CN112918614B - 超空泡航行体及其利用尾流引射的空泡流动控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种超空泡航行体及其利用尾流引射的空泡流动控制方法。包括空化器以及航行体体身，空化器设置在航行体体身的头部，空化器后侧开设有通气孔，航行体体身内设置有气室，气室与通气孔之间通过通气管路连接，所述通气管路上设置有气阀，航行体体身的尾部设置有能够喷射气体射流的尾喷管。在航行体形成初始空泡后，使得空化器到尾喷管形成低压气体通道，尾喷管喷出的气体射流以自然卷吸的方式向前回流，为空泡补充气体，维持空泡形态，从而实现对空泡形态及稳定性问题施加主动控制。

Description

超空泡航行体及其利用尾流引射的空泡流动控制方法

技术领域

本发明涉及水下航行体超空泡技术的应用领域，特别涉及一种超空泡航行体及其利用尾流引射的空泡流动控制方法。

背景技术

通气超空泡技术，其基本原理是通过在航行体头部的空化器后面通入不可凝气体，生成稳定包裹航行体的空泡，使航行体表面与液体介质隔离，气体的黏性是水的千分之一，这样能大大减小航行体的摩擦阻力，最高可以实现90％以上的减阻率，展现出巨大的应用前景。

超空泡减阻技术彻底改变水下航行器运行模式，势必将引起水下运载和武器装备技术变革。目前，超空泡技术已在俄罗斯“暴风雪”号鱼雷、美国机载快速灭雷系统、德国“BARRACUDA”超空泡导弹等水下武器装备得到成功应用，超空泡鱼雷航速可达到200kn以上。然而由于生成稳定超空泡需要携带额外的气源和通气系统，因此制约了超空泡武器航程和机动能力的提高。

另外，美国超空泡水面艇“幽灵”号通过将超空泡技术应用于水下部件可以极大降低航行阻力，同时由于水面艇可实现大气与水下部件连通，因此可以巧妙的利用外界空气作为超空泡气源。

而对于常规水下超空泡航行体，一般采用携带燃气发生器来提供气源，占用航行体内空间较大，且供应气体时间受到限制。还有其他一些措施，譬如采用电解水装置，这样会产生额外的能量消耗，反而得不偿失。

发明内容

目前空泡气源问题制约着超空泡航行体的内部几何布局和航程，为解决这一难题，本发明提供一种超空泡航行体及其利用尾流引射的空泡流动控制方法。本发明在航行体体身的尾部设置有能够喷射气体射流的尾喷管，将尾喷气体射流引为空泡的持续不断的气源，同时又保证空泡的稳定性。

为实现上述技术目的，本发明的技术方案是：

超空泡航行体，包括空化器以及航行体体身，空化器设置在航行体体身的头部，空化器后侧开设有通气孔，航行体体身内设置有气室，气室与通气孔之间通过通气管路连接，所述通气管路上设置有气阀，航行体体身的尾部设置有能够喷射气体射流的尾喷管。当航行体的初始速度足够高时，能够通过自然空化即可形成一个闭合在尾喷管后面的初始空泡；当航行体的初始速度较低时，通过开启气阀，气室通过通气管路向通气孔输出气体，这样通过在空化器后面通入气体，来形成这样一个闭合在尾喷管后面的初始空泡。

作为本发明的优选方案，所述尾喷管为发动机的尾喷管，尾喷管喷出的气体射流为发动机产生的高温燃气射流，发动机设置在航行器体身内，发动机的尾喷管从航行体体身的尾部伸出。将发动机的尾喷管产生的燃气通过一定方式为空泡补充气体，同时又不干扰到空泡的稳定，这样的流动控制方法将极具工程价值和实践意义。本发明在航行体形成初始空泡后，使得空化器到尾喷管形成低压气体通道，尾喷管喷出的气体射流以自然卷吸的方式向前回流，为空泡补充气体，维持空泡形态，从而实现对空泡形态及稳定性问题施加主动控制。

作为本发明的优选方案，尾喷管喷出的气体射流的强度需满足

其中J代表气体射流产生的推力，W_c为空化器阻力，p_0f代表水流环境的总压，p₀代表气体射流在尾喷管出口处的总压。

作为本发明的优选方案，提出了一套超空泡航行体的设计准则，航行体体身包括依次连接的圆锥形扩张段和圆柱段，空化器前端面直径取航行体体身中圆柱段直径的三分之一，尾喷管出口面积与空化器前端面截面面积之比大于5，航行体总体长度小于初始空泡的长度。

