超空泡减阻技术简介
立项报告1
立项报告1、项目简介水下超空泡射弹是一种新型水下武器，在功能上与脱壳穿甲弹相似，依靠弹道末端高的动能存量打击目标。
超空泡射弹的工作介质是水，而物体在水中所受到的阻力约为在空气中的1000倍，用常规方法明显提高水下航行体速度要受到很大的限制。
一段时间以来，研究人员尝试了各种减阻的方法，如边界层抽吸减阻等，但减阻效果通常都不理想。
超空泡减阻技术是一种可以使水下高速运动航行体获得90%减阻量的革命性减阻方法，基于这种新概念、新原理研制的水下超空泡射弹，可以突破普通射弹水下运动极限，使水下射弹的速度提高到1000m/s的量级，大大增加射弹的行程和杀伤力，提高进攻和防御能力。
射弹在水中高速运动时，贴近其表面的液体压力就会降低，当射弹的速度增加到某一临界值时，流体的压力将等于其饱和蒸汽压力，此时流体就会发生相变，由液相变为汽相，这就是空化现象。
随着航行体速度的不断增加，空泡沿着航行体表面不断后移、扩大、发展进而形成超空泡。
它的形成使液体对物体表面的浸湿面积减少，从而大大降低了粘性阻力，达到减阻的效果。
本项目拟通过对已有的射弹结构进行动力特性和流体动力分析，并综合考虑阻力系数、升力系数等各种水动力系数以及应用情况来最终优化结构设计，进一步减小射弹运动时受到的阻力、提高其运动时的稳定性。
2、申请理由本试验小组四人，均来自航天学院飞行器设计与工程专业，在中学时都受过专门的数学竞赛培训，拥有扎实的数学功底和娴熟的研究技能。
通过一年的大学学习，我们熟练掌握了高等数学和线性代数这两项研究中基础性的工具以及必要的工程制图知识，学会了查阅文献的基本方法。
在导师魏英杰教授的指导下，我们查阅了相关的文献，对本课题已经具有了充分的了解和认识。
在与学长们的交流中，我们接触并自学了Matlab、AutoCAD等工具软件。
在接下来的暑假中，我们计划自学相关的专业知识如流体力学和结构动力学等，并自学相关的力学分析软件如Fluent，为接下来的设计优化工作打好基础。
哈工大流体力学章十三讲解
Fr
4
2]
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通气超空泡的生成与控制
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通气超空泡的生成与控制
通气角度的影响：
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通气超空泡的生成与控制
重力的影响：
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V = 8.9 m/s
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通气超空泡的生成与控制
通气超空泡的形态：
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带空泡航行体的稳定性技术
被动控制指的是依赖航行体设计阶段进 行的适当的流体动力布局及若干非人工控制 的稳定措施来保证运动稳定性的控制方法， 如空化器、模型弹身及尾翼等的形态及流体 动力的设计。
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超空泡技术试验研究进展
乌克兰/俄罗斯 美国 德国 国内
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超空泡技术试验研究进展
俄罗斯和乌克兰的超空泡研究工作实 为一体，多数超空泡试验都在乌克兰进行 。俄罗斯莫斯科大学数学力学系流体力学 教研室、莫斯科大学力学研究所以及中央 空气、水动力学研究院、乌克兰科学院流 体力学研究所等部门开展了超空泡问题的 试验研究。
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空泡稳定性与控制技术
通气不稳定性 自由剪切层不稳定014 HIT
空泡稳定性与控制技术
通气不稳定性主要与通气率和自然空化数有 关，Parishev等应用线形稳定性理论对轴对 称空泡进行了研究，认为通气超空泡的主要 动力学特性取决于无量纲参数
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空化器设计
圆盘空化器
超空泡技术
空化空蚀图片：/cavitation/item/9d66c31c27024f0cd0d66dba
超空泡技术概述
当航行体与水之间发生高速相对运动时，航行体表面附近的水 因低压而发生相变，形成覆盖航行体大部分或全部表面的超空 泡。 形成超空泡之后，航行体将在气体中航行，由于航行体在水中 的摩擦阻力约为在空气中摩擦阻力的 850 倍，超空泡技术的应 用可以使水下航行体的摩擦阻力大幅减小，从而使鱼雷等大尺 度水下航行体的速度提高到 100m/s 的量级，使水下射弹等小 尺度水下航行体的航速提高到1000m/s的量级
超空泡减阻技术
空化器设计技术 通气控制技术
超空泡数值模拟技术 等……….
