CN111175021B - 头部通气与尾部喷流作用下超空泡水洞试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种头部通气与尾部喷流作用下超空泡水洞试验装置及试验方法，包括试验模型，模型由空化器、通气碗、锥段、前分段、中部连接段、后分段和尾喷管顺次连接而成，通过第一支撑剑和第二支撑剑固连于水洞窗盖板的内侧；窗盖板外侧分别布置第一密封盒和第二密封盒；空化器、通气碗、锥段、前分段和第一支撑剑、第一密封盒构成模型头部通气气路；尾喷管、后分段、第二支撑剑、第二密封盒构成模型尾部喷流气路。外接气源对模型头部通气形成超空泡、对尾部通气形成尾喷流，利用测试系统同步获得水速、压力、气体流率、空泡形状等数据，形成对不同喷流动量下通气超空泡流场的模拟和测量。

Description

头部通气与尾部喷流作用下超空泡水洞试验装置及方法

技术领域

本发明涉及超空泡水洞试验技术领域，尤其是一种头部通气与尾部喷流作用下超空泡水洞试验装置及试验方法。

背景技术

通气超空泡是一种可实现水中航行体高速运动的重要减阻方式，超空泡形态控制是保证航行体运动稳定的重要方面。目前在头部通气流率对超空泡形态影响方面已开展了大量的研究，而对于航行体有尾部喷流时超空泡流动的研究还较为有限。为了研究尾喷流作用下超空泡流动特性和通气规律，需要设计一套缩比模型试验装置，在空泡水洞中开展试验，来模拟并测量超空泡航行体头部通气、尾部喷流状态下的流场。过去的相关研究中，通常采用的是火箭发动机点火形成尾喷流的方式开展模型试验，此方式形成喷流的持续时间较短，易引起水洞环境压力的突变，从而给试验结果分析带来一定的干扰，并且试验材料和安装准备的代价较大，不利于较多工况试验的开展。

发明内容

本申请人针对上述现有生产技术中的缺点，提供一种头部通气与尾部喷流作用下超空泡水洞试验装置及试验方法，在水洞中形成包覆航行体缩比模型的超空泡，并利用压缩空气提供模型尾部喷流气源，实现对有助推超空泡航行体流场测量的模型试验方法。

本发明所采用的技术方案如下：

一种头部通气与尾部喷流作用下超空泡水洞试验装置，包括试验模型，所述模型通过第一支撑剑和第二支撑剑固连于水洞窗盖板的内侧，试验中将窗盖板固定于水洞工作段壁面，使得模型位于水洞中线附近；窗盖板的外侧分别布置第一密封盒和第二密封盒；所述模型由锥段、前分段、中部连接段和后分段顺次连接而成，所述锥段头部设有通气碗，其头部设有空化器，所述后分段尾部设有与其连通的尾喷管；所述空化器、通气碗、锥段、前分段和第一支撑剑、第一密封盒通过相应管路构成模型头部通气气路；所述尾喷管、后分段、第二支撑剑、第二密封盒及相应管路构成模型尾部喷流气路。

作为上述技术方案的进一步改进：

第一支撑剑的结构包括剑体，剑体外表面为具有平滑过渡的抗空化线型，其一端延伸有法兰盘，法兰盘的盘面和剑体对称面垂直；法兰盘的外侧有可放置O型圈的凹槽；第一支撑剑内部形成第一腔体，第一腔体的截面形状与剑体外表面近似，即在保证剑体强度的条件下，使第一腔体尽量大，第一腔体与前分段内部的前腔体连通，且第一腔体通过窗盖板上的通孔与第一密封盒连通。

剑体远离法兰盘的一端为圆弧面，前分段沿母线的开孔位置与第一支撑剑的圆弧面通过焊接方式固连；第一支撑剑、第二支撑剑分别通过螺钉固定于水洞窗盖板内侧，法兰盘靠近剑体一侧的表面与窗盖板内侧表面平齐；第二支撑剑的结构与第一支撑剑相同，第二支撑剑和后分段的连接方式与第一支撑剑和前分段的连接方式相同：后分段和第二支撑剑内部分别形成相互连通的后腔体、第二空腔，且第二空腔与第二密封盒形成通路；后腔体的前部形成安装通过密封盖安装第一压力传感器的前连接段，后分段的后端形成与尾喷管连接的后连接段。

