轴对称体空化水动力脉动特性的实验研究

    空泡现象的存在对于高速运动物体的水动力特性具有决定性的影响，并伴随着空化噪声和腐蚀，甚至产生破坏作用。由于轴对称体在工程实际中具有广泛的应用，多年来，国内外众多学者针对轴对称体的空化流进行了广泛的研究，早在 1948年，Rouse H 和 McNown J S[1]等人对不同头型轴对称体的定常空化状态进行了实验研究，得到了弹体表面压力系数分布数据，其研究结果在后来得到了广泛的应用。Ceccio S L 等[2]通过对不同头型轴对称体附着空穴内的水气阻抗测量发现了空泡体积的脉动规律，Araleri V H 等[3]重点对轴对称体的初生空化阶段进行了研究，发现初生空化往往伴随着漩涡分离而产生。在国内，刘桦[4]对不同头型轴对称体的初生空化数进行了研究，并建立了初生空化数和发展空泡特征几何参数的工程计算公式，顾巍[5]通过对轴对称空泡流的噪声特性和空泡界面瞬态特征进行分析，来探究空泡流动的非定常特性，曹伟[6]在试验中，采用不同寸的试验弹，获得了水下航行体的自然超空泡形态参数随空化数变化的规律。就目前国内外的文献来看，在轴对称体非定常空化的流动特性以及动力脉动特性方面，鲜有系统的研究。

    由于绕轴对称体流动的复杂性，本文采用高速全流场显示技术和动态测力系统相结合的方法，测量并分析了半球型轴对称体和平头轴对称体在不同流动形态时的脉动特性，探究了轴对称体非定常空化流动随空化数变化的发展趋势与动力瞬态特征的相关性。

    1 实验设备

    实验在循环式空化水洞中进行，水洞实验段的具体参数列于文献中[7]，通过其上下部及前侧面的透明有机玻璃窗，观察轴对称体周围的流场形态。图 1 为高速全流场显示系统布局示意图。流动显示实验时，采用 3 台 1.2kW 镝灯照明，高速摄像机记录空化发展过程中的流动演变历程，采集速度为1000fps。图 2 为动态应变式测力系统流程图，该系统主要由动态应变仪、电荷放大器以及数据采集系统等组成，可以测量轴对称体所受阻力，其中，实验中动态应变仪的采集频率是 1kHz。

    3 个重要的量纲一化参量为：

    空化数定义为：

式中： p 、U、   、  和vp 分别平头轴对称体头部中心上游 0.21m 处参考断面上的静压力、平均速度(速度剖面充分均匀)、水的密度、运动粘度和汽化压力，实验中分别采用了平头和圆头轴对称回转体，直径 Dn均为 0.02m；保持流速为 6.8m/s，对应的雷诺数为5Re   1.36   10，实验段的环境力通过真空泵调节。

    2 绕轴对称体空化的脉动特性研究

    图 3、图 4 给出了半球型轴对称体与平头轴对称体在不同空化数下的典型空泡形态，对于半球型轴对称体，在目前实验工况下，其初生空化数为0.65左右，在回转体前端会形成薄薄的初生片空泡，当空化数降低到 0.50 左右时，片空泡逐渐拉长，附着空泡呈现明显的“指状”分布，在空泡的继续发展过程中，空泡表面变得光滑，并沿周向覆盖这个模型，此时，附着在弹体头部的空泡明显分为 2 个区域：一部分为透明状的高含汽区域；另一部分为不稳定的雾状水汽混合脉动区域，空泡界面有明显的不规则扰动现象，在空泡的末端可以发现强烈的随机高频脱落现象，雾状空泡团的频繁扰动和小尺度的空泡云脱落有直接的关系。