CN114295016A - 基于多级空化和尾流卷吸组合的水下超空泡航行体构型 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多级空化和尾流卷吸组合的水下超空泡航行体构型，包括航行体以及分布设置在航行体头部、中部、尾部的一级空化器、二级空化器与三级空化器，一级空化器、二级空化器、三级空化器的背面均设有通气孔；航行体内设有气源，气源通过气流通道与各通气孔连通。本发明应用于水下航行体超空泡技术领域，一方面能改善尾流引气的路径，增强射流卷吸效应，能降低总的主动通气需求，尾喷射流作用下存在的一种空泡界面波动贴壁的失稳机制，容易切断引气的路径，通过设置二级空化器主动充气，可以阻挡空泡界面贴壁行为；另一方面通过设置三级空化器主动充气和优化的航行体后体结构协同能有效抑制液体回射流的负面影响，提供空泡的稳定性。

Description

基于多级空化和尾流卷吸组合的水下超空泡航行体构型

技术领域

本发明涉及水下航行体超空泡技术领域，具体是一种基于多级空化和尾流卷吸组合的水下超空泡航行体构型。

背景技术

超空泡减阻技术能实现高效的水下减阻，在水下发射、超高速跨介质导弹等领域拥有巨大的应用潜力。通常空泡的生成有两种方法，一种是通过相变空化的方法(自然空化)，当航行体速度足够高时，航行体表面局部压强低于饱和蒸气压时，液相介质发生汽化汇合形成较大的蒸汽或气体空泡。当空泡长度超过物体长度时称为“超空泡”；第二种是通过人工通气的方法(人工空化)，作为一种的主动流动控制方法，通过向航行体表面低压区通入不可凝气体，气体聚集形成通气空泡。自然空泡与通气空泡具有相似的形态，然而通气空泡相对于自然空泡可控性更好，可在低航速大水深环境条件下实现高效减阻，对航行体减阻而言更具实际意义。

在实际超空泡航行体带动力航行过程中，一方面，发动机产生的高能尾喷射流会影响到空泡的稳定性。相关研究表明高温、高速气流直接作用于空泡内流场和空泡界面，强剪切高湍流度效果可引起空泡界面波动甚至断裂。特别是在发动机点火瞬间，产生极高的脉冲压力，易出现整个空泡溃灭的极端情况，十分不利于超空泡行体的稳定航行。

另一方面，生成通气超空泡的气源问题也是制约超空泡减阻技术实践应用的瓶颈，传统航行体多采用高压气瓶或者燃气发生器。发动机产生的尾喷燃气是否可以做为空泡的理想气源，怎么去引气是关键。内部的通过管路引气，布局复杂，而且发动机产生的高温高压燃气必须经过减压处理才可导入航行体的头部空化装置，目前高温阀门技术还不太成熟。除此之外，通过相关的实验验证，可以在航行体的表面利用射流的卷吸效应来实现尾流引气。只需保证初始空泡与发动机喷管出口相连通，满足发动机燃烧室总压低于水流总压和连通的低压路径两个条件下，则尾流气体可以以自然卷吸的方式向前引。不过，这种尾流引气方式会受到航行体外形的影响，弹体的长度直径和后体结构都会制约到射流卷吸效应的效果。

发明内容

针对上述现有技术中的不足，本发明提供一种基于多级空化和尾流卷吸组合的水下超空泡航行体构型。一方面能改善尾流引气的路径，增强射流卷吸效应。尾喷射流作用下存在的一种空泡界面波动贴壁的失稳机制，容易切断引气的路径，本发明通过设置二级空化器主动充气，可以阻挡空泡界面贴壁行为；另一方面通过设置三级空化器主动充气和优化的航行体后体结构协同能有效抑制液体回射流的负面影响。本发明中的多级空化器的充气方案和尾流引气协同控制，能降低总的主动通气需求。

为实现上述目的，本发明提供一种基于多级空化和尾流卷吸组合的水下超空泡航行体构型，其特征在于，还包括一级空化器、二级空化器与三级空化器；

所述一级空化器设在所述航行体的头部，所述二级空化器设在所述航行体的中部，所述三级空化器设在所述航行体的尾部，且所述一级空化器的背面、所述二级空化器的背面、所述三级空化器的背面均设有若干均匀分布的通气孔；

