CN115180061A - 一种高温空化器、包含高温空化器的超空泡航行体及方法 - Google Patents

一种高温空化器、包含高温空化器的超空泡航行体及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种高温空化器、包含高温空化器的超空泡航行体及方法，属于水动力领域。解决了解决常见气源无法长时间维持超空泡的问题。一种高温空化器，包括结构热装甲、高温空化器后壳、导热柱、绝热薄膜和U型蒸汽通道，结构热装甲连接在高温空化器后壳的前端，绝热薄膜固定在结构热装甲前端，结构热装甲前端面上设有横纵交错排布的多排导热柱，全部导热柱均穿过绝热薄膜，每两横排导热柱之间设有一个横向U型蒸汽通道，每两纵列导热柱之间设有一个纵向U型蒸汽通道，U型蒸汽通道位于绝热薄膜和结构热装甲前端面之间，工作时结构热装甲和导热柱发热形成超空泡。它主要用于持续产生超空泡。

Description

一种高温空化器、包含高温空化器的超空泡航行体及方法
技术领域
本发明属于水动力领域，特别是涉及一种高温空化器、包含高温空化器的超空泡航行体及方法。
背景技术
超空泡航行体的水动力学研究是具有重大工程应用背景的前沿基础问题，其原理是通过形成一层相对稳定的超空泡包裹住航行体表面以大幅降低所受摩擦阻力大小、提高水下航速，如俄罗斯研制的“暴风雪”超空泡鱼雷最大航速可达100m/s，德国研制的“梭鱼”超空泡反鱼雷武器最高航速可达120m/s；且超空泡武器无法被任何已知的防御手段拦截，具有重要的军事战略意义；
在深海高压环境下依靠自然空化难以达到超空化状态，必须依赖人工干预的方法提供额外气源增加泡内压力才能形成稳定的超空泡，目前常见的气源主要包括压缩空气和高温燃气两种，但两种方式都无法长时间持续提供气源来维持超空泡长时间存在，大大限制了超空泡航行体在深海环境下的应用。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种高温空化器、包含高温空化器的超空泡航行体及方法,以解决常见气源无法长时间维持超空泡的问题。
为实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供一种高温空化器，包括结构热装甲、高温空化器后壳、导热柱、绝热薄膜和U型蒸汽通道，所述结构热装甲连接在高温空化器后壳的前端，所述绝热薄膜固定在结构热装甲前端，所述结构热装甲前端面上设有横纵交错排布的多排导热柱，全部所述导热柱均穿过绝热薄膜，每两横排所述导热柱之间设有一个横向U型蒸汽通道，每两纵列所述导热柱之间设有一个纵向U型蒸汽通道，所有U型蒸汽通道位于绝热薄膜和结构热装甲前端面之间，工作时结构热装甲和导热柱发热形成超空泡。
更进一步的，所述高温空化器后壳侧壁上沿轴向等间距设置有多组间断微沟槽，每组间断微沟槽之间通过间断微沟槽结构突起隔开；每组间断微沟槽内的多个间断微沟槽沿高温空化器后壳周向均匀分布，每两个相邻间断微沟槽之间的凸台高度小于间断微沟槽结构突起。
更进一步的，所述结构热装甲和高温空化器后壳的前端面上均贯穿设置多个前端蒸汽通道且结构热装甲和高温空化器后壳上的前端蒸汽通道一一对应连通，所述高温空化器后壳上的全部前端蒸汽通道的出口端均与高温空化器后壳内设有的蒸汽腔连通，所述高温空化器后壳为前端面截面积大于后端面的梯形回转体，多个排气孔采用圆周均布的方式贯穿设置在所述高温空化器后壳的锥形壁面上并均与蒸汽腔连通。
更进一步的，所述高温空化器还包括导线和加热电极，所述加热电极贯穿设置在高温空化器后壳的前端面上，所述结构热装甲的后端通过加热电极与导线一端电连接，所述导线的另一端延伸到高温空化器后壳的后端面。
更进一步的，所述绝热薄膜上设有开孔，开孔间隙小于5μm。
更进一步的，所述高温空化器后壳的外壁为超疏水微结构表面。
根据本发明的另一个方面，提供一种包括上述高温空化器超空泡航行体，所述超空泡航行体还包括超空泡航基体，所述超空泡航基体的前端连接所述高温空化器，所述超空泡航基体内的发电机与导线电连接。
更进一步的，所述超空泡航基体外壁喷涂超疏水涂料。
