支杆的存在会产生导流作用，从而破坏了尾部流场。因此采用尾支撑方式不适合研究超空泡自然闭合、模型尾部动力等尾部流场特性。另外，采用尾支撑方式要求模型有高的刚度，当模型刚度较低时，模型会发生强烈的振动，严重影响超空泡形态。,腹支撑特点,为了研究超空泡尾部流场特性模型只能采用腹支撑或前支撑方式。在腹支撑方式中，支撑位于模型中部，这样支撑既不会破坏前部流场也不会影响尾部流场，因此腹支撑方式被普遍用于模型总阻力的测量。但是由于支撑截面与超空泡界面相交，当空化器较小时空泡界面甚至很难越过模型支撑，因此腹支撑方式不适于进行空泡形态的定量研究。,前支撑特点,为了研究超空泡尾部流场特性并降低支撑对空泡形态的影响，支撑方式只能选择前支撑在前支撑方式中支撑位于空化器前端，这样由绕流所形成的高压作用在模型支撑的前端而不同于尾支撑中压力直接作用在空化器前端，因此空化器振动较小，实验观察到采用前支撑方式形成的超空泡形态比较稳定，尤其是尾部闭合位置比较固定，不同于采用尾支撑方式形成的超空泡在尾部闭合处发生强烈的振荡。前支撑的最大缺点是由于模型位于空化器前端将势必对来流流场产生一定的影响。,实验研究方法拖曳水池试验,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。主要使用了3个不同特点的模型进行试验，有些试验中模型的空化器攻角可变，或带有模拟的火箭排气装置。试验使用高频固态压力传感器等仪器设备，测量了空泡振荡的频率和幅值，得出了空泡变化频率与空泡长度和拖曳速度相关、动力学模型的运动和火箭排气装置都有提高总的空泡稳定性的倾向等结论。,实验研究方法-约束模实验,自然超空泡的研究需要满足小空泡数的条件，带有固体火箭发动机动力推进系统的约束飞行试验和自由航行试验速度可以达到40m/s以上，但是其成本很高且试验周期长，不适于系统的进行空泡形态的基础研究。小尺度模型（直径5mm50mm之间）的高速射弹试验或是利用发射炮产生初速度，再利用简单的气体推进系统进行进一步加速的小尺度约束模型试验，可以实现从几十到1000 m/s以上的跨、超音速飞行。是研究自然超空泡的形态特性较好的试验手段。高速射弹试验也有其固有的缺点，因为使用的模型体积小，难以进行受力分析；同时模型攻角不可控，对超空泡形态的非对称性分析精度较低。因此必须和水洞试验结合使用，才能对超空泡的特性进行全面的分析研究。,实验研究方法-约束模实验,实验研究方法-射弹实验,数值模拟研究方法,1、界面追踪方法 假设汽液两相之间具有明确的界面，空泡内压力恒定且等于液体的汽化压力。恒压假设在物理上是合理的，并且已经为试验所证实。在计算中首先给定空泡形态和位置的初值，然后根据运动学及动力学边界条件，以迭代的方法最终确定空泡的形态和位置。早期这种模型主要用于理想流体空泡流的数值模拟，常用的方法主要是基于势流理论的边界元法，通常计算只针对液体进行，而且由于空泡尾流的复杂性需要建立合理的尾部闭合模型来进行模拟；近年来这种模型也用于粘性流体空泡流的数值模拟，在考虑流体粘性、汽液界面处质量输运的基础上，在动量方程中补充相应的源项，分别对汽体和液体的流动进行求解，这种方法的复杂之处在于数值计算中对于界面的追踪通常需要采用动网格技术。界面追踪方法对于流体的粘性、湍动特性以及压缩性的研究比较困难，目前主要用于求解二维平面和轴对称流动。,界面追踪方法,独立膨胀原理,实验结果,数值模拟结果,数值模拟研究方法,2、均质平衡流理论 在该模型里，假设汽体与液体之间不存在速度滑移，并且液相和汽相之间可以相互转换，把整个流场中的流动介质看作均质的密度可变的单相流体，即汽液混合物，通过求解得到汽液界面的位置和形状。这种模型主要用于粘性流体空泡流的数值模拟，以求解N-S方程为基础，补充混合物的密度场方程，同时考虑流体的湍动特性以及汽液界面处的质量输运。这种模型适用于模拟三维空泡流动。研究人员基于该理论建立不同的基于状态方程的空化模型和基于输运方程空化模型。,均质平衡流理论模型,均质平衡流理论模型,均质平衡流理论模型,Kunz模型,Merkle模型,Singhal模型,Senocak模型,均质平衡流理论模型,均质平衡流理论,感谢各位同学的关注！,船舶与海洋工程前沿技术讲座,