所述航行体内设有气源与气体通道，所述气源通过所述气流通道与各所述通气孔连通。

进一步改进地，所述航行体包括第一弹体与第二弹体；

所述第一弹体、所述第二弹体均为回转体结构，且所述第一弹体的尾端与所述第二弹体的尾端同轴相连，所述一级空化器设在所述第一弹体的首端，所述三级空化器设在所述第二弹体的尾端；

所述第一弹体的尾端直径大于所述第二弹体的首端直径，所述二级空化器即为所述第一弹体尾端与所述第二弹体首端之间的第一台阶面。

进一步改进地，所述第一弹体为流线型渐扩结构。

进一步改进地，所述第一弹体的尾端为内凹构型，即所述二级空化器为凹槽空化器。

进一步改进地，所述航行体还包括第三弹体；

所述第三弹体为回转体结构，且所述第二弹体的尾端与所述第三弹体的尾端同轴相连，所述第二弹体的尾端直径大于所述第三弹体的首端直径，所述三级空化器即为所述第二弹体尾端与所述第三弹体首端之间的第二台阶面。

进一步改进地，所述第二弹体为直线渐缩结构。

进一步改进地，所述第二弹体的尾端为内凹构型，即所述三级空化器为凹槽空化器。

进一步改进地，所述第一弹体、所述第二弹体均包括内壳以及固定套设在所述内壳上的外壳；

所述气体通道位于所述内壳与所述外壳之间，所述气体通道的头部与所述一级空化器上的通气孔相通，所述气体通道的中部与所述二级空化器上的通气孔相通，所述气体通道的尾部与所述三级空化器上的通气孔相通；

所述气源固定设在所述内壳上，且所述气源的输出端与所述气体通道相通。

进一步改进地，所述航行体上设有发动机，所述发动机的发动机燃烧室设在所述航行体的内部，所述航行体尾段为发动机喷管；

所述发动机燃烧室的总压小于环境水流总压，以促进尾流引气，其中，环境水流总压为水深静压和航速动压之和。

进一步改进地，所述发动机在空泡包裹发动机喷管的前提下进行点火启动，为发动机提供稳定的工作环境，并形成气幕来降低发动机所产生的噪音，同时降低点火瞬间的压力震荡。

相较于现有技术，本发明提供的一种基于多级空化和尾流卷吸组合的水下超空泡航行体构型，具有如下有益技术效果：

1、本发明提供的具有一级空化器、二级空化器与三级空化器的多级空化器构型的超空泡航行体，相对于流线型外形，在航行体头部、中段、尾段位置容易产生低压涡流区，便于通入气体的初始聚集，有利于空泡的快速生成和增加空泡的总体长度；

2、多级空化器通气可以有效避免航行体在机动转弯过程中出现空泡变形，弹体机身裸露沾湿的问题；对于大水深环境，高环境总压利于尾流引气，不利于自然空化的发生，而本发明提供的多级空化器构型的超空泡航行体特别适用于跨水空介质和大水深环境的航行场景；

3、本发明提供的超空泡航行体可利用尾流卷吸效应补气，能避免尾喷流作用下空泡界面波动贴壁问题，改善尾流引气的路径，增强射流卷吸效应，达到利用发动机燃气源源不断为空泡补气的目的，且多级空化器的充气和尾流引气协同控制，能降低总的主动通气需求；

4、本发明提供的航行体的多级空化器结构，能最大限度的降低尾喷流对空泡的负面影响，提高空泡的稳定性。

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为本发明实施例中水下超空泡航行体构型的轴测图；

图2为本发明实施例中水下超空泡航行体构型的正视图；

图3为本发明实施例中水下超空泡航行体构型的运行原理图。

附图标号：一级空化器1、二级空化器2、三级空化器3、第一弹体4、第二弹体5、第三弹体6、发动机燃烧室7、气源8、气体通道9、空泡10、回流11、射流12、低压涡流区13。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