空化器设计技术
空化器是超空泡试验模型中最重要的组成部分。它一方 面在模型头部的流场中产生一个较大的负压峰值，使空泡易 于发生，另一方面非流线形的空化器一旦产生空泡, 空泡便 总是起始于空化器的最大圆周处 , 有利于获得稳定和确定的 空泡形态。传统的典型空化器主要是圆盘或圆锥空化器。
自然超空泡形态特性
弹体入水时速度最大，空泡数最小，超空泡稍微滞后达到最 大尺寸；随着速度逐渐降低，空泡数逐渐增大，超空泡的尺 寸逐渐减小；当弹体速度降低到较小值时，超空泡的边界逐 渐模糊、蜕化为局部空泡；速度继续降低，则空泡进一步剥 离溃灭气泡融入尾流，直至消失。
通气超空泡形态特性
通气开始时在空化器后形成一个有大量气泡组成的游移型空泡，当通 气量足够大以至气泡密度达到某一临界值时，游移型空泡转变为椭球 形的附着空泡，在附着空泡内部可以看到剧烈的回注射流向前发展并 与通入的气体相互作用形成雾状多相流区域，使得附着空泡看上去比 较混浊。继续增加通气量使得通气空泡数降低到某一阀值后，空泡长 度和厚度突然明显增加，由混浊的局部空泡转变为覆盖模型大部分表 面的透明的超空泡。
水下航行体通气超空泡减阻特性实验研究
SHIP ENGINEERING 船舶工程V ol.28 No.3 2006 总第28卷，2006年第3期水下航行体通气超空泡减阻特性实验研究王海斌，张嘉钟，魏英杰，王聪，于开平，贾力平（哈尔滨工业大学航天学院，哈尔滨 150001）摘 要：为了研究超空泡的减阻效果，保证在较低流速下生成超空泡，在水洞中开展了水下航行体通气超空泡的实验研究.采用通气的方法在较低水速下生成人工通气超空泡，通过改变通气率和弗劳德数，获得了不同条件下通气空泡的长度，以及不同空泡长度下的模型阻力系数.研究表明，来流速度不变时，空泡长度随通气率的增加而增加，阻力系数随空泡长度的增加先递增后递减；空化器直径对阻力系数的影响较大，在大弗劳德数条件下，阻力系数会因空化器直径过大而出现随通气量的增加而变大的趋势.利用商用软件对超空泡形态及阻力系数作了数值仿真，并与实验结果作了对比，两者符合较好.关键词：水动力学；水下航行体；通气超空泡；弗劳德数；阻力系数；水洞实验中图分类号：TV131.3 文献标识码：A 文章编号：1000-6982 (2006) 03-0014-04Experimental study of the drag reduction of ventilatedsupercavity of underwater bodiesW ANG Hai-bin, ZHANG Jia-zhong, WEI Ying-jie, W ANG Cong, YU Kai-ping, JIA Li-ping (School of Astronautics, Harbin University of Technology, Harbin 150001, China)Abstract:In order to explore the drag reduction of supercavity and guarantee forming supercavity in lower velocity, experiments of the ventilated supercavity of underwater bodies have been performed in cavitation tunnel.Supercavities have been formed by using the method of ventilation in lower velocity. By changing ventilation volume and Froude number, a series of supercavity lengths have been obtained in different conditions and drag coefficients of model at different cavity lengths are gained. The experimental investigation shows that, at constant velocity, the supercavity length increases with the increase of ventilation volume and the drag coefficient of model increases initially and then begins to reduce with the increase of the cavity length. The cavitator diameter largely influences the drag coefficient which, under the condition of large Froude number, begins to increase with the increase of ventilation rate because of too large cavitator diameter. Numerical simulation of supercavity shape and drag coefficient has been made by using the commercial software, and the results fit well with the experimental results.Key words: hydrodynamics; underwater body, ventilated supercavity, Froude number, drag coefficient; water tunnel experiment0 引言在水下航行体的研制与开发过程中，空化现象作为水下环境的一个主要特征已引起人们的高度重视.