根据本发明的另一个方面，提供一种上述高温空化器的加工方法，包括以下步骤：
S1、利用数控机床加工高温空化器后壳，在高温空化器后壳后端加工开孔并插入加热电极，在高温空化器后壳前端开前端蒸汽通道和导线通过孔，将导线一端连接在对应的加热电极上；
S2、用直径200μm的球头铣刀在60000r/min的主轴转速下以100mm/min的平动速度在结构热装甲上前端表面加工出导热柱和U型蒸汽通道，然后贯穿加工前端蒸汽通道，在导热柱的间隙中铺绝热薄膜，并在800℃下进行烧结固定；
S3、用300μm的球头铣刀在60000r/min的主轴转速下以150mm/min的平动速度在高温空化器后壳外壁加工间断微沟槽，冷却后喷涂含氟试剂进行超疏水处理；
S4、将结构热装甲和高温空化器后壳上的前端蒸汽通道一一对应连通并将导线与结构热装甲连接后，将结构热装甲和高温空化器后壳进行焊接。
根据本发明的另一个方面，提供一种使用上述高温空化器的方法，包括以下步骤：
S1、通过超空泡航基体的发电机对加热电极通电，加热电极通过导线对结构热装甲通电，结构热装甲上的导热柱被加热至1000℃以上后通过航行体后段进行高速发射入水；
S2、超空泡航行体入水后绝热薄膜吸收液体并将液体展开与导热柱充分接触，液体被加热气化为高温空泡后沿U型蒸汽通道扩散，部分进入蒸汽腔内后从排气孔排出，部分沿超疏水微结构表面运动，导热柱保持持续加热形成稳定空泡。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、基于抑制莱顿弗罗斯特效应的结构热装甲和高温高导热微柱进行加热，高温高导热微柱直接与液体接触使液体发生相变产生蒸汽超空泡，通过绝热薄膜吸收液体并快速分散，并配合U型蒸汽通道对超空泡进行导流，从而抑制莱顿弗罗斯特效应以提高导热效率；
2、通过基于增强莱顿弗罗斯特效应的超疏水微结构表面配合蒸汽腔内的高温空泡沿排气孔向后排出能够降低流体阻力，同时增强莱顿弗罗斯特效应，吸引前端产生的超空泡，起到稳定超空泡的作用，抑制了超空泡内部气体非定常输运引起的自激振荡不稳定性；
3、通过基于抑制莱顿弗罗斯特效应的结构热装甲和高温高导热微柱进行加热的方式能够避免使用额外的气源，能够稳定产生超空泡并实现长距离航行。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明所述的一种超空泡航行体的结构示意图；
图2为本发明所述的一种高温空化器的结构示意图；
图3为本发明所述的结构热装甲的结构示意图；
图4为本发明所述的间断微沟槽结构上表面和间断微沟槽的分布示意图；
图5为本发明所述的一种高温空化器的剖视图。
超空泡航基体1；高温空化器2；结构热装甲3；超疏水微结构表面4；排气孔5；高温空化器后壳6；导热柱7；绝热薄膜8；U型蒸汽通道9；间断微沟槽结构突起10；间断微沟槽11；蒸汽腔12；前端蒸汽通道13；导线14；加热电极15；凸台16。
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、完整地阐述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合，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。
参见附图说明本实施方式，根据本发明的一个方面，提供一种高温空化器，包括结构热装甲3、高温空化器后壳6、导热柱7、绝热薄膜8和U型蒸汽通道9，所述结构热装甲3连接在高温空化器后壳6的前端，所述绝热薄膜8固定在结构热装甲3前端，所述结构热装甲3前端面上设有横纵交错排布的多排导热柱7，全部所述导热柱7均穿过绝热薄膜8，每两横排所述导热柱7之间设有一个横向U型蒸汽通道9，每两纵列所述导热柱7之间设有一个纵向U型蒸汽通道，所有U型蒸汽通道位于绝热薄膜8和结构热装甲3前端面之间，工作时结构热装甲3和导热柱7发热形成超空泡。
