张孝石， 王 聪， 张耐民， 赵成功

(1. 哈尔滨工业大学 航天学院, 哈尔滨 150001； 2. 北京宇航系统工程研究所， 北京 100076)

通气航行体表面压力脉动特性实验研究

张孝石1， 王 聪1， 张耐民2， 赵成功1

(1. 哈尔滨工业大学 航天学院, 哈尔滨 150001； 2. 北京宇航系统工程研究所， 北京 100076)

通过水洞实验对水下通气航行体云状空泡进行了实验研究，对比分析了不同空化数下航行体表面压力脉动特性。为了研究通气空化的脉动特性，通过动态测力系统测量了航行体表面的压力，并对压力信号进行了频谱分析，得到了通气航行体表面压力在不同空化数下通气空化的频域特征。实验得到以下结论：通气空泡形态与其对应的表面压力脉动特征随着空化数的变化存在明显不同的非定常特性，通气空化流场形态与表面压力脉动特征频率有较高的相关性。并且不同空化数下通气空化压力脉动主要是由大尺度空泡周期性脱落引起，表面压力的特征频率与空泡的断裂脱落相对应；随着空化数的减小，航行体平均表面压力峰值逐渐增大，空泡脱落后表面压力波动逐渐趋于平缓。

水下航行体； 水洞实验； 空泡脱落； 稳定性； 频域分析； 脉动特性

水下航行体高速运动过程中，当航行体周围的环境压力低于饱和蒸汽压时，航行体周围会产生明显的空化现象。空化产生的空泡发生断裂、脱落和溃灭，导致航行体表面有较大压力波动，影响航行体周围流场的稳定性，在出水过程中由于空泡的溃灭也会形成较大载荷。向空泡内人工通气不仅可以降低空化数、增加泡内压力而且可以提高空泡的稳定性。人工通气已经成为一项调节空化流场不稳定性的重要方法与技术。

国内外对于空化问题进行了大量试验研究。Reichardt[1]于1946年首次提出通过人工通气的方法生成超空泡，后来的通气空泡研究都是基于此思想；Silberman等[2]通过试验研究了通气空泡的振荡规律，得到了通气量与空泡形态和泡内压力之间的关系； Matveev等[3]通过水洞试验研究了不同空化数下空泡的稳定长度，从不同的空泡长度中分析了空泡在没有泄气和有泄气情况空泡的长度变化。黄彪等[4]通过实验研究了轴对称体空化水动力脉动特性。Ceccio[5]综合实验和数值计算对局部空泡和超空化的机理和减阻问题进行分析总结，得到通气可以使得航行体模型表面呈现气液混合状态，气泡使得航行体表面形成减阻气层。Semenenko[6]通过实验并结合理论研究通气空泡3种不同的泄气方式。Kozlov等[7]通过实验研究了通气参数对云状空泡的影响规律。Wang 等[8]通过实验和数值仿真研究了航行体通气云状空化，结果表明受到空泡末端的逆压梯度影响，在回射流影响下，通气云状空化经历了断裂、脱落和溃灭等现象，并对其机理进行了分析。王海滨等[10]通过水洞实验研究了水下航行体通气超空化的特性，并分析了通气空泡与重力、阻力和通气率之间的关系。邢彦江等[11]通过水洞实验分析了不同尾翼楔角对超空泡航行体阻力系数与升力系数的影响。Wu等[13]通过边界元法研究了有附着空泡水下高速运动航行体的运动学和动力学特性；于娴娴等[9]通过数值模拟分析了通气质量流量和动量流量对空化演变过程的影响。尤天庆等[12]通过数值计算研究了航行体出水过程中含气空泡溃灭现象。计算结果表明，空泡溃灭会在航行体表面形成冲击载荷，通过提高空泡内压力可在一定程度上减小空泡溃灭产生的压力脉动。目前针对通气空化减阻作用和稳定性的研究已经取得了很多成果，研究主要针对超空化，而对于通气局部云状空化的研究较少。本文利用水洞进行了水下通气航行表面压力脉动实验研究，比较了不同空化数条件通气航行体压力脉动特征，分析了不同空化数空泡压力脉动与稳定性。

1 实验装置与方法

1.1实验装置及模型

实验主要依托哈尔滨工业大学循环式高速通气空泡水洞实验系统进行，该实验系统主要包括水洞及其操控系统如图1所示，其中工作段的长度为1 m，横截面为260 mm×260 mm的正方形如图2所示。为了便于观察工作段上下及前后侧面装有透明的有机玻璃，方便通过高速摄像观察空泡形态。水洞尾水罐可以移除通气实验产生的气泡，可进行长时间连续通气实验。模型及调节系统、光学测试系统、流体力测试系统、通气系统以及其它辅助系统，如图3所示。其中传感器数据线和通气管由尾支撑处引入；测力系统由安装于模型表面的传感器信号采集与记录系统等部分组成，通过压力信号可以计算该状态下模型的表面压力。空化数的调节主要有三种方法：改变空泡内压，改变环境压力和改变来流速度，本文主要通过改变空泡内压力实现实验过程中空化数调节。