模型中部连接段上开测压孔，利用引压管穿过安装于前分段和中部连接段之间的密封接头，以及第二气密接头，连接布置在水洞外的第二压力传感器，所述密封接头安装于设于前分段后端的安装腔处；第一压力传感器位于中部连接段与后分段的连通位置处，第一压力传感器的敏感元件与后腔体连通。

所述第一密封盒、第二密封盒的顶部分别连接有第一气密接头，第一密封盒上同时还连接有用于密封试验模型内置传感器连接线的第二气密接头；第一密封盒、第二密封盒的第一气密接头分别通过第一气路、第二气路通向同一储气罐或两个不同的储气罐，第一气路上设有第一质量流量计和第一阀门，第二气路上设有第二质量流量计和第二阀门。

尾喷管与后分段螺纹固连；锥段、前分段、中部连接段和后分段的各连接部位用O型圈密封。

还包括差压变送器、高速摄影仪和数据采集器。

一种头部通气与尾部喷流作用下超空泡水洞试验装置的试验方法，差压变送器用于测量水洞不同截面的压力差，换算来流速度V；第一压力传感器用于测量后腔体内总压P_j；第三压力传感器用于测量水洞环境压力P_∞；第二质量流量计、第一质量流量计分别测量尾喷质量流率Q_j、头部通气质量流率Q_c；高速摄影仪用于获得空泡照片I_m；

试验过程的具体步骤如下：

步骤一：水洞运行达到预定的试验水速，形成试验水流；

步骤二：打开第一阀门向模型头部空化器的后方充气，调节通气率在模型周围形成通气超空泡；

步骤三：当超空泡达到稳定状态后，打开第二阀门向尾喷管通气，形成尾喷流；

步骤四：当尾喷流与超空泡相互作用达到稳定状态后，开始拍摄空泡图像、记录试验数据；步骤五：测量完成后，先后关闭第一阀门和第二阀门，试验水流流速调至零，试验结束。

作为上述技术方案的进一步改进：

试验过程中，根据试验需求选择合适线型的尾喷管来调整尾喷流状态；可选择的尾喷管有两种型式：

一种是直喷管，其收缩后直径不变，喉部直径为D_t，试验中保证喉部为通气管路中有效过流截面最小的位置；

另一种是收缩扩张喷管，即先收缩再扩张，喉部直径为D_t扩张后的直径为D_e，膨胀比

统计试验测量获得结果包括尾喷质量流率Q_j，头部通气质量流率Q_c，水洞环境压力P_∞，空泡内部压力P_c，尾喷气腔内总压P_j，水洞不同截面压差△P和空泡形状照片I_m；

由水洞不同截面的压差△P可换算出来流水速V，由头部通气质量流率Q_c可换算出泡压下体积流率q_c，进一步可获得：头部通气系数C_q、空化数σ_c、无量纲尾喷动量通量

和空泡尺度；从而通过试验给出尾喷流对超空泡形状和相关参数的影响，相关参数的计算表达式如下：

空化数σ_c＝(P_∞-P_c)/(0.5·ρ_wV²)；

通气系数

尾喷动量通量J＝Q_j·V_j；

空化器阻力

无量纲尾喷动量通量

其中，ρ_w为来流即试验水流的密度，S_n为空化器的投影面积，C_d为阻力系数；尾管出口速度V_j与总压P_j、背压P_∞及尾喷管的外形有关，试验过程中，通过喷流压力、喉径、膨胀比的参数设置，使得喷喉处的流速达到当地音速

(其中T_j0为喷流总温)，并且喷管扩张段不出现流动分离；

对于直喷管，V_j＝a^*；

对于收缩扩张喷管，根据q(λ)＝1/ε查空气气动力函数表，获得对应的λ_e，喷管出口速度V_j＝λ_e·a^*；

头部通气质量流率Q_c采用第一阀门节流的方式控制，为了实现喷管喉部音速流动，尾部通气管路应保证喷喉处的有效过流面积最小，因而试验中第二阀门全开，通过调节储气罐内的气源压力和安装合适线型的尾喷管来控制；