在本实施例中，所述高温空化器后壳6侧壁上沿轴向等间距设置有多组间断微沟槽11，每组间断微沟槽11之间通过间断微沟槽结构突起10隔开；每组间断微沟槽11内的多个间断微沟槽11沿高温空化器后壳6周向均匀分布，每两个相邻间断微沟槽11之间的凸台16高度小于间断微沟槽结构突起10，能够增强莱顿弗罗斯特效应，从而增强疏水作用，稳定超空泡。
在本实施例中，所述结构热装甲3和高温空化器后壳6的前端面上均贯穿设置多个前端蒸汽通道13且结构热装甲3和高温空化器后壳6上的前端蒸汽通道13一一对应连通，所述高温空化器后壳6上的全部前端蒸汽通道13的出口端均与高温空化器后壳6内设有的蒸汽腔12连通，所述高温空化器后壳6为前端面截面积大于后端面的梯形回转体，多个排气孔5采用圆周均布的方式贯穿设置在所述高温空化器后壳6的锥形壁面上并均与蒸汽腔12连通，所述高温空化器还包括导线14和加热电极15，所述加热电极15贯穿设置在高温空化器后壳6的前端面上，所述结构热装甲3的后端通过加热电极15与导线14一端电连接，所述导线14的另一端延伸到高温空化器后壳6的后端面。
在本实施例中，所述绝热薄膜8上设有开孔，开孔间隙小于5μm，可以保证高温蒸汽向U型蒸汽通道9内扩散的同时隔绝了液体的进入。
在本实施例中，所述高温空化器后壳6的外壁为超疏水微结构表面4，所述导热柱7的温度大于1000℃，能够进行持续加热从而持续的产生超空泡。
根据本发明的另一个方面，提供一种超空泡航行体，包括上述高温空化器，它还包括超空泡航基体1，所述超空泡航基体1的前端连接所述高温空化器，所述超空泡航基体1内的发电机与导线14电连接，所述高温空化器后壳6外壁为超疏水微结构表面4，所述超空泡航基体1外壁喷涂超疏水涂料，能够增强莱顿弗罗斯特效应起到稳定超空泡的作用，超空泡航基体1、超疏水微结构表面4的温度维持在100℃～200℃以进一步增强表面超空泡气层的稳定性。
根据本发明的另一个方面，提供一种制造上述高温空化器的方法，包括以下步骤：
S1、利用数控机床加工高温空化器后壳6，在高温空化器后壳6后端加工开孔并插入加热电极15，在高温空化器后壳6前端开前端蒸汽通道和导线通过孔，将导线14一端连接在对应的加热电极15上；
S2、用直径200μm的球头铣刀在60000r/min的主轴转速下以100mm/min的平动速度在结构热装甲3上前端表面加工出导热柱7和U型蒸汽通道9，经过连续切割10-15次后达到300μm左右深度即可，然后贯穿加工前端蒸汽通道，孔径在200μm左右即可，在导热柱7的间隙中铺绝热薄膜8，并在800℃下进行烧结固定；
S3、用300μm的球头铣刀在60000r/min的主轴转速下以150mm/min的平动速度在高温空化器后壳6外壁加工间断微沟槽11，冷却后喷涂含氟试剂进行超疏水处理；
S4、将结构热装甲3和高温空化器后壳6上的前端蒸汽通道一一对应连通并将导线与结构热装甲3连接后，将结构热装甲3和高温空化器后壳6进行焊接。
根据本发明的另一个方面，提供一种上述高温空化器的使用方法，包括以下步骤：
S1、通过超空泡航基体1的发电机对导线14通电，导线14通过加热电极15对结构热装甲3通电，结构热装甲3上的导热柱7被加热至1000℃以上后通过航行体后段进行高速发射入水；
S2、超空泡航行体入水后绝热薄膜8吸收液体并将液体展开与导热柱7充分接触，液体被加热气化为高温空泡后沿U型蒸汽通道9扩散，部分进入蒸汽腔12内后从排气孔5排出，部分沿超疏水微结构表面4运动，导热柱7保持持续加热形成稳定空泡。
以上公开的本发明实施例只是用于帮助阐述本发明。实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。

Claims (10)

1.一种高温空化器，其特征在于：包括结构热装甲(3)、高温空化器后壳(6)、导热柱(7)、绝热薄膜(8)和U型蒸汽通道(9)，所述结构热装甲(3)连接在高温空化器后壳(6)的前端，所述绝热薄膜(8)固定在结构热装甲(3)前端，所述结构热装甲(3)前端面上设有横纵交错排布的多排导热柱(7)，全部所述导热柱(7)均穿过绝热薄膜(8)，每两横排所述导热柱(7)之间设有一个横向U型蒸汽通道(9)，每两纵列所述导热柱(7)之间设有一个纵向U型蒸汽通道，所有U型蒸汽通道位于绝热薄膜(8)和结构热装甲(3)前端面之间，工作时结构热装甲(3)和导热柱(7)发热形成超空泡。