作为本发明的优选方案，所述航行体体身上设置有整流结构，整流结构中设有导气通道，用于对经过整流结构的气体回流进行整流。

作为本发明的优选方案，所述整流结构设置在航行体体身尾端的外侧壁上。

作为本发明的优选方案，整流结构为横截面向航行体体身尾端扩张的扩张形环形体，整流结构包括内环壁和外环壁，内环壁连接在航行体体身尾端的外侧壁上，内环壁和外环壁之间设置有呈蜂窝形分布的导气通道。对于以火箭发动机喷气推进为动力的水下超空泡航行体，尾喷管喷出的气体射流通常会带来空泡形态变化以及失稳问题。针对这种影响，通过在航行体的尾部设计扩张形环形体来抑制尾喷射流引发的空泡脉动问题。

作为本发明的优选方案，所述整流结构采用可形变的柔性材料制作而成，其整体为可收缩变形的环形体，通过压缩外环壁能够将整个整流结构紧贴于航行体体身尾端的外侧壁上，放开外环壁能够实现整流结构的展开。

本发明提供一种超空泡航行体利用尾流引射的空泡流动控制方法，航行体形成一个长度大于航行体长度的初始空泡后，整个航行体位于该初始空泡内，使得位于航行体体身头部的空化器到位于航行体体身尾部的尾喷管之间形成低压气体通道，尾喷管喷出的气体射流以自然卷吸的方式向前回流，为空泡补充气体，维持空泡形态，其中航行体体身包括依次连接的圆锥形扩张段和圆柱段，空化器前端面直径取航行体体身中圆柱段直径的三分之一，尾喷管出口面积与空化器前端面截面面积之比大于5；尾喷管喷出的气体射流的强度需满足

其中J代表气体射流产生的推力，W_c为空化器阻力，p_0f代表水流环境的总压，p₀代表气体射流在尾喷管出口处的总压。

所述空化器设置在航行体体身的头部，空化器后侧开设有通气孔，航行体体身内设置有气室，气室与通气孔之间通过通气管路连接，所述通气管路上设置有气阀。当航行体的初始速度足够高时，能够通过自然空化即可形成一个闭合在尾喷管后面的初始空泡。

当航行体的初始速度较低时，通过开启气阀，气室通过通气管路向通气孔输出气体，这样通过在空化器后面通入气体来形成这样一个闭合在尾喷管后面的初始空泡。

本发明在水下满足低压区和连通路径两个条件以后，气体能自然卷到低压区中聚集。当存在通气空泡时，尾喷管喷出的气体射流亦能向上游空泡回流补气。此时通气空泡充当了连通路径的角色，而空化器后面正好是低压区。通过自然卷吸的方式，来使得尾喷管喷出的气体射流为空泡供气。与现有技术相比，本发明的有益效果是：

一、通过有效的方式将尾喷管喷出的气体射流引作为空泡的气源，无需再携带额外的气源和通气系统，大大的节省了航行体内部的空间布局。

二、提高了水下超空泡航行体的续航时间，持续的气源意味着可以长时间的维持超空泡状态。

三、通过整流结构的设计，可以提高气体射流回流的均匀性，降低气流的偏折角和湍流强度，能有效降低尾喷管喷出的气体射流诱导的空泡脉动问题，增强空泡形状稳定性。

四、本发明上述方案已通过水洞实验验证了此方案的有效性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1是本发明超空泡航行体利用尾流引射的空泡流动控制方法的原理示意图；

图2是一实施例中超空泡航行体的结构示意图；

图3是本发明整流结构的剖视图；

图4是整流结构的侧视图；

图5是水洞试验的实验模型图；

图6是a工况下实验模型在水洞试验中的不同时刻的形态图；

图7是b工况下实验模型在水洞试验中的不同时刻的形态图；

图8是c工况下实验模型在水洞试验中的不同时刻的形态图；

图9是d工况下实验模型在水洞试验中的不同时刻的形态图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是物理连接或无线通信连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

参照图1至图4，超空泡航行体，包括空化器1以及航行体体身2，空化器1设置在航行体体身2的头部，空化器2后侧开设有通气孔6，航行体体身2内设置有气室7，气室7与通气孔6之间通过通气管路8连接，所述通气管路8上设置有气阀9，航行体体身2的尾部设置有能够喷射气体射流的尾喷管3。本实施例中所述尾喷管3为发动机的尾喷管，尾喷管3喷出的气体射流为发动机产生的高温燃气射流，发动机设置在航行器体身内，发动机的尾喷管从航行体体身的尾部伸出。将发动机的尾喷管产生的燃气通过一定方式为空泡补充气体，同时又不干扰到空泡的稳定。