研究发现，借助超空泡的减阻效应，水下航行体可以达到非常高的速度，自主机动航行体的减阻可达80%以上，其阻力系数的量级相当于空气中自由飞行的炮弹[1].超空泡产生的必要条件是空化数小于0.1，实现这个条件一般有三种途径：1）提高航行体的速度至45m/s 以上；2）降低流场压力；3）利用人工通气的方法增加空泡内压力形成超空泡.Reichardt[2]首次提出通过人工通气的方法来研究超空泡.Phillip B.Behm (2001)开展了通气规律的研究[3]，对水下航行体模型进行了人工通气试验.他发现人工通气后航行体阻力减小，与自然超空收稿日期：2005-07-04；修回日期：2005-10-16作者简介：王海斌（1976-），在读博士生.研究方向：空泡流的实验和数值模拟.泡有相同的减阻效果，但如果通气参数控制不当反而会增大航行体阻力.冯学梅等[4]对45°锥头的细长体进行了通气空泡实验，得到临界空化数为0.166，当空化数低于这个临界值时超空泡产生，再进一步降低空化数，阻力系数呈下降趋势.但上述实验模型采用腹支撑形式，由于导流罩的影响，很难产生真正意义上的超空泡.在本文的研究中，笔者通过水洞实验对通气率与空泡形态的关系作深入的分析和研究，得到不同空泡长度下的模型阻力系数；分析空泡长度和空化器形状对阻力系数的影响，同时利用商用软件进行了数值模拟，并与实验做了对比.1 实验设备与模型通气空泡实验所用的中高速空泡水洞为封闭循环模式，工作段长2m ，截面内径0.2m .工作段流速（0~25）m/s ，连续可调.实验用测力系统为六分力应变式天平，精度7‰.此外，本实验专门研制了外置通气系统.航行体实验模型由空化器、航行体后体和尾部支撑构成.实验采用的空化器模型有圆盘、圆锥和倒锥等系列（图1(a)）.航行体后体由通气碗、扩张段和圆柱段构成，其中通气碗与扩张段连接处为圆周式的通气槽.模型采用尾支撑结构形式，用长支杆与模型内的天平相连接（图1(b)），测试用管路和线路由模型内部经支杆引出水洞.支杆采用流线型设计，以使其对模型的扰动减至最小. 图1 部分空化器模型和实验模型2 通气空泡的特性实验通气空泡实验的主要相似参数为空化数σ和弗劳德数Fr .空化数定义为20.5cp p V σρ∞∞−= （1） 其中，V ∞和p ∞分别为水洞工作段水速（m/s ）和压力（Pa ）；p c 为空泡内部压力（Pa ）；ρ为液体的密度（kg/m 3）.弗劳德数定义为Fr = （2）其中，来流速度∞V 取水洞工作段的水速，m/s;特征长度取为空化器的直径n D ，m .通气率定义为2n Q Q V D ∞= （3） 其中Q 为通气量，m 3/s . 在通气实验中，首先固定水洞工作段水速∞V 和压力∞p ，通过控制通气的流量和压力来获得不同的空化数，得到不同长度的空泡,利用六分力天平记录此状态下的阻力值.然后再逐步提高工作段水速，得到不同弗劳德数下的通气空泡长度值.在低速情况下影响超空泡形状的主要参数为σ和Fr ，由于模型的大部分被空泡包围，水的粘性作用可以忽略，因此在实验中没有考虑雷诺数.3 实验结果与分析3.1 空泡长度对阻力系数的影响阻力系数定义为：A V RC d 25.0∞=ρ （4） 其中，R 为模型受到的阻力；A 为模型后段圆柱体的横截面积.由于重力场的影响，在小弗劳德数下通气空泡会出现严重的不对称性（图2(a)），这就给空泡长度的测量带来了很大困难.本文中定义空泡长度如下：221L L L c += （5） 其中，L 1和L 2的意义见图2(b).图2 非对称通气空泡及其长度定义示意图图3给出了不同弗劳德数下通气率与通气空泡长度关系的实验结果，其中，空泡长度L c 以空化器直径D n为特征长度作了无量纲化处理.可见，随着通气率（a ）部分空化器模型（b ）实验模型（a ） 非对称的通气空泡空泡界面L 2L 1（b ） 通气空泡长度示意图的增大，空泡长度有明显的增加.这是由于通气率的增加导致了空泡内压力p c 的值变大，由公式（1），在其它量不变的情况下，空化数随之减小，空泡长度因此变大.图3 不同弗劳德数下空泡长度与通气率的关系图4给出了不同弗劳德数下阻力系数与空泡长度关系的实验结果.从图中可以看出，两种弗劳德数下模型的阻力系数随空泡长度的变化规律基本上是相同的：当空泡长度较小时，阻力系数随着空泡长度的增加而增加；当空泡长度达到某一个值时，阻力系数才随着空泡长度的增加而减小.空泡长度与模型长度相等时，阻力系数达到最小值.此后，阻力系数比较稳定，它不再随空泡的长度而变化.图4 阻力系数与空泡长度的关系（L 0为模型长度）模型的阻力包括压差阻力和粘性阻力两部分，其中，压差阻力除了与模型的头部和尾部有关外，主要取决于模型的横截面积，而粘性阻力与模型表面积及其沾湿介质的密度有关.空泡从无到有的过程，相当于增加了模型的横截面积，从而导致了压差阻力的增加.由于空泡的长度较短，对粘性阻力的影响也很小，因此总阻力变大.随着空泡长度的增加，粘性阻力大幅度减小，虽然此时的压差阻力随空泡横截面的增加而缓慢递增，但总阻力却越来越小.