本实验使用的航行体模型，材质为铝合金，长度为L=315 mm，直径为D=40 mm；模型肩部有宽度为1 mm的通气环，距离头部和尾部分别为19 mm和315 mm；航行体模型内部装有七个压力传感器，实验过程中实时测得航行体表面压力，具体结构，如图4所示。

图1 水洞示意图

图2 水洞工作段

图3 水洞实验系统示意图

图4 航行体模型

1.2实验方法

实验主要测量在给定空化数条件下，不同模型空化特性及流体动力特性。具体进行水洞实验时先将模型安装至水洞工作段内并调整模型为0°攻角，将摄像系统、数据采集系统以及水洞系统调试完成。实验时，调节水洞流速，在流速稳定时记录数据。实验中空化数和通气率分别定义为

对于一个随机信号，为了研究其内在规律，频谱分析是研究其内在规律的最基本的分析方法之一。在频谱分析模块中，时域数据经过FFT(Fast Fourier Transformation)变换后得到其傅里叶谱的幅值谱。快速傅里叶变换傅里叶变换的定义为

式中：ω=2πf；f(t)为时域序列；F(ω)为频域的谱函数序列。

2 实验结果及分析

实验中，对0.39、0.41、0.44和0.48四种空化数下空泡形态和通气空化流场的压力脉动特性进行了分析。在以下讨论的结果中，实验模型攻角0°，调节水洞流速为8 m/s，通过真空泵调节工作段压力为68.4 kPa，通过改变通气质量流量改变空化数。

图5为空泡脱落示意图，首先空泡长度发展到最长，随后在逆压梯度的作用下空泡尾部形成回射流，回射流向空泡内部运动，最后导致空泡表面波动并出现空泡凹陷、断裂，断裂空泡脱落向航行体尾部运动，使得航行体表面有压力脉动，通过航行体表面压力传感器可以捕捉到脱落空泡对航行体表面压力脉动的影响。

图6给出了四种非定常特性比较明显的空泡脱落形态，不同空化数下绕航行体非稳定空泡的变化过程呈现出明显的周期性演变，通气空泡闭合位置受到回射流作用呈现空泡振荡的不稳定状态，随后空泡表面凹陷导致空泡发生断裂，空泡的断裂现象是造成空泡不稳定的主要因素，空泡断裂、脱落后继续向航行体尾部运动，脱落的空泡撞击在航行体表面使得航行体表面产生压力脉动。随着空化数的增大，通气空化区域的长度逐渐减小，空泡尾部的空化漩涡尺寸较小，脱落的空泡团尺度较小，脱落空泡运动加快，空泡脱落周期变小。

图5 空泡脱落示意图

(a)σ=0.39(b)σ=0.41

(c)σ=0.44(d)σ=0.48

图6 不同空化数空泡形态

Fig.6 Patterns of ventilated cavitation

实验中分别测量了不同空化数下，航行体受到的表面压力，实验过程中采样频率为1 kHz，样本长度为1 s。以航行体表面压力讨论空泡脱落对航行体表面压力脉动特性的影响。图7是实验测得不同空化数航行体表面压力随时间的变化图并给出了相同工况下表面压力的波动范围。结合图7(a)～(b)可知，不同空化数下航行体表面压力变化规律有较大差别。

(a) σ = 0.39

(b) σ = 0.41

(c) σ = 0.44

(d) σ = 0.48

由于航行体的表面压力和空泡形态密切相关，图7给出了不同空化数下云状空化阶段空泡脱落后航行体表面压力脉动随时间变化图。其中C1-C7为表面压力传感器测得的压力，C8为对应工况的水洞工作段压力。当空化数σ= 0.39时如图7(a)所示，压力传感器C1-C5压力均小于工作段压力C8，因此传感器C1-C5在通气空泡内，C6、C7在空泡闭合位置及以后并可以捕捉到空泡脱落对航行体表面的压力冲击，C1-C5压力曲线呈现无规则的小幅脉动现象，C6、C7压力波动幅值明显较大，曲线波动的周期性逐渐显现，这是由于非定常空泡周期性脱落在航行体表面产生的压力脉动，随着空化数σ增大到0.41时如图7(b)，空泡长度变小，空泡闭合位置在传感器C4位置处，压力传感器C1-C3在空泡内，C4-C7在空泡外并且可以捕捉到空泡脱落产生的压力冲击，并且可以看出C4-C7压力波动幅值逐渐减小，这是由于随着空泡脱落远离脱落位置，空泡撞击航行体表面的能量逐渐减小，从而导致波动幅值逐渐减小。随着空化数继续增大，当空化数σ为 0.44和0.48时如图7(c)～(d)，空泡长度继续减小，压力传感器C2-C7均在空泡外，并且压力波动幅值与空化数为0.41时有相同变化规律。