在一定的空化器直径D_n和水洞试验环境V、P_∞条件下，通过调节气源压力和喷喉直径D_t获得不同的喷流质量流率Q_j，通过安装合适膨胀比ε的尾喷管获得不同的喷管出口速度V_j，从而获得不同的无量纲尾喷动量通量

本发明的有益效果如下：

本发明结构紧凑、合理，操作方便，外接气源对模型头部通气形成超空泡、对尾部通气形成尾喷流，利用测试系统同步获得水速、压力、气体流率、空泡形状等数据，形成对不同喷流动量下通气超空泡流场的模拟和测量。

(1)本发明采用水洞外接气源分别为头部空化器、尾部喷流通气。利用节流方式控制模型头部通气流率，从而控制初始空泡形态。根据试验需求设计尾部喷管，利用气源压力和喷管线型控制尾喷流，可在不同的无量纲尾喷动量通量条件下开展试验，从而获得水下航行体尾喷流对超空泡流动的影响。

(2)本发明采用的支撑剑为抗空化线型，中心为较大的通孔，并且布置了前后两个支撑剑。这样可以在充分排布通气、测压管路和传感器导线的前提下使支撑剑的宽度尽可能地小，从而减少支撑剑对通气空泡的干扰。

附图说明

图1为本发明的试验装置的结构示意图。

图2为本发明的试验装置的剖视图。

图3为本发明试验装置的第一支撑剑的结构示意图。

图4为本发明试验装置的第一支撑剑的剖视图。

图5为本发明试验装置的前分段的结构示意图。

图6为本发明试验装置的前分段的剖视图。

图7为本发明试验装置的后分段的结构示意图。

图8为本发明试验装置的后分段的剖视图。

图9为本发明尾喷管采用直喷管的结构示意图。

图10本发明尾喷管采用收缩扩张喷管的结构示意图。

图11为本发明试验方法采用的系统的连接结构示意图。

图12为本发明典型实施例采用的四种参数不同尾喷管的参数结构示意图。

图13为本发明典型测量结果。

其中：1、空化器；2、通气碗；3、锥段；4、前分段；5、中部连接段；6、后分段；7、尾喷管；7a、直喷管；7b、收缩扩张喷管；8、第一支撑剑；9、第二支撑剑；10、窗盖板；11、第一密封盒；12、第二密封盒；13、密封接头；14、测压孔；15、第一压力传感器；16、密封盖；17、O型圈；18、第二气密接头；19、第一气密接头；20、试验水流；21、超空泡；22、尾喷流；23、差压变送器；24、高速摄影仪；25、储气罐；26、第二质量流量计；27、第二阀门；28、第一质量流量计；29、第一阀门；30、第三压力传感器；31、第二压力传感器；32、数据采集器；401、开孔；402、前腔体；403、安装腔；601、后腔体；602、前连接段；603、前连接段；801、剑体；802、第一腔体；803、凹槽；804、法兰盘；805、圆弧面；901、第二空腔。

具体实施方式

下面结合附图，说明本发明的具体实施方式。

如图1和图2所示，本实施例的头部通气与尾部喷流作用下超空泡水洞试验装置，包括试验模型，模型通过第一支撑剑8和第二支撑剑9固连于水洞窗盖板10的内侧，试验中将窗盖板10固定于水洞工作段壁面，使得模型位于水洞中线附近；窗盖板10的外侧分别布置第一密封盒11和第二密封盒12；模型由锥段3、前分段4、中部连接段5和后分段6顺次连接而成，锥段3头部设有通气碗2，其头部设有空化器1，后分段6尾部设有与其连通的尾喷管7；空化器1、通气碗2、锥段3、前分段4和第一支撑剑8、第一密封盒11通过相应管路构成模型头部通气气路；尾喷管7、后分段6、第二支撑剑9、第二密封盒12及相应管路构成模型尾部喷流气路。

如图3-图6所示，第一支撑剑8的结构包括剑体801，剑体801外表面为具有平滑过渡的抗空化线型，其一端延伸有法兰盘804，法兰盘804的盘面和剑体801对称面垂直；法兰盘804的外侧有可放置O型圈17的凹槽803；第一支撑剑8内部形成第一腔体802，第一腔体802的截面形状与剑体801外表面近似，即在保证剑体801强度的条件下，使第一腔体802尽量大，第一腔体802与前分段4内部的前腔体402连通，且第一腔体802通过窗盖板10上的通孔与第一密封盒11连通。