当空泡长度与模型长度相等时，粘性阻力减至最小，此后它将不随空泡长度的变化而改变.空泡的长度继续增加（L c ＞L 0）时，空泡横截面基本上不再变化，因此总阻力基本保持稳定.此外，由图4可以看出，弗劳德数较大时阻力系数反而较小.这是由于弗劳德数影响了空泡形态的不对称，给空泡长度的测量带来了误差.而弗劳德数越大，对空泡形态的影响就越小[1]，因此，大弗劳德数时的空泡长度更接近实际情况，其阻力值也较小一些. 3.2 空化器直径对阻力系数的影响图5给出了不同弗劳德数下阻力系数与空化器直径关系的实验结果.从图中可以看出，随着通气量的增加，不同直径空化器模型的阻力系数呈现出不同的变化规律.通气量较小时，两种空化器的阻力系数都随通气量的增加而减小，其中，D n 为14mm 的空化器模型减阻较为明显.随着通气量增加，大空化器模型的阻力系数变得较为平缓，并且出现加大的趋势，这种现象在弗劳德数较大时更为显著.而小直径空化器模型的阻力系数持续降低，其减阻郊果逐渐超过大空化器模型.由此可见，对于不同的头型，并不是只要通气形成空泡就可以达到减阻的效果，阻力与空化器参数和通气量有很大关系.图5 阻力系数与空化器直径的关系L c /D nQ（a ） Fr =20.420.030.060.090.12L c /D n Q （b ） Fr =34.99L c/L 0阻力系数C d0.00.20.40.6通气量Q /m 3⋅h-1阻力系数C d0.10.20.30.40.5（a ） Fr =20.420.10.20.30.40.5通气量Q /m 3⋅h -1（b ） Fr =29.75阻力系数C d4 阻力系数的数值仿真为了更深入地研究通气超空泡的减阻效果，利用商用软件对气液两相流现象作了数值仿真.仿真计算时采用气液两相流模型，将气液两相混合流作为密度可变的单一流体，来求解混合物的连续性方程和动量方程，湍流模型采用的是标准的k -ε模型.压力与速度之间的耦合求解采用的是SIMPLE 算法.混合物的密度定义如下：)1(v v v l m αραρρ−+= （6） 其中，a v 为气液混合物中气体的体积份额；ρ l 和ρv 分别为液体和气体的密度.图6给出了通气空泡形态的仿真结果，由图可以看出，随着通气量的增加，空泡的长度和厚度都在变大，这与实验结果是一致的.图6 通气空泡形态的数值仿真结果图7 阻力系数的数值仿真结果图7给出了模型阻力系数随空泡长度的变化.为了探索空泡的减阻机理，将总阻力系数分为压差阻力系数和粘性阻力系数两部分，分别对应于图7中的曲线total, pressure 和viscous .从图中可以看到：随着空化数的减小，物体表面压差阻力系数增大，而粘性阻力系数减小.前者是由于空泡厚度增加，使物体的形状阻力增加；后者是由于通气引起的流体密度降低.当L c /L 0＞0.3之后，粘性阻力系数降低的幅度大于压差阻力系数增加的幅度，总阻力系数曲线从原来的上升趋势变为下降趋势,这与实验结果基本上是一致的.5 结论通过对通气超空泡航行体的水洞实验研究与分析，可以得到如下结论：（1）来流速度不变时，空泡长度随通气率的增加而增加.重力场造成了空泡形态的严重不对称，给空泡长度的测量带来了极大的不确定性，尤其是在小弗劳德数下这种现象更加明显.但随着弗劳德数的增大，重力对空泡形态的影响将越来越小.（2）航行体阻力系数随着空泡长度的增加先递增后递减，当空泡长度与航行体长度相等时，阻力系数达到最小，且基本上不再随空泡长度的增大而变化.（3）空化器直径对阻力系数的影响较大，在大弗劳德数条件下，阻力系数会因空化器直径过大而出现随通气量的增加而变大的趋势.参考文献：[1] 袁绪龙，张宇文，王育才等.水下航行体通气超空泡非对称性研究[J].力学学报，2004，36（2）：146-150. [2] Reichardt H. The laws if cavitation bubbles as axiallysymmetrical bodies in a flow[R]. Ministry of Aircraft Production(Great Britian), Reports and Translations No.766, 1946, 322-326.[3] Phillip B. Behm. Supercavitation[EB/OL]. http:// www./ CSSF/Historg/2002/Project/J0102. pdf.[4] FENG Xue-mei, LU Chuan-jing, HU Tian-qun.Experimental research on a supercavitating slender body of revolution with ventilation[J]. J. Hydrodynamics, Ser.B, 2002, 14(2): 17-23.世界最大绞接船在扬州开工建造5月18日上午，扬州国裕船舶制造有限公司4.5万吨级A TB （绞接式）船正式开工建造。
中国鱼雷发展简史
中国鱼雷发展简史空化的一般水动力学特性空化现象的发现与研究是从发现螺旋桨的推力在高速下出现严重下降开始的。
一般说来，如果一个水力系统设计在单一液体中运转，由于空泡附加的蒸汽结构首先可解释为机械间隙（通过机械系统分析），它增加了自由度数目。
蒸汽结构经常是不稳定的，至少被流动携带：当他们到达升压区域会剧烈地溃灭。