为了更好地分析空泡脱落对航行体表面压力脉动特性的影响，通过快速傅里叶变换将通气空化流动中空泡脱落过程中表面压力信号的时域特性转换为频域特性进行分析。图8为通过傅里叶变换后得到的航行体表面压力的频谱分析图。通气空泡周期性断裂、脱落，空泡脱落后撞击航行体表面，与航行体表面压力信号的变化状态对应，图8中压力脉动频率是空泡脱落固有的脉动频率，与上述空泡脱落对应。图8给出了空化数分别为0.39、0.41、0.44和0.48时基于表面压力的频谱图，横坐标为频率，纵坐标是振幅。从图8可以看出，空化数为0.39时，空泡脱落周期性明显，由于空泡较长，只有传感器C7能捕捉到空泡脱落的压力脉动，主频峰值为7.57 Hz。当空化数为0.41时，空泡脱落周期明显，且随着空化数的增大，主频值亦逐渐增到9.52 Hz。空化数为0.44、0.48时，空泡变化的周期性逐渐减弱，这从振幅逐渐减小可以看出，表面压力变化的频率为10.99 Hz和11.96 Hz。对比四种空化数表面压力随时间变化规律，表明空泡周期性脱落，随着空化数的增大频率增大。图8(a)～(b)主频分别为7.57、9.52、10.99、11.96 Hz，从而得到空泡脱落周期分别为132.3 ms、105.0 ms、91.0 ms和83.6 ms。随着空化数的增大脱落频率呈现增大趋势，脱落周期减小。随着脱落空泡远离脱落位置，脱落空泡对航行体表面压力波动影响逐渐减小，如图8(b)～(c)箭头所示。

对航行体表面压力波动统计分析，分别计算压力均值和均方差说明不同工况航行体表面压力波动情况。表面压力均值和压力波动均方差分别为

(a) σ = 0.39

(b) σ = 0.41

(c) σ = 0.44

(d) σ = 0.48

图9为在四种不同空化数下，航行体平均表面压力在不同位置处的变化曲线。图9可以看出，航行体表面压力变化规律基本一致。航行体表面压力在空泡闭合位置达到最大值，之后压力逐渐减小，并且航行体表面平均压力峰值随着空化数的减小而增大。图10分别为不同空化数下表面压力均方差，随着空化数的减小而减小，不同工况下均方差的最大值也呈现减小趋势，从而可以说明，空泡脱落产生的压力脉动随着空化数的减小波动越小，从而通气量的增大可以减小航行体表面压力脉动。

图9 不同空化数平均压力

图10 不同空化数表面压力均方差

3 结 论

本文通过水洞实验并采用高速摄像的方法研究了通气对航行体空泡形态，并从频域角度分析了航行体表面压力信号，分析了不同空化数下空泡脱落频率和稳定性，得到以下结论：

(1) 空泡形态的非定常发展特性与压力特征频率存在高度的相关性，不同空化数下，通气航行体表面呈现不同的压力脉动特性；

(2) 通气空泡流动的脉动主要是由空泡周期性脱落引起的。空化数分别为0.39、0.41、0.44和0.48时，空泡脱落的频率分别7.57、9.52、10.99、11.96 Hz随着空化数的增大空泡脱落频率逐渐增大；

(3) 随着空化数的减小，航行体平均表面压力峰值逐渐增大，空泡脱落后表面压力波动逐渐趋于平缓。

本文对不同空化数下空泡脱落对航行体表面压力脉动特性问题作了初步研究，深入的机理和规律还需要进一步开展研究和分析。

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Testsforpressurefluctuatingcharacteristicsaroundaventilatedunderwatervehicle

ZHANG Xiaoshi1, WANG Cong1, ZHANG Naimin2, ZHAO Chenggong1

(1. School of Astronautics, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China；2. Beijing Institute of Astronautic Systems Engineering, Beijing 100076, China)

The cloud type cavity around a ventilated underwater vehicle was investigated in water tunnel. The test was conducted to study pressure fluctuating characteristics of the vehicle surface under different cavitation numbers. In order to analyze the cavity stability around the vehicle in water flow, a dynamic force measurement system was used to measure surface pressures of the ventilated underwater vehicle under different cavitation numbers, the recorded pressure signals were analyzed in frequency domain to get their frequency spectra. The frequency domain features of the pressure fluctuating characteristics were obtained. The results showed that cavity shapes and pressure fluctuating features with the variation of cavitation number have obvious unsteady characteristics, the states of cavity flow field are highly correlated with feature frequencies of pressure fluctuating; for the ventilated underwater vehicle, its surface pressure fluctuating is caused due to large size cavies’ periodically shedding; the mean pressure peak value of the vehicle surface increases with decrease in cavitation number and the surface pressure fluctuation is small after cavity shedding.

underwater vehicle; water tunnel test; cavity shedding; stability; frequency domain analysis; fluctuating characteristics

2016-01-18 修改稿收到日期：2017-07-11

张孝石 男，博士，1987年生

王 聪 男，教授，博士生导师，1966年生

TV131.32

： A

10.13465/j.cnki.jvs.2017.17.014