剑体801远离法兰盘804的一端为圆弧面805，前分段4沿母线的开孔401位置与第一支撑剑8的圆弧面805通过焊接方式固连；第一支撑剑8、第二支撑剑9分别通过螺钉固定于水洞窗盖板10内侧，法兰盘804靠近剑体801一侧的表面与窗盖板10内侧表面平齐；

如图7和图8所示，第二支撑剑9的结构与第一支撑剑8相同，第二支撑剑9和后分段6的连接方式与第一支撑剑8和前分段4的连接方式相同：后分段6和第二支撑剑9内部分别形成相互连通的后腔体601、第二空腔901，且第二空腔901与第二密封盒12形成通路；

后腔体601的前部形成安装通过密封盖16安装第一压力传感器15的前连接段602，后分段6的后端形成与尾喷管7连接的后连接段603。

如图2所示，模型中部连接段5上开测压孔14，利用引压管穿过安装于前分段4和中部连接段5之间的密封接头13，以及第二气密接头18，连接布置在水洞外的第二压力传感器31，密封接头13安装于设于前分段4后端的安装腔403处；第一压力传感器15位于中部连接段5与后分段6的连通位置处，第一压力传感器15的敏感元件与后腔体601连通。

第一密封盒11、第二密封盒12的顶部分别连接有第一气密接头19，第一密封盒11上同时还连接有用于密封试验模型内置传感器连接线的第二气密接头18；第一密封盒11、第二密封盒12的第一气密接头19分别通过第一气路、第二气路通向同一储气罐25或两个不同的储气罐25，第一气路上设有第一质量流量计28和第一阀门29，第二气路上设有第二质量流量计26和第二阀门27。

尾喷管7与后分段6螺纹固连；锥段3、前分段4、中部连接段5和后分段6的各连接部位用O型圈17密封。

如图11所示，还包括差压变送器23、高速摄影仪24和数据采集器32。

本实施例的利用头部通气与尾部喷流作用下超空泡水洞试验装置的试验方法，差压变送器23用于测量水洞不同截面的压力差，换算来流速度V；第一压力传感器15用于测量后腔体601内总压P_j；第三压力传感器30用于测量水洞环境压力P_∞；第二质量流量计26、第一质量流量计28分别测量尾喷质量流率Q_j、头部通气质量流率Q_c；高速摄影仪24用于获得空泡照片I_m；

试验过程的具体步骤如下：

步骤一：水洞运行达到预定的试验水速，形成试验水流20；

步骤二：打开第一阀门29向模型头部空化器1的后方充气，调节通气率在模型周围形成通气超空泡21；

步骤三：当超空泡21达到稳定状态后，打开第二阀门27向尾喷管7通气，形成尾喷流22；

步骤四：当尾喷流22与超空泡21相互作用达到稳定状态后，开始拍摄空泡图像、记录试验数据；步骤五：测量完成后，先后关闭第一阀门29和第二阀门27，试验水流20流速调至零，试验结束。

试验过程中，根据试验需求选择合适线型的尾喷管7来调整尾喷流状态；可选择的尾喷管7有两种型式：

如图9和图10所示，一种是直喷管7a，其收缩后直径不变，喉部直径为Dt，试验中保证喉部为通气管路中有效过流截面最小的位置；

另一种是收缩扩张喷管7b，即先收缩再扩张，喉部直径为D_t扩张后的直径为D_e，膨胀比喉部直径为D_t扩张后的直径为D_e，膨胀比

如图11所示，统计试验测量获得结果包括尾喷质量流率Q_j，头部通气质量流率Q_c，水洞环境压力P_∞，空泡内部压力P_c，尾喷气腔内总压P_j，水洞不同截面压差△P和空泡形状照片I_m；

由水洞不同截面的压差△P可换算出试验水速V，由头部通气质量流率Q_c可换算出泡压下体积流率q_c，进一步可获得：头部通气系数C_q、空化数σ_c、无量纲尾喷动量通量