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。

如图1-3所示为本实施例公开的一种基于多级空化和尾流卷吸组合的水下超空泡航行体构型，包括航行体以及设在航行体上的一级空化器1、二级空化器2与三级空化器3。航行体尾端具有尾喷管，用于产生尾喷流。具体地，航行体的动力装置采用喷气推进，尤其是水冲压发动机，发动机燃烧室7设置在航行体内部，航行体尾段为发动机喷管，产生高温燃气。航行体航行过程中，当初始空泡10包裹航行体表面以后，会在航行体表面形成低压气体通道9，此时尾喷管喷出的气体射流会以自然卷吸的方式沿航行体表面向前的回流11，为空泡10补充气体，维持空泡10形态。其中，燃烧室参数总压条件满足小于环境水流总压的条件，环境水流总压为水深静压和航速动压之和，发动机参数设计的要求有利于尾流引气形成回流11，进而为空泡10补充气体。一级空化器1设在航行体的头部，二级空化器2设在航行体的中部，三级空化器3设在航行体的尾部，且一级空化器1的背面、二级空化器2的背面、三级空化器3的背面均设有若干均匀分布的通气孔，其中，背面指的是朝向航行体尾部的一面。航行体内设有气源8与气体通道9，气源8通过气流通道与各通气孔连通。

气源8产生的气体经过气体通道9后由一级空化器1的背面、二级空化器2的背面、三级空化器3的背面产生射流12，并进一步在航行体头部、中段、尾段位置容易产生低压涡流区13，便于通入气体的初始聚集，有利于空泡10的快速生成和增加空泡10的总体长度。同时一级空化器1的背面、二级空化器2的背面、三级空化器3的存在还能改善尾流引气后回流11的路径，增强射流卷吸效应，达到利用发动机燃气源8源不断为空泡10补气的目的，能避免尾喷流作用下空泡10界面波动贴壁问题，最大限度的降低尾喷流对空泡10的负面影响，提高空泡10的稳定性。而且多级空化器的充气和尾流引气协同控制，能降低总的主动通气需求，多级空化器也能有效避免航行体在机动转弯过程中容易出现空泡10变形，弹体机身裸露沾湿的问题。对于大水深环境，高环境总压利于尾流引气，不利于自然空化的发生。本发明的涉及多级空化器构型的超空泡航行体特别适用于跨水空介质和大水深环境的航行场景。

本实施例中，航行体包括第一弹体4、第二弹体5与第三弹体6，其中，第三弹体6的尾端即为尾喷管伸出航行体的一部分。第一弹体4、第二弹体5、第三弹体6均为回转体结构，且第一弹体4的尾端与第二弹体5的尾端同轴相连，第二弹体5的尾端与第三弹体6的尾端同轴相连。一级空化器1设在第一弹体4首端的圆盘空化器，第一弹体4的尾端直径大于第二弹体5的首端直径，二级空化器2即为第一弹体4尾端与第二弹体5首端之间的第一台阶面；第二弹体5的尾端直径大于第三弹体6的首端直径，三级空化器3即为第二弹体5尾端与第三弹体6首端之间的第二台阶面。

在具体实施过程中，第一弹体4为流线型渐扩结构，第一弹体4的尾端为内凹构型，即二级空化器2为凹槽空化器。第一弹体4采用变直径弹身且带凹槽结构，改变航行体体表面压力分布，出现压力阶跃变化，有利于诱导和促进弹体局部空化的发生。

在具体实施过程中，第二弹体5为直线渐缩结构，第二弹体5的尾端为内凹构型，即三级空化器3为凹槽空化器，使得三级空化器3主动充气和自身的凹腔结构能有效抑制液体回射流的负面影响。

本实施例中，第一弹体4、第二弹体5均包括内壳以及固定套设在内壳上的外壳，且第一弹体4的内壳与第二弹体5的内壳一体成型，第一弹体4的外壳与第二弹体5的外壳一体成型。气体通道9即位于内壳与外壳之间，气体通道9的头部与一级空化器1上的通气孔相通，气体通道9的中部与二级空化器2上的通气孔相通，气体通道9的尾部与三级空化器3上的通气孔相通。气源8则为固定设在内壳第一弹体4的内壳头部的燃气发生器，且气源8的输出端与气体通道9相通。通过燃气发生器产生气体，气体经由气体通道9后再经过一级空化器1、二级空化器2与三级空化器3形成射流12喷出，相对于流线型外形的航行体，在航行体头部、中段、尾段位置容易产生低压涡流区13，便于通入气体的初始聚集，有利于空泡10的快速生成和增加空泡10的总体长度。

本实施例中的水下超空泡航行体构型，在航行体的头部、中部、尾部分别设置一级空化器1、二级空化器2与三级空化器3。一方面能改善尾流引气后回流11的路径，增强射流卷吸效应。尾喷射流作用下存在的一种空泡界面波动贴壁的失稳机制，容易切断引气的路径，本实施例通过设置二级空化器2主动充气，可以阻挡空泡10界面贴壁行为；另一方面通过设置三级空化器3主动充气和优化的航行体后体结构协同能有效抑制液体回射流的负面影响。本发明中的多级空化器的充气方案和尾流引气协同控制，能降低总的主动通气需求。