溃灭类似于机械系统中零件之间的间隙受撞击后消失，可以预料空泡导致如下效果：（1）系统的性能改变，例如减小升力、增加阻力、发动机效率下降，减少溢流道的排泄能力、能量消耗增加等等；（2）固体结构上出现不希望的力与力的分布，造成系统失稳与结构损坏；（3）产生噪声与振动；（4）如果液体和固体壁面之间的相对速度很高，壁面会剥蚀。
一、空化研究分类空化应用研究涉及很多领域与方面，也有不同的分类方法，例如，按空化的影响效果可分为：减振降噪的研究、剥蚀的研究、提高推进效率的研究、减阻技术的研究等；按空化载体可分为：水下航行器空化研究、水力机械空化研究、水利设施空化研究等；还有如管道内部流动空化研究与外部流动空化研究等等。
这里我们把空化的应用研究课题归结为两大类：第一类是防止与延缓空化现象的发生，避免或降低空化现象产生的不良后果的研究；第二类是利用空化的某些特性，或制造空化，或改造与控制不可避免的空化，或直接利用既定的空化，获得有利效果的研究。
二、防止与延缓空化发生的研究空化现象的后果第一眼看去都是有害的，必须避免。
事实上，长期以来防止与延缓空化发生的研究一直是空化现象研究的主题。
在很多情况下，无空化条件是设计者所面对的所有条件中最严峻的条件。
就实际应用中的大多数情况来说，防止与延缓空化发生的基本原理或途径是，控制工作状态下物体沾湿表面的最低压力，使其大于液体的蒸汽压力。
运用的基本手段是，通过物体沾湿表面的几何形状设计，以减小扰动、降低局部流速，达到减小压力峰值的目的。
例如，无空化雷头线型设计与无空化翼型设计。
空化与气泡动力学
christopher earls brennen著流体高速运动，导致流体中压力低于饱和蒸气压，此时流体出现空化，即产生所谓的空泡。
该现象是水利工程中的涡轮机、船舶工程中螺旋桨以及水下高速航行体等必然面临的问题。
结构在水下爆炸冲击波作用下加速运动，这会导致近结构壁面的流体受拉发生空化；流体受热，当温度高于其饱和蒸汽温度时，流体中也会出现空泡。
可见空化的研究有着广泛而重要的应用背景。
空泡的溃灭会带来噪声、螺旋桨推力下降和剥蚀、结构的二次加载。
另一方面，空泡能有效减少水中航行体的摩擦阻力，利用这一原理出现了超空泡减阻技术。
无论是要避免空泡带来的坏处还是利用其优点，都需要理解流体的空化机制，研究气泡的动态行为。
本书最先于1995年首次出版，2014年再版。
该书详细地阐述了气泡的动态行为与空化现象。
全书共分8章：1.相变、成核与空化的理论与实验结果；2.理想球形空泡的动态行为；3.空泡的溃灭；4.压力场中的气泡动态响应；5.空泡的迁移；6.均匀泡状流；7.空化流动；8.自由流线方法的应用。
其中第2-4章针对单气泡，第5-7章则关注气泡间的相互作用与空化流动。
书中的很多内容在国内目前还缺少相应的专著论述。
本书作者christoper earls brennen为加州理工大学教授，在空化、涡轮机和多相流领域从事了多年的研究工作，共发表文章200多篇，著作3部；获得美国国家航空航天局（nasa）新技术奖（1980），美国机械工程师学会（asme）百年奖章（1980）及日本机械工程师学会（jsme）流体工程奖（2002）等奖项。
本书内容全面，并收集了大量实验结果。
该书要求读者具有基本的流体力学和热传导知识，适合从事多相流、空化、水力机械等相关领域的研究生、研究型工程师以及科学家使用。
超空泡减阻技术简介详解
超空泡技术概述
当航行体与水之间发生高速相对运动时，航行体表面附近 的水因低压而发生相变，形成覆盖航行体大部分或全部 表面的超空泡。形成超空泡之后，航行体将在气体中航 行，由于航行体在水中的摩擦阻力约为在空气中摩擦阻 力的850倍，因此，超空泡技术的应用可以使水下航行体 的摩擦阻力大幅减小，从而使鱼雷等大尺度水下航行体 的速度提高到100M/S的量级，使水下射弹等小尺度水下 航行体的航速提高到1000M/S的量级
自然超空泡与通气超空泡区别
需要指出的是虽然通气空泡由超空泡、附着空泡到游移空泡的溃灭 过程与生成过程类似，但是两者并非可逆的，溃灭过程与生成过 程相比存在滞后效应。如上所述，当局部空泡转变为超空泡时存 在某一临界空泡数，与之相对应存在某一临界通气量。所谓滞后 效应是指生成过程中形成超空泡所需的临界通气量大于溃灭过程 中超空泡消失时的临界通气量。滞后效应的形成原因可能与通气 超空泡产生的自激振有关。
现有的减阻技术
• 脊装表面减阻 起源于仿生学对鲨鱼等鱼类表皮的研究，通过在研究对象外表 面加工具有一定形状尺寸的脊状结构，就能达到很好的减阻效 果。根据脊状结构的分布规律与流体流速方向的不同，该减阻 方法又可分为随性波表面减阻和沟槽表面减阻。 • 微气泡减阻 微气泡减阻是通过某种方式在壁面形成一层薄的微气泡与流体 的混合层，改变边界层的内部结构，亦即改变近壁区流体流动 的运动学和动力学特性，达到降低摩擦阻力的目的。 • 复合材料减阻 当流体流经疏水表面时产生了壁面滑移，使得边界面上的速度 梯度减小，从而减小了边界上的剪切力；由于边界面上的速度 梯度减小，推迟了层流附着面流态的转变，使得附着面的层流 流态更加稳定，也使得层流边界层的厚度增加；同时疏水表面 微凸柱间的流体剖面形状证实了确实存在无剪切空气-水面。
超空泡技术及其在水中兵器中的应用研究
的空泡贯通区 ， 称为片状空泡。一般当空化数小于０ ． １ 后， 片状空泡将覆盖绕流物体的大部分表面， 形成了超
空泡 。 超空泡主要分为 ： 自然超空泡 、 通气超空泡。前者
