CN115071881A - 可用于水下高速航行的空化器外形设计方法 - Google Patents

可用于水下高速航行的空化器外形设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种可用于水下高速航行的空化器外形设计方法，通过建立水下高速航行体模型和定常空泡模型，根据航行体航行要求确定空化数阈值，根据空化数阈值计算空泡形态，对一定范围空化数内的空泡形态进行研究，并根据水下高速航行体模型和定常空泡模型的包裹状态，选取最佳空化器直径尺寸，从而利用空化器尺寸设计提高航行体航行速度。

Description

可用于水下高速航行的空化器外形设计方法
技术领域
本发明涉及水下交通技术领域，更具体的说是涉及可用于水下高速航行的空化器外形设计方法。
背景技术
水下高速航行体通常是由空化器、锥段和柱段三个部分组成，在航行体高速航行的过程中，由于与水之间的高速相对运动，使得水由于压强的减小而发生汽化，形成空泡，在空泡的作用下，航行体与水分离，可以使航行体的航行阻力减小，达到提高航速航程的目的。在此过程中航行体的空化器发挥了重要的作用，空化器的直径会影响空泡的形态，空化器较小则产生的空泡不足以包裹航行体使尾部沾湿面积过大，失去空泡减阻的作用；另一方面过大的空泡会将航行体的舵面包裹住，使操纵舵的控制能力减弱甚至丧失控制能力。
因此，通过空化器外形设计提高航行体水下航行速度是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种可用于水下高速航行的空化器外形设计方法，根据空化器产生了空泡形态确定空化器外形尺寸，从而获得最佳空化器尺寸设计，最大程度实现空泡减阻作用，保证航行体水下航行速度。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
可用于水下高速航行的空化器外形设计方法，包括以下步骤：
步骤1：建立基于空化器直径的水下高速航行体模型；
步骤2：根据独立膨胀原理，基于空化器直径和空化数建立定常空泡模型，获得空泡形态表达，包括空化器半径、空化数与空泡最大半径、长度的对应关系；
步骤3：确定空化数阈值，根据水下高速航行体模型和定常空泡模型进行航行体沾湿面积判断，获得最优空化器直径。将空化数阈值代入定常空泡模型可以获得基于空化器直径的空泡形态，将空泡形态与基于空化器直径的水下高速航行体模型进行拟合，获得空泡与航行体的位置、包裹关系，不同空化器直径构成不同的空泡形态，造成不同的包裹关系，将空泡直径与航行体直径相等时航行体本体上的位置判断为航行体的沾湿位置，沾湿位置之后直到航行体本体尾端面部分的柱段表面积即为沾湿面积；预设沾湿面积阈值和操纵舵有效面积阈值，当前沾湿面积和操纵舵有效面积同时满足上述两种阈值时，将当前水下高速航行体模型的空化器直径确定为当前空化数阈值内的最优空化器直径。在保证沾湿面积尽量小又不过度包裹操纵舵面的情况下选择出最优空化器直径。
优选的，水下航行体包括空化器、本体、水平舵和垂直舵，空化器为圆盘空化器与本体的锥段连接，本体的柱段上周向分布水平舵和垂直舵；所述水下高速航行体模型包含空化器直径、航行体直径和航行体长度的对应关系，以及空化器在航行体本体上的位置关系。
优选的，依据独立膨胀原理，构建定常条件下的Logvinovich空泡模型，其空泡模型描述的空泡形态的表达式为：
Figure BDA0003753885430000021
其中，x为空泡截面到水下航行体头部空化器的距离，Rc(x)为x处空泡截面的半径，Rn为空化器半径，x1表示一致截面的位置，x1＝2Rn，R1＝1.92Rn，Rk为空泡最大半径，Lk为空泡长度；
空泡最大半径Rk和空泡长度Lk的表达式为：
Figure BDA0003753885430000031
其中，σ为空化数，Cx0为空化数为0时的空化器阻力系数。
优选的，采用空化数表达式为：
Figure BDA0003753885430000032
其中：σ表示空化数，p0表示空泡外的环境压力；pc为水的饱和蒸汽压，在常温状态下一般为3540；
Figure BDA0003753885430000033
为动压，ρ为水的密度，v为航行体航行速度；p0表示空泡外的环境压力根据航行深度确定。
优选的，所述空化数阈值为0.027～0.032，在此空化数阈值范围内航行体与空泡之间的相对位置关系正处于空泡由超空泡逐渐减小趋近收缩至航行体柱段的阶段。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种可用于水下高速航行的空化器外形设计方法，通过建立水下高速航行体模型和定常空泡模型，根据航行体航行要求确定空化数阈值，根据空化数阈值计算空泡形态，对一定范围空化数内的空泡形态进行研究，并根据水下高速航行体模型和定常空泡模型的包裹状态，选取最佳空化器直径尺寸，从而利用空化器尺寸设计提高航行体航行速度。
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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1附图为本发明提供的水下高速航行体模型示意图；
图2附图为本发明提供的空化数0.027时不同空化器直径空泡形态示意图；
图3附图为本发明提供的空化数0.032时不同空化器直径空泡形态示意图。
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做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。
本发明实施例公开了一种可用于水下高速航行的空化器外形设计方法，包括以下步骤：
S1：建立水下高速航行体模型；
首先选取国际通用的简易暴风航行体外形建立模型，作为后续验证最佳空化器直径的判断标准，航行体模型如图1所示，图中Dn表示空化器直径，D表示航行体本体直径，L表示航行体本体长度；水下航行体的空化器选择常规的圆盘空化器，空化器与本体锥段连接，本体柱段上周向分布水平舵以及垂直舵；
S2：建立定常空泡模型；
依据独立膨胀原理，给出定常条件下的Logvinovich空泡模型，其空泡模型描述的空泡形态的表达式如下：
Figure BDA0003753885430000041
其中x为空泡截面到头部空化器的距离，Rc(x)为x处空泡截面的半径，Rn为空化器半径，x1表示一致截面的位置，x＝2Rn，R1＝1.92Rn，Rk为空泡最大半径，Lk为空泡长度，Rk和Lk的具体表述为：
Figure BDA0003753885430000042
S3：设计空化数；
引入空化数的概念，以此表征水的空化程度，其表达式为：
Figure BDA0003753885430000051
其中：σ表示空化数，p0表示空泡外的环境压力；pc为水的饱和蒸汽压，在常温状态下一般为3540；
Figure BDA0003753885430000052
为动压，ρ为水的密度，v为航行体速度。通过改变航行体的航行深度和航行速度即可改变空化数，本实施例的空化数范围选择在0.027～0.032，在此空化数范围内航行体与空泡之间的相对位置关系正处于空泡由超空泡逐渐减小趋近收缩至航行体柱段的阶段。
S4：进行仿真，并进行结果验证；
依据S2中的空泡模型，设置多组直径的空化器分别在空化数σ＝0.027和σ＝0.032条件下进行仿真验证，空化器的直径分别为0.3D、0.325D以及0.35D，得到的航行体与空泡位置关系结果如图2-3所示，红色线条表示航行体，绿色线条表示空化器直径为0.35D时产生的空泡，蓝色线条表示空化器直径为0.325D时产生的空泡，黑色线条表示空化器直径为0.3D时产生的空泡。
从图中可以看出，在空化数σ＝0.027时，空化器直径为0.30D的空泡长度和直径较小，对航行体的包裹较差，柱段沾湿面积较大，0.35D产生的空泡直径更大，长度更长，但是包裹了58％的舵面，这样会使航行体的舵沾湿面积减小，提供的操纵力矩减小，对航行体运动的操纵能力减弱，不利于水下航行体的高速航行。0.325D的空泡恰好闭合在舵面处，沾湿面积不大，对舵的影响也很小，相比之下，空化器直径为0.325D是0.027空化数下更好的选择。在空化数σ＝0.032时，航行体在空化器直径为0.325D的条件下产生的空泡恰好能够包裹航行体的锥段和柱段，对舵面的包裹面积又很小，大部分的舵面仍然与水接触，与0.35D相比舵面的沾湿面积减小了49.8％，这样既减小了航行过程中的阻力，又能够保证航行体的操纵能力满足需求。因此本实施例设计的在0.027～0.032空化数范围内的圆盘空化器最佳直径大小为0.325D。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (6)