需要注意的是，本实施例中的航行体对发动机的点火环境具有一定限制，即需要满足较高航速和空泡10包裹发动机喷管前提下，进行点火启动。一方面，相较于直接在水中点火，空泡10包裹可以为发动机提供稳定的工作环境，并形成气幕来降低发动机所产生的噪音。反过来，空泡10包裹前提下点火，有效降低了点火瞬间的压力震荡，结合航行体的多级空化器结构，能最大限度的降低尾喷流对空泡10的负面影响，提高空泡10的稳定性。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于多级空化和尾流卷吸组合的水下超空泡航行体构型，包括航行体，其特征在于，还包括一级空化器、二级空化器与三级空化器；

所述一级空化器设在所述航行体的头部，所述二级空化器设在所述航行体的中部，所述三级空化器设在所述航行体的尾部，且所述一级空化器的背面、所述二级空化器的背面、所述三级空化器的背面均设有若干均匀分布的通气孔；

所述航行体内设有气源与气体通道，所述气源通过所述气流通道与各所述通气孔连通。

2.根据权利要求1所述基于多级空化和尾流卷吸组合的水下超空泡航行体构型，其特征在于，所述航行体包括第一弹体与第二弹体；

所述第一弹体、所述第二弹体均为回转体结构，且所述第一弹体的尾端与所述第二弹体的尾端同轴相连，所述一级空化器设在所述第一弹体的首端，所述三级空化器设在所述第二弹体的尾端；

所述第一弹体的尾端直径大于所述第二弹体的首端直径，所述二级空化器即为所述第一弹体尾端与所述第二弹体首端之间的第一台阶面。

3.根据权利要求2所述基于多级空化和尾流卷吸组合的水下超空泡航行体构型，其特征在于，所述第一弹体为流线型渐扩结构。

4.根据权利要求2所述基于多级空化和尾流卷吸组合的水下超空泡航行体构型，其特征在于，所述第一弹体的尾端为内凹构型，即所述二级空化器为凹槽空化器。

5.根据权利要求2或3或4所述基于多级空化和尾流卷吸组合的水下超空泡航行体构型，其特征在于，所述航行体还包括第三弹体；

所述第三弹体为回转体结构，且所述第二弹体的尾端与所述第三弹体的尾端同轴相连，所述第二弹体的尾端直径大于所述第三弹体的首端直径，所述三级空化器即为所述第二弹体尾端与所述第三弹体首端之间的第二台阶面。

6.根据权利要求5所述基于多级空化和尾流卷吸组合的水下超空泡航行体构型，其特征在于，所述第二弹体为直线渐缩结构。

7.根据权利要求5所述基于多级空化和尾流卷吸组合的水下超空泡航行体构型，其特征在于，所述第二弹体的尾端为内凹构型，即所述三级空化器为凹槽空化器。

8.根据权利要求2或3或4所述基于多级空化和尾流卷吸组合的水下超空泡航行体构型，其特征在于，所述第一弹体、所述第二弹体均包括内壳以及固定套设在所述内壳上的外壳；

所述气体通道位于所述内壳与所述外壳之间，所述气体通道的头部与所述一级空化器上的通气孔相通，所述气体通道的中部与所述二级空化器上的通气孔相通，所述气体通道的尾部与所述三级空化器上的通气孔相通；

所述气源固定设在所述内壳上，且所述气源的输出端与所述气体通道相通。

9.根据权利要8所述基于多级空化和尾流卷吸组合的水下超空泡航行体构型，其特征在于，所述航行体上设有发动机，所述发动机的发动机燃烧室设在所述航行体的内部，所述航行体尾段为发动机喷管；

所述发动机燃烧室的总压小于环境水流总压，以促进尾流引气，其中，环境水流总压为水深静压和航速动压之和。

10.根据权利要9所述基于多级空化和尾流卷吸组合的水下超空泡航行体构型，其特征在于，所述发动机在空泡包裹发动机喷管的前提下进行点火启动，为发动机提供稳定的工作环境，并形成气幕来降低发动机所产生的噪音，同时降低点火瞬间的压力震荡。

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