收稿 日 期： ２ ０ １ ２ — １ ２ — ３ １
的形态特性很大程度上决定了产生空泡的难易程度及 控 制程 度 。 当空化数一定时， 空化器直径增大时， 空泡的长度 和直径相应增大 ， 然而流体阻力系数值是 随空化器形
态改变而变化的； 因此在空化数和空化器直径不变时 。 可 以设计一种形态可变的空化器 ， 通过控制空化器形 态来改变阻力系数值 ， 进而控制超空泡的形态变化 。
＝ — — — — —
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Ｏ ． ５ ． Ｄ
依靠提高航行体的速度或是 降低环境压强生成 ， 空泡 内压强等于液体的饱和蒸汽压 。后者依靠人工通气增 加 空泡 内压 强生 成 ， 此 时 空泡 内压 强不再 恒定 ， 而是 随 着通 气 压强 的变 化而 变化 。 ２ 超 空 泡水 中兵 器 的基本 结构 超空泡水中兵器是 ２ Ｏ 世纪末出现的 ， 是用超空泡 减阻技术发展的新型水下超高速武器 ； 它在水下能 以 超高速接近 目标 ， 作战效能大大提高， 因而受到各国广 泛重 视 。 目前 世界 各 国正在 研 制 的超 空 泡鱼水 雷装 置 主要 包括 以下部件 １ ： １ ） 空化器。内部装有传感器 ， 主要功 能是诱导生成空泡， 提供升力和姿态控制 ， 可影响航行 体的阻力 ， 海水可以通过空化器上的孔道进入航行体 内部 。２ ） 通气管 口。通过通气管 口 使空泡伸长 ， 并覆 盖航行体整个表面 ， 以降低航行体在水 中的阻力 。３ ） 导引系统 。安装有微型传感器 ， 可进行先进的信号处 理、 波形优化 、 收发声纳信 号 。４ ） 推进及通气 系统 。 可采用水反应推进系统 ， 对航行体进行推力矢量控制 ， 同时利用喷嘴喷射气体以稳定空泡的形态 。５ ） 控 制 尾翼 。大部分表面穿过空泡壁而暴露在水 中， 提供航 行体尾部升力 、 滚转 、 姿态控制。 ３ 超 空泡水 中兵器 的关 键技 术 世界各 国对超空泡水中兵器投入了大量 的资金精 力， 研发超空泡发生系统 、 航行体水 下控制 和制导技 术、 推进系统技术改进等一系列关键技术 ， 若其一旦得 到突破 ， 超 空泡 水 中兵器 必将 得到 很大 拓展 。
船用气泡减阻技术发展
船用气泡减阻技术发展早在十九世纪30年代俄国和瑞典科学家就提出设想：在运动船舶的船体外表面和水之间，引入空气和排气形成气幕，可以大幅减少运动船舶总阻力。
然而，这一设计思想在工程技术实践中却并不容易实现。
因此，目前真正用于实船的仅为俄罗斯等极少数国家。
气泡船（air cavity craft）也有称作空气润滑船（air-lubricated-hull craft）或气浮船（air ride express）的，它是高性能船型中的一种。
其工作原理是把空气引入船底，在船底表面形成气水混合的两相流，从降低液体粘性系数的角度来减小艇体的摩擦阻力，达到高速航运的目的。
1949年底，瑞典哥德堡船模试验池的Edstrand提出了气膜减阻原理，但由于空气会自由地飘离船体表面，无法形成气膜，试验没有取得成功。
60年代后，各国对怎样锁定气膜进行了深入研究，基本上形成了两种思路。
第一种思路是在平底船上开设一个凹进船底的平面，四周用板材围起来，在船底凹面内通以压缩空气，使大部分气体封存在船底，当然难免还有一小部分气体随船体的移动从船底边缘逃逸出去。
这类技术主要应用在低速运输船上，如驳船、货船和大型油船。
在我国黑龙江水运科学研究所研究的垫气驳就属于这一类，并于1982年在黑龙江航运的驳船上应用成功。
在正常运营航速（Vs=9km/h）下，阻力可比原船型减小30%，而消耗在压缩空气上的功率只占总功率的3%，节能效果十分显著。
第二种思路是将船底下的一层薄薄的气膜扩展成一个增压气室，最终将演变成侧壁式气垫船，成为另一类高性能船型。
80年代以来，前苏联、法国、美国、澳大利亚、荷兰等国把气幕减阻技术拓展到高速船上，建造了实艇并投入航运。
英国、日本、韩国等也相继开展了研究设计工作，但未见到实船下水的报导。
气幕减阻技术进入90年代，尤以俄罗斯的研究设计工作最为突出，他们将其作为继水翼艇之后的新一代高性能船型走俏国际航运市场。
据克雷洛夫研究院研究成果报导：利用气泡技术可使大多数滑行艇的阻力减小20～40% ，而消耗在压缩空气上的功率不会大于总功率的3%，如果优化艇底形状，减阻效果还可提高到50%。
舰艇减阻技术突飞猛进，竟然能从池塘荷叶上获得灵感
舰艇减阻技术突飞猛进，竟然能从池塘荷叶上获得灵感进入21世纪以来，国家海洋权益之争愈发尖锐，海洋正逐渐成为国家间军事竞争的主战场。
船舶减阻技术可显著降低燃料消耗，提高船舶航速，具有重要的经济和军事价值，日益成为船舶领域的研究热点。
目前，各类减阻技术已在理论方面取得了长足的进展，并开始逐步走向实用化，美、俄、英、德、法、日等发达国家在这方面走在世界前列。
海洋中航行体在运行过程中需要克服三种阻力：一为兴波阻力，即航行体因为自身运动引起水波而形成的阻力，改进航行器设计可以减少兴波阻力；二为压差阻力，即航行体运动时其头部和尾部之间的压力差而形成的阻力，其与航行体的流线型等有关;三为摩擦阻力，即航行体运动时与周围水流摩擦而形成的阻力，其与航行体和水的接触面积及边界层各水层之间的切应力等有关。
对于常规船舶，摩擦阻力约占阻力的50%;而对于水下运动的航行体如鱼雷、潜艇等，该比例可高达70%。