超空泡航行体利用尾流引射的空泡流动控制方法是：航行体形成一个长度大于航行体长度的初始空泡5后，整个航行体位于该初始空泡5内，使得位于航行体体身头部的空化器1到位于航行体体身尾部的尾喷管3之间形成低压气体通道，尾喷管3喷出的气体射流以自然卷吸的方式向前回流，为空泡补充气体，维持空泡形态，其中航行体体身2包括依次连接的圆锥形扩张段和圆柱段，空化器1的前端面直径取航行体体身2中圆柱段直径的三分之一，尾喷管3的出口面积与空化器1的前端面截面面积之比大于5；尾喷管3喷出的气体射流的强度需满足

其中J代表气体射流产生的推力，W_c为空化器阻力，p_0f代表水流环境的总压，p₀代表气体射流在尾喷管出口处的总压。

关于形成初始空泡5：当航行体的初始速度足够高时，能够通过自然空化(无需空化器通气)即可形成一个闭合在尾喷管后面的初始空泡。当航行体的初始速度较低(即航行体的初始速度不足以自然空化形成需要的初始空泡时)时，通过开启气阀，气室通过通气管路向通气孔输出气体，这样通过在空化器后面通入气体来形成这样一个闭合在尾喷管后面的初始空泡5。

尾喷管3喷出的气体射流以自然卷吸的方式向前回流，对气体射流的强度有一定要求，本发明中尾喷管喷出的气体射流的强度需满足

其中J代表气体射流产生的推力，W_c为空化器阻力，p_0f代表水流环境的总压，p₀代表气体射流在尾喷管出口处的总压。

尾喷管喷出的气体射流以自然卷吸的方式向前回流，航行体的结构需要满足要求，航行体体身包括依次连接的圆锥形扩张段和圆柱段，空化器前端面直径取航行体体身中圆柱段直径的三分之一，尾喷管出口面积与空化器前端面截面面积之比大于5，航行体总体长度小于初始空泡的长度。

本实施例中所述航行体体身上设置有整流结构4，整流结构4中设有导气通道401，用于对经过整流结构的气体回流进行整流，降低气体回射的速度和湍流强度，提高气体射流回流的均匀性，增强空泡形状稳定性。

参照图2、3和4，所整流结构4为横截面向航行体体身尾端扩张的扩张形环形体，整流结构包括内环壁402和外环壁403，内环壁402连接在航行体体身尾端的外侧壁上，内环壁402和外环壁403之间设置有呈蜂窝形分布的导气通道401。对于以火箭发动机喷气推进为动力的水下超空泡航行体，尾喷管喷出的气体射流通常会带来空泡形态变化以及失稳问题。针对这种影响，通过在航行体的尾部设计扩张形环形体来抑制尾喷射流引发的空泡脉动问题。

所述整流结构4采用可形变的柔性材料制作而成，其整体为可收缩变形的环形体，通过压缩外环壁能够将整个整流结构紧贴于航行体体身尾端的外侧壁上，放开外环壁能够实现整流结构的展开。在初始空泡形成之前，整流结构处于折叠状态，紧贴于航行体体身尾端的外侧壁上，利于减阻。空泡形成之后可打开整流结构，对经过整流结构的气体回流进行整流。

总结，本发明提供的利用尾流引射的空泡流动控制方法，将尾喷气体射流引为空泡的持续不断的气源。需要满足3个方面的条件，1.形成初始空泡，且L_{C_inital}＞L_model。2.发动机参数满足一定条件，尾喷管喷出的气体射流的强度需满足

其中J代表气体射流产生的推力，W_c为空化器阻力，p_0f代表水流环境的总压，p₀代表气体射流在尾喷管出口处的总压。3.超空泡航行体几何满足一定条件，空化器前端面直径大小要保证尾喷流能往前卷，另外空化器前端面直径不能过大，空化器前端面直径越大意味着，阻力越大。本发明提出的最优方案是：航行体体身包括依次连接的圆锥形扩张段和圆柱段，空化器前端面直径取航行体体身中圆柱段直径的三分之一，尾喷管出口面积与空化器前端面截面面积之比大于5。

本发明上述方案已通过水洞实验验证了此方案的有效性。实验模型采用回转体结构，包括空化器以及模型体身，空化器设置在模型体身的头部，空化器后侧开设有通气孔，模型体身内设置有气室，气室与通气孔之间通过第一通气管路连接，所述第一通气管路上设置有气阀，模型体身的尾部设置有能够喷射气体射流的尾喷管，气室与尾喷管之间通过第二通气管路连接，所述第二通气管路上同样设置有气阀。该试验模型用于模拟超空泡航行体进行水洞实验，以验证了本发明方法的有效性。