和空泡尺度；从而通过试验给出尾喷流对超空泡形状和相关参数的影响，相关参数的计算表达式如下：

空化数σ_c＝(P_∞-P_c)/(0.5·ρ_wV²)；

通气系数

尾喷动量通量J＝Q_j·V_j；

空化器阻力

无量纲尾喷动量通量

其中，ρ_w为来流即试验水流20的密度，S_n为空化器1的投影面积，C_d为阻力系数；尾管出口速度V_j与总压P_j、背压P_∞及尾喷管的外形有关，试验过程中，通过喷流压力、喉径、膨胀比的参数设置，使得喷喉处的流速达到当地音速

(其中T_j0为喷流总温)，并且喷管扩张段不出现流动分离；

对于直喷管，V_j＝a^*；

对于收缩扩张喷管，根据q(λ)＝1/ε查空气气动力函数表，获得对应的λ_e，喷管出口速度V_j＝λ_e·a^*；

头部通气参数Q_c采用第一阀门29节流的方式控制，为了实现尾喷管7喉部音速流动，尾部通气管路应保证喷喉处的有效过流面积最小，因而试验中第二阀门27全开，通过调节储气罐25内的气源压力和安装合适线型的尾喷管来控制；

在一定的空化器1直径D_n和水洞试验环境V、P_∞条件下，通过调节气源压力和喷喉直径D_t获得不同的喷流质量流率Q_j，通过安装合适膨胀比ε的尾喷管获得不同的喷管出口速度V_j，从而获得不同的无量纲尾喷动量通量J。

下面介绍本发明的一个典型实施例。

以尾喷流作用下的超空泡形态测量试验为背景阐述较佳的施例，但这不是对本发明进行穷尽的说明。

可采用两个储气罐25分别为第一阀门29所在的头部通气管路、第二阀门27所在的尾喷流气路供气。头部通气管路的气源压力为0.6Mpa，第一质量流量计28采用可自动控制通气流率的质量流量计。尾喷流气路的气源压力为0～2.2Mpa范围内可调节。

设计喉部直径4mm的直喷管、直径3.5mm、5.0mm、6.0mm的收缩扩展喷管，如图12所示。

在空化器1直径D_n＝36mm，弗劳德数Fr＝21，通气系数C_Q＝0.3的试验条件下，通过更换喷管、调节气源压力与喷管参数相配合，获得不同的无量纲尾喷动量通量

的试验状态。试验可获得无量纲空泡长度L_c/D_n与无量纲尾喷动量通量

的关系，典型结果如图13所示。

以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在本发明的保护范围之内，可以作任何形式的修改。

Claims (7)

1.一种头部通气与尾部喷流作用下超空泡水洞试验装置，其特征在于：包括试验模型，所述模型通过第一支撑剑(8)和第二支撑剑(9)固连于水洞窗盖板(10)的内侧，试验中将窗盖板(10)固定于水洞工作段壁面，使得模型位于水洞中线附近；窗盖板(10)的外侧分别布置第一密封盒(11)和第二密封盒(12)；

所述模型由锥段(3)、前分段(4)、中部连接段(5)和后分段(6)顺次连接而成，所述锥段(3)头部设有通气碗(2)，其头部设有空化器(1)，所述后分段(6)尾部设有与其连通的尾喷管(7)；

所述空化器(1)、通气碗(2)、锥段(3)、前分段(4)和第一支撑剑(8)、第一密封盒(11)通过相应管路构成模型头部通气气路；

所述尾喷管(7)、后分段(6)、第二支撑剑(9)、第二密封盒(12)及相应管路构成模型尾部喷流气路；第一支撑剑(8)的结构包括剑体(801)，剑体(801)外表面为具有平滑过渡的抗空化线型，其一端延伸有法兰盘(804)，法兰盘(804)的盘面和剑体(801)对称面垂直；

法兰盘(804)的外侧有可放置O型圈(17)的凹槽(803)；

第一支撑剑(8)内部形成第一腔体(802)，第一腔体(802)的截面形状与剑体(801)外表面近似，即在保证剑体(801)强度的条件下，使第一腔体(802)尽量大，第一腔体(802)与前分段(4)内部的前腔体(402)连通，且第一腔体(802)通过窗盖板(10)上的通孔与第一密封盒(11)连通；剑体(801)远离法兰盘(804)的一端为圆弧面(805)，前分段(4)沿母线的开孔(401)位置与第一支撑剑(8)的圆弧面(805)通过焊接方式固连；第一支撑剑(8)、第二支撑剑(9)分别通过螺钉固定于水洞窗盖板(10)内侧，法兰盘(804)靠近剑体(801)一侧的表面与窗盖板(10)内侧表面平齐；