1.可用于水下高速航行的空化器外形设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：建立基于空化器直径的水下高速航行体模型；
步骤2：根据独立膨胀原理，基于空化器直径和空化数建立定常空泡模型；
步骤3：确定空化数阈值，根据水下高速航行体模型和定常空泡模型进行航行体沾湿面积判断，获得最优空化器直径。
2.根据权利要求1所述的可用于水下高速航行的空化器外形设计方法，其特征在于，水下航行体包括空化器、本体、水平舵和垂直舵，空化器为圆盘空化器与本体的锥段连接，本体的柱段上周向分布水平舵和垂直舵；所述水下高速航行体模型包含空化器直径、本体直径和本体长度的对应关系，以及空化器在航行体本体上的位置关系。
3.根据权利要求1所述的可用于水下高速航行的空化器外形设计方法，其特征在于，依据独立膨胀原理，构建定常条件下的Logvinovich空泡模型，其空泡模型描述的空泡形态的表达式为：
Figure FDA0003753885420000011
其中，x为空泡截面到水下航行体头部空化器的距离，Rc(x)为x处空泡截面的半径，Rn为空化器半径，x1表示一致截面的位置，x1＝2Rn，R1＝1.92Rn，Rk为空泡最大半径，Lk为空泡长度；
空泡最大半径Rk和空泡长度Lk的表达式为：
Figure FDA0003753885420000012
其中，σ为空化数，Cx0为空化数为0时的空化器阻力系数。
4.根据权利要求1所述的可用于水下高速航行的空化器外形设计方法，其特征在于，采用空化数表达式为：
Figure FDA0003753885420000021
其中：σ表示空化数；p0表示空泡外的环境压力，根据航行深度确定；pc为水的饱和蒸汽压；
Figure FDA0003753885420000022
为动压，ρ为水的密度，v为航行体航行速度。
5.根据权利要求1所述的可用于水下高速航行的空化器外形设计方法，其特征在于，所述空化数阈值为0.027～0.032，在此空化数阈值范围内航行体与空泡之间的相对位置关系正处于空泡由超空泡逐渐减小趋近收缩至航行体本体柱段的阶段。
6.根据权利要求1所述的可用于水下高速航行的空化器外形设计方法，其特征在于，步骤3中预设沾湿面积阈值和操纵舵有效面积阈值，当水下高速航行体模型和定常空泡模型拟合获得的沾湿面积和操纵舵有效面积分别同时处于沾湿面积阈值和操纵舵有效面积阈值范围内时，将当前水下高速航行体模型对应的空化器直径确定为最优空化器直径。
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