摩檫阻力是影响航行体速度和能耗的关键，减少摩擦阻力在整个海洋减阻领域中显得尤为重要。
目前水下减阻技术主要包括脊状表面减阻、外形优化减阻、超空泡减阻及低表面能减阻。
脊状表面减阻技术起源于波浪状沙丘、仿生学对鲨鱼等鱼类表皮的研究，通过在研究对象表面加工具有一定形状尺寸的脊状结构，改变边界层湍流结构，大大降低流体阻力，实现减阻。
根据脊状结构的分布规律与流体速度方向的不同，又分为随行波表面减阻和沟槽表面减阻。
随行波表面减阻（垂直流向）。
受沙漠里被风吹过后沙丘形状的启发，自19世纪70年代不断有学者开始探索随行波理论及随行波减阻的可行性。
该技术把物面沿流动方向加工成波纹状(即壁面上相互平行的沟纹结构与来流方向垂直)，波纹状表面使得在一定的流动条件下，在波谷处能够产生二次流动(涡流)。
具有特定参数的随行波可使波谷处的二次流动稳定下来，使自由来流不与刚性物面直接接触而只与二次流动接触，就像在来流与物体表面间夹着一排滚柱，起到类似“滚动轴承”的作用，使流体与物体表面的滑动摩擦变成滚动摩擦，从而达到减阻的目的。
超空泡射弹研究综述
总第166期2008年第4期 舰船电子工程Shi p Electr onic Engineering Vol .28No .4 13 超空泡射弹研究综述3魏 平1) 侯 健1) 杨 柯2)(海军工程大学兵器工程系1) 武汉 430033)(海军驻郑州地区军事代表室2) 郑州 450052)摘 要 对国内外超空泡射弹研究现状进行综述。
介绍国外超空泡射弹研究历程,阐述超空泡射弹研究建立的各种模型,总结超空泡射弹数值计算和实验研究成果,最后对超空泡技术领域的研究方向进行展望。
关键词 超空泡;射弹;综述中图分类号 T V131.2Summ ary of Sup ercav itating Projectile ResearchesW ei P ing 1) H ou J ian 1) Y an g K e1)(D ept .of W eapon Engineering,N aval U niversity of Enginee ring 1),W uhan 430033)(M ilita ry Rep rehensive O ff ice of N avy S tationed in Z hengzhou R egi on 2),Zhengzhou 450052)A b s tra c t The current st a tus of supercavitaing proj ec til e are su mm arized in t his paper .The p rocess of fore i gn supercavi 2t a ing p rojectile research a re introduced .The m ode ls of supercavitaing projec tile a re review ed .A nd the results of si m ulation and experi m ent about supe rcavitaing p rojectile are su mm arized .A t the end,furt her research topics in t he supercavitaing projec tile f ild a re suggested .Ke y w o rd s supe rcavita tion,proj ec til e,summ ary C l a s s N um be r TV 131.21 引言超空泡技术是一种可以使水下高速运动航行体获得90%减阻量的革命性减阻方法。
超空泡技术的应用现状和发展趋势
4 超空泡鱼雷工作原理
4. 1 超空泡鱼雷结构与组成 从 1995年和 1999年阿布扎比国际防务展览会
上俄罗斯展出的“风雪 ”鱼雷的示意图和照片来看 , 一般的超空泡鱼雷可以分为以下几个子系统 :通气 装置 , 空化器 , 导引系统 , 控制和推进系统 [ 9 ] , 如 图 1所示.
其中 , 通气装置是通过充入一定量的气体使空 泡延伸至航行体表 ; 空化器是空泡起始处 , 直接影
5 关键技术和解决方案
超空泡技术是 20世纪末出现的一种全新高速 武器技术 , 已被广泛应用在水中兵器系统的研制 中. 然而由于超空泡技术是一项复杂的综合的应用 技术 , 涉及多个学科领域 , 因此无论是初始概念的 研究还是武器系统的集成都存在着一系列亟待突破 的关键技术. 5. 1 超空泡的实现途径
2 国内外研究概况
超空泡武器是 20世纪末出现的一种全新水下 高速武器 , 其巨大的减阻前景受到了西方国家的高 度重视 , 俄 、美 、德 、法等国很早就开始这方面的 研究工作.
俄罗斯非常重视超空泡武器的研究工作 ,前苏 联的乌克兰流体力学研究所于 1960年就开始研制 超空泡鱼雷. 20世纪 70年代中期 , 俄罗斯设计出第 一代超空泡火箭推进鱼雷 , 并于 1997年装备部队. 俄罗斯的“风雪 ”超空泡鱼雷是目前已知的超空泡 武器. 这种鱼雷长 8. 23 米 , 重 2 697 公斤 , 最大速 度可以达到 100m / s, 超过通常鱼雷速度的 3～5倍. 据悉 , 俄罗斯目前试验研制的第二代“风雪 ”超空泡 鱼雷采用发动机推力矢量控制 , 具有较强的机动 性 , 并利用发动机燃气回流头部进行超空泡补气 , 速度可以达到 200m / s, 射程可以达到 100km.