第二支撑剑(9)的结构与第一支撑剑(8)相同，第二支撑剑(9)和后分段(6)的连接方式与第一支撑剑(8)和前分段(4)的连接方式相同：后分段(6)和第二支撑剑(9)内部分别形成相互连通的后腔体(601)、第二空腔(901)，且第二空腔(901)与第二密封盒(12)形成通路；后腔体(601)的前部形成有通过密封盖(16)安装第一压力传感器(15)的前连接段(602)，后分段(6)的后端形成与尾喷管(7)连接的后连接段(603)。

2.如权利要求1所述的头部通气与尾部喷流作用下超空泡水洞试验装置，其特征在于：模型中部连接段(5)上开测压孔(14)，利用引压管穿过安装于前分段(4)和中部连接段(5)之间的密封接头(13)，以及第一气密接头(18)，连接布置在水洞外的第二压力传感器(31)，所述密封接头(13)安装于设于前分段(4)后端的安装腔(403)处；第一压力传感器(15)位于中部连接段(5)与后分段(6)的连通位置处，第一压力传感器(15)的敏感元件与后腔体(601)连通。

3.如权利要求2所述的头部通气与尾部喷流作用下超空泡水洞试验装置，其特征在于：所述第一密封盒(11)、第二密封盒(12)的顶部分别连接有第二气密接头(19)，第一密封盒(11)上同时还连接有用于密封试验模型内置传感器连接线的第一气密接头(18)；

第一密封盒(11)、第二密封盒(12)的第二气密接头(19)分别通过第一气路、第二气路通向同一储气罐(25)或两个不同的储气罐(25)，第一气路上设有第一质量流量计(28)和第一阀门(29)，第二气路上设有第二质量流量计(26)和第二阀门(27)。

4.如权利要求3所述的头部通气与尾部喷流作用下超空泡水洞试验装置，其特征在于：尾喷管(7)与后分段(6)螺纹固连；锥段(3)、前分段(4)、中部连接段(5)和后分段(6)的各连接部位用O型圈(17)密封。

5.如权利要求4所述的头部通气与尾部喷流作用下超空泡水洞试验装置，其特征在于：还包括差压变送器(23)、高速摄影仪(24)和数据采集器(32)。

6.一种利用如权利要求5所述的头部通气与尾部喷流作用下超空泡水洞试验装置的试验方法，其特征在于：差压变送器(23)用于测量水洞不同截面的压力差，换算来流速度V；第一压力传感器(15)用于测量后腔体(601)内总压P_j；第三压力传感器(30)用于测量水洞环境压力P_∞；第二质量流量计(26)、第一质量流量计(28)分别测量尾喷质量流率Q_j、头部通气率Q_c；高速摄影仪24用于获得空泡照片I_m；

试验过程的具体步骤如下：

步骤一：水洞运行达到预定的试验水速，形成试验水流(20)；

步骤二：打开第一阀门(29)向模型头部空化器(1)的后方充气，调节通气率在模型周围形成通气超空泡(21)；

步骤三：当超空泡(21)达到稳定状态后，打开第二阀门(27)向尾喷管(7)通气，形成尾喷流(22)；

步骤四：当尾喷流(22)与超空泡(21)相互作用达到稳定状态后，开始拍摄空泡图像、记录试验数据；

步骤五：测量完成后，先后关闭第一阀门(29)和第二阀门(27)，试验水流(20)流速调至零，试验结束。

7.如权利要求6所述的头部通气与尾部喷流作用下超空泡水洞试验装置的试验方法，其特征在于：

试验过程中，根据试验需求选择合适线型的尾喷管(7)来调整尾喷流状态；可选择的尾喷管(7)有两种型式：

一种是直喷管(7a)，其收缩后直径不变，喉部直径为D_t，试验中保证喉部为通气管路中有效过流截面最小的位置；

另一种是收缩扩张喷管(7b)，即先收缩再扩张，喉部直径为D_t，扩张后的直径为D_e，膨胀比

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