2.根据权利要求1所述的一种高温空化器，其特征在于：所述高温空化器后壳(6)侧壁上沿轴向等间距设置有多组间断微沟槽(11)，每组间断微沟槽(11)之间通过间断微沟槽结构突起(10)隔开；每组间断微沟槽(11)内的多个间断微沟槽(11)沿高温空化器后壳(6)周向均匀分布，每两个相邻间断微沟槽(11)之间的凸台(16)高度小于间断微沟槽结构突起(10)。
3.根据权利要求2所述的一种高温空化器，其特征在于：所述结构热装甲(3)和高温空化器后壳(6)的前端面上均贯穿设置多个前端蒸汽通道(13)且结构热装甲(3)和高温空化器后壳(6)上的前端蒸汽通道(13)一一对应连通，所述高温空化器后壳(6)上的全部前端蒸汽通道(13)的出口端均与高温空化器后壳(6)内设有的蒸汽腔(12)连通，所述高温空化器后壳(6)为前端面截面积大于后端面的梯形回转体，多个排气孔(5)采用圆周均布的方式贯穿设置在所述高温空化器后壳(6)的锥形壁面上并均与蒸汽腔(12)连通。
4.根据权利要求3所述的一种高温空化器，其特征在于：所述高温空化器还包括导线(14)和加热电极(15)，所述加热电极(15)贯穿设置在高温空化器后壳(6)的前端面上，所述结构热装甲(3)的后端通过加热电极(15)与导线(14)一端电连接，所述导线(14)的另一端延伸到高温空化器后壳(6)的后端面。
5.根据权利要求1所述的一种高温空化器，其特征在于：所述绝热薄膜(8)上设有开孔，开孔间隙小于5μm。
6.根据权利要求1所述的一种高温空化器，其特征在于：所述高温空化器后壳(6)的外壁为超疏水微结构表面(4)。
7.一种超空泡航行体，包括权利要求1-6中任一项所述的一种高温空化器，其特征在于：所述超空泡航行体还包括超空泡航基体(1)，所述超空泡航基体(1)的前端连接所述高温空化器，所述超空泡航基体(1)内的发电机与导线(14)电连接。
8.根据权利要求7所述的一种超空泡航行体，其特征在于：所述超空泡航基体(1)外壁喷涂超疏水涂料。
9.一种制造权利要求1-6中任一项所述的一种高温空化器的方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、利用数控机床加工高温空化器后壳(6)，在高温空化器后壳(6)后端加工开孔并插入加热电极(15)，在高温空化器后壳(6)前端开前端蒸汽通道和导线通过孔，将导线(14)一端连接在对应的加热电极(15)上；
S2、用直径200μm的球头铣刀在60000r/min的主轴转速下以100mm/min的平动速度在结构热装甲(3)上前端表面加工出导热柱(7)和U型蒸汽通道(9)，然后贯穿加工前端蒸汽通道，在导热柱(7)的间隙中铺绝热薄膜(8)，并在800℃下进行烧结固定；
S3、用300μm的球头铣刀在60000r/min的主轴转速下以150mm/min的平动速度在高温空化器后壳(6)外壁加工间断微沟槽(11)，冷却后喷涂含氟试剂进行超疏水处理；
S4、将结构热装甲(3)和高温空化器后壳(6)上的前端蒸汽通道一一对应连通并将导线与结构热装甲(3)连接后，将结构热装甲(3)和高温空化器后壳(6)进行焊接。
10.一种使用权利要求1-6所述的高温空化器的方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、通过超空泡航基体(1)的发电机对导线(14)通电，导线(14)通过加热电极(15)对结构热装甲(3)通电，结构热装甲(3)上的导热柱(7)被加热至1000℃以上后通过航行体后段进行高速发射入水；
S2、超空泡航行体入水后绝热薄膜(8)吸收液体并将液体展开与导热柱(7)充分接触，液体被加热气化为高温空泡后沿U型蒸汽通道(9)扩散，部分进入蒸汽腔(12)内后从排气孔(5)排出，部分沿超疏水微结构表面(4)运动，导热柱(7)保持持续加热形成稳定空泡。
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