[作者简介 ] 杨莉 , 博士研究生. [收稿日期 ] 2006205220
航速超过100节的“水下特快”超空泡高速潜航器
航速超过100节的“水下特快”超空泡高速潜航器
佚名
【期刊名称】《舰船知识》
【年(卷),期】2009(000)010
【摘要】近日美国国防高级研究计划局授予通用动力电船公司2600万美元合同,用于设计航速超过100节的“水下特快”高速潜航器。
其原理是利用水中高速航行中产生的超空泡现象降低航行阻力,使潜航器以更高的速度航行。
目前超空泡技术已应用于高速鱼雷,但在水下潜航器方面仍处于空白。
【总页数】1页(P13)
【正文语种】中文
【中图分类】TJ630
【相关文献】
1.小攻角下水下高速航行体超空泡流特性研究
2.超空泡脉动对水下高速航行器壳体强度的影响研究
3.水下超空泡高速射弹数值分析与试验
4.水下高速射弹超空泡形态与阻力特性研究
5.水下无人潜航器无动力下潜弹道分析
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超空泡减阻技术简介
超空泡是一种物理现象，当物体在水中的运动速度超过185千米/小时后，其尾部就会形成奇异的大型水蒸气沟，将物体与水接触的部分包住，物体接触的介质就由水变成了空气，由于空气密度只有水的1/800，因而就能大幅减少物体所受阻力，物体表面会形成大型空气泡，这就是“超空泡化现象”。
超空泡技术就是在艇体表面和水之间产生一个气体空腔，因此减小了阻力，增大了艇的航速。
超空泡现象很长时间一直是令造船工程师们头痛的事，因为超空泡现象经常会在高速旋转的螺旋桨叶片表面产生而使螺旋桨高速“空转”从而损坏螺旋桨叶片。
超空泡技术概述
当航行体与水之间发生高速相对运动时，航行体表面附近的水因低压而发生相变，形成覆盖航行体大部分或全部表面的超空泡。
形成超空泡之后，航行体将在气体中航行，由于航行体在水中的摩擦阻力约为在空气中摩擦阻力的850倍，因此，超空泡技术的应用可以使水下航行体的摩擦阻力大幅减小，从而使鱼雷等大尺度水下航行体的速度提高到100m/s的量级，使水下射弹等小尺度水下航行体的航速提高到1000m/s的量级。
超空泡发展过程
当航行体在流体中高速运动时，航行体表面的流体压力就会降低，当航行体的速度增加到某一临界值时，流体的压力将达到汽化压，此时流体就会发生相变，由液相转变为汽相,这就是空化现象。
随着航行体速度的不断增加，空化现象沿着航行体表面不断后移、扩大、进而发展成超空化。
其发展过程一般可以分为四个状态：游离型空泡、云状空泡、片状空泡和超空泡。
超空泡形成方法
超空泡分为自然超空泡和通气超空泡两种，形成超空泡一般有三种途径：
1）提高航行体的速度；
2）降低流场压力；
3）在低速情况下，利用人工通气的方法增加空泡内部压力。
前两种方法形成的为自然超空泡，最后一种方法所得到的就是所谓的通气超空泡。
现有的减阻技术
脊装表面减阻，微气泡减阻，复合材料减阻，超空泡减阻技术。
而水下超空泡武器是一种新概念武器，基于这种新概念、新原理设计的水下超空泡武器，其运动速度极高，且不受水声对抗器材的干扰，从而大大提高了水下武器的突防能力。
前苏联海军很早在七十年代就发展了火箭推进的“风雪”超空泡代号为BA－Ⅲ的“暴风”超高速鱼雷，航速已达到370公里/小时（约200节），其气泡一是利用超高速自行产生，二是把鱼雷发动机的尾气引到前面放出。
超空泡潜艇的主要问题一是控制运动方向困难，二是气泡长时间的产生。
德国正在研究开发的超空泡鱼雷用变换头部来控制运动方向，但是潜艇不太可能变换头部。
然而美国人宣称已经解决控制运动方向和长时间产生气泡这两个问题，估计美国的潜艇是用调节气泡喷头的方法来操纵潜艇
的航行方向。
德国在二战时制造的Henschel HS-293 和 HS294空对舰导弹鱼雷在高速入水时已经开始利用超空泡现象来延长导弹鱼雷在水中的攻击射程。
中国从20世纪六、七十年代开始了空化与空蚀问题的研究，当时以研究水翼、螺旋桨等水下物体的空化噪声和空蚀等为主。
20世纪八、九十年代，开始研究水下物体局部空泡的稳定性和升、阻力特性，空泡对水下兵器的水动力特性影响、带空泡航行体的水下弹道以及出水冲击等问题。
空化器是超空泡试验模型中最重要的组成部分。
它一方面在模型头部的流场中产生一个较大的负压峰值，使空泡易于发生，另一方面非流线形的空化器一旦产生空泡, 空泡便总是起始于空化器的最大圆周处,有利于获得稳定和确定的空泡形态。
传统的典型空化器主要是圆盘或圆锥空化器。
在水洞试验研究中，靠提高流体的速度和降低工作段压力来降低空泡数使空化器自身产生超空泡很难实现，必须辅以向局部空泡内通气的方式来增加空泡内压力，从而降低空泡数形成通气超空泡。
目前采用人工通气的方法生成超空泡已经成为一种非常有效的方法，并被广泛应用于水洞中对超空泡的试验研究。
超空泡形态稳定性技术:通气不稳定性，气泡震荡，自由剪切层的不稳定性。
超空泡尾部的理论闭合方式主要有三种：Riabouchinsky方式（空泡最大直径大于闭合位置处的雷体直径）Joukowski-Roshko方式（空泡最大直径等于闭合位置处的雷体直径）Gilbard-Efros方式（回注射流形式）。
目前，世界各国对超空泡研究的内容都很广泛。
超空泡武器能够用于对付水雷、自导鱼雷、小型船舶、高速反舰导弹，甚至低空飞行的飞机和直升机，预计利用超空泡技术，还可能研制出小型超高速水面舰艇、能使整个航母战斗群失效的水下核导弹、以及用于潜艇战的中程无制导摧毁性武器，因此专家认为，这些超空泡系统可能会大大改变海上作战模式。
赵书孝船舶102 1005080224。