实验过程的描述，水洞中水流的平均流速为5m/s，以实验模型总长为参考长度的来流雷诺数及弗劳得数分别为Re＝4.5×10⁵，Fr＝5.27。

试验中，在不同实验工况下，对开启通气和开启射流做了时序处理，T0时刻开启空化器背部通气，形成初始空泡；T1时刻尾喷管形成射流，空泡形态发生变化；T2时刻关闭空化器背部通气；T3时刻为最终的空泡流型。T0，T1，T2之间的时间间隔为5秒钟，这样的时序安排的设置，利于去对比有射流和无射流两种情况下空泡流型的差异，且利于去观察有初始空泡和无初始空泡两种情况下，尾喷射流向前卷气的物理现象。

实验工况及结果表

其中a工况下实验模型在水洞试验中T0时刻、T1时刻以及T3时刻的形态如图6所示，a工况下最终空泡溃灭；b工况下实验模型在水洞试验中T0时刻、T1时刻以及T3时刻的形态如图7所示，b工况下最终空泡形态维持；c工况下实验模型在水洞试验中T0时刻、T1时刻以及T3时刻的形态如图8所示，c工况下最终空泡形态维持；d工况下实验模型在水洞试验中T0时刻、T1时刻以及T3时刻的形态如图9所示，d工况下最终空泡溃灭。

综上所述，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求书界定的范围为准。

Claims (8)

1.超空泡航行体，包括空化器以及航行体体身，其特征在于，空化器设置在航行体体身的头部，空化器后侧开设有通气孔，航行体体身内设置有气室，气室与通气孔之间通过通气管路连接，所述通气管路上设置有气阀，航行体体身的尾部设置有能够喷射气体射流的尾喷管，航行体形成初始空泡后，使得空化器到尾喷管形成低压气体通道，尾喷管喷出的气体射流以自然卷吸的方式向前回流，为空泡补充气体，维持空泡形态，尾喷管喷出的气体射流的强度需满足

其中J代表气体射流产生的推力，W_c为空化器阻力，p_0f代表水流环境的总压，p₀代表气体射流在尾喷管出口处的总压。

2.根据权利要求1所述的超空泡航行体，其特征在于，所述尾喷管为发动机的尾喷管，尾喷管喷出的气体射流为发动机产生的高温燃气射流，发动机设置在航行器体身内，发动机的尾喷管从航行体体身的尾部伸出。

3.根据权利要求1所述的超空泡航行体，其特征在于，航行体体身包括依次连接的圆锥形扩张段和圆柱段，空化器前端面直径取航行体体身中圆柱段直径的三分之一，尾喷管出口面积与空化器前端面截面面积之比大于5。

4.根据权利要求1所述的超空泡航行体，其特征在于，所述航行体体身尾端设置有整流结构，整流结构中设有导气通道，用于对经过整流结构的气体回流进行整流。

5.根据权利要求4所述的超空泡航行体，其特征在于，整流结构为横截面向航行体体身尾端扩张的扩张形环形体，整流结构包括内环壁和外环壁，内环壁连接在航行体体身尾端的外侧壁上，内环壁和外环壁之间设置有呈蜂窝形分布的导气通道。

6.根据权利要求5所述的超空泡航行体，其特征在于，所述整流结构采用可形变的柔性材料制作而成，其整体为可收缩变形的环形体，通过压缩外环壁能够将整个整流结构紧贴于航行体体身尾端的外侧壁上，放开外环壁能够实现整流结构的展开。

7.超空泡航行体利用尾流引射的空泡流动控制方法，其特征在于，航行体形成一个长度大于航行体长度的初始空泡后，整个航行体位于该初始空泡内，使得位于航行体体身头部的空化器到位于航行体体身尾部的尾喷管之间形成低压气体通道，尾喷管喷出的气体射流以自然卷吸的方式向前回流，为空泡补充气体，维持空泡形态，其中航行体体身包括依次连接的圆锥形扩张段和圆柱段，空化器前端面直径取航行体体身中圆柱段直径的三分之一，尾喷管出口面积与空化器前端面截面面积之比大于5；尾喷管喷出的气体射流的强度需满足

其中J代表气体射流产生的推力，W_c为空化器阻力，p_0f代表水流环境的总压，p₀代表气体射流在尾喷管出口处的总压。

8.根据权利要求7所述的超空泡航行体利用尾流引射的空泡流动控制方法，其特征在于，所述空化器设置在航行体体身的头部，空化器后侧开设有通气孔，航行体体身内设置有气室，气室与通气孔之间通过通气管路连接，所述通气管路上设置有气阀；

当航行体的初始速度足够高时，能够通过自然空化即可形成一个闭合在尾喷管后面的初始空泡；

当航行体的初始速度较低时，通过开启气阀，气室通过通气管路向通气孔输出气体，这样通过在空化器后面通入气体来形成这样一个闭合在尾喷管后面的初始空泡。

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