【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种负空化数稳定生成的结构及方法，属于流体机械工程。
技术介绍
1、超空泡水下发射航行体是21世纪海战武器领域的研究热点，其具有隐蔽性好、精度高、减阻效果明显等特点，成为各国水下装备中的重要武器装备。为了满足装备发展的需求，各国学者广泛研究了绕航行体超空泡的应用。通气空泡技术通过向流场中注入不可凝结气体，形成连续透明的气泡包裹航行体，从而大幅度降低航行体表面的摩擦阻力，提高航行速度。由于通气技术较容易生成超空泡，是目前工程实践中生成超空泡的主要手段。
2、目前，针对通气超空泡技术的研究往往依赖于实验、数值模拟和理论分析这三种方法。其中，受实验设备和技术手段的限制，在绕航行体通气超空泡的研究中能够获取的实验数据有限，无法得到流场的全部信息，仅应用实验手段进行研究，具有一定的局限性。因而，针对通气超空泡进行数值模拟成为广为认可的一种研究手段。经过多年的研究，通气超空泡已经在水下潜射武器领域取得了广泛应用，并在某些装备上实现了实装。然而，通气超空泡虽然在一定程度上实现了阻力减小，但其针对对象主要为航行体水下航行时的摩擦阻力。摩擦阻力在航行体水下航行过程中仅仅是所受阻力的一部分，由于航行体前后压差导致的压差阻力也是制约航行体高速运动的主要原因之一。空化数通气空泡是指通过短时间内通入大量气体形成的可包络水下航行体表面的空泡腔，而本世纪初，有俄罗斯学者针对该问题，提出了一种理论存在的高压通气空泡(负空化数通气空泡)，即泡内压力高于流场压力，使得航行体所受阻力可进一步减小。然而，目前针对该空泡尚无明确有效的研究手段。
技术实现思路
1、针对目前水下航行器不能稳定产生负空化数空泡的不足，本专利技术的主要目的是提供一种负空化数稳定生成的结构及方法。在传统航行体上增添环形水翼，形成负空化数生成系统模型，通过结构场特征改变流场流动特征，增加负空化数通气空泡的进气量，将空泡内压强提升至超过空泡外自由流场压力，形成稳定的高压区域；基于负空化数生成系统模型，确立不同来流速度与不同通气量下通气空泡内空化数分布规律；通过改变不同通气空泡内的压力分布及速度演化，确定负空化数稳定产生条件，提升负空化数产生的稳定性。
2、本专利技术公开的一种负空化数稳定生成的结构，包括空化器、环形水翼、后体及支撑杆。空化器与环形水翼直筒通过螺丝链接，后体与支撑杆通过螺丝连接，支撑杆与水洞壁面通过螺丝连接，将空化器模型固定于水洞中央，环形水翼位于空化器后方，并通过螺丝与空化器连接。后体为直筒结构，管内中空，空气由通气装置在后体内部通气进入空化器，由空化器通气孔排出进而形成通气空泡。空化器通过改变流场结构和输入气体，实现通气空泡的生成。空化器内部具有气体通路，输气管穿过后体与空化器连接，实现气体从通气装置与空化器头部的链接。空化器表面等距离分布通气孔，与环形水翼连接。环形水翼部分加装中空支撑杆，与后体相连。
3、所述空化器由主体和连接体构成，主体为圆柱形，为方便通气其内部开有空腔，主体靠近连接处一面，以其轴为中心做多个等距离排布的等直径通气孔，其中心两侧开螺孔与连接体连接；连接体作为与后体连接的部分，为圆柱体，直径与后体相同，两端均有螺孔与空化器、后体连接。
4、环形水翼翼型为naca0009型水翼，位置攻角为5°，以水翼压力面为外侧，以一定的直径的圆环形成攻角为5°的环形水翼，环形水翼加装中空支撑杆，与后体相连，直筒与环形水翼通过三个等距支撑杆连接，保证模型稳定。
5、所述后体为中空直筒，前后两端均开有螺孔，分别与空化器连接体以及支撑杆连接，为实现空泡内压力测量，后体上端位置开有放置压力传感器的位置。
6、本专利技术公开的一种负空化数稳定生成的方法，基于一种负空化数稳定生成的结构实现，包括以下步骤：
7、步骤1：基于本专利技术公开的一种负空化数稳定生成的结构，通过设置水洞参数，保证负空化数空泡的产生；
8、基于本专利技术公开的一种负空化数稳定生成的结构，确定水洞环境压力p∞，空化水洞来流速度u∞，通气量qin，水洞工作段尺寸，水洞最小空化数，流速非均匀度，湍流度，保证负空化数空泡的产生。
9、步骤2：基于步骤1所产生的负空化数空泡，采集不同来流速度与不同通气量工况下空泡的内部压力；
10、利用电脑控制通过通气装置的气体流量，形成通气空泡，确定压力测量位置为水翼环形水翼前缘下方直筒位置，压力检测点实时采集压力信号，反馈至电脑中。改变来流条件，并同步采集空泡内部压力信号，直至完成全部所需的不同来流速度与不同通气量试验工况。完成后，将记录结果处理后获得负空化数通气空泡稳定生成律信息，将生成律输入至电脑中，实现该初始条件或目标值下的负空化数通气空泡稳定生成。
11、步骤3：基于步骤2所获取的压力信号、通气量、来流速度，得出负空化数通气空泡稳定生成律；
12、对步骤2所得的通气量、来流速度及泡内压力进行回归分析。通气量与电脑输出值存在直接对应关系，泡内压力与动态压力信号存在直接对应关系。来流与通气条件分别为稳定的傅汝德数fr及通气率cq，空气从空化气腔通入的同时，来流流入环形水翼，空泡从一团水汽混合物开始逐渐发展；当cq到达某一临界值时，空泡从水汽混合物跃变至拥有透明气液边界的超空泡，其长度显著增加，覆盖航行体表面，起到减阻的效果。
13、其中，傅汝德数定义为：
14、
15、通气率定义为：
16、cq＝q/u∞d(2)式中u∞为平均速度即速度剖面充分均匀，g为重力加速度，d为环形水翼直径；qin为通入的气体体积流量。
17、基于所获取的压力信号、通气量、来流速度，得出负空化数通气空泡稳定生成律，如公式(3)所示：
18、cq＝αf(fr,r,l,x,p,σ)(3)
19、其中，q为通气量，fr为来流速度相关的傅汝德数，r为环形水翼直径，l为环形水翼长度，x为环形水翼位置，p为通气空泡内部压力，σ为通气空泡空化数，α为经验参数，f()为函数数学表达式。公式(3)经过转化后得到形如公式(4)：
20、
21、其中，为电脑输入至压差流量计的电流信号值，π为模型几何参数，为动态压力传感器输出的电流信号值，f()为对应的关系式，β为经验参数。
22、所述负空化数通气空泡稳定生成律，为电脑输入来流速度、通气流量的电流信号值与动态压力输出信号值之间的关系，在预定条件下存在的对应关系。
23、步骤4：基于步骤3所得的负空化数通气空泡稳定生成律，通过改变不同通气空泡内的压力分布及速度演化，确定负空化数稳定产生条件，提升负空化数产生的稳定性。
24、依照步骤3所述负空化数通气空泡稳定生成律，输入来流速度、模型参数、以及负空化数对应的泡内压力信号，获取生成通气空泡所需通气量，输入至装置中，实现负空化数通气空泡稳定生成，提升负空化数产生的稳定性。
25、有益效果：
26、1、本专利技术公开的一种负空化数本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种负空化数稳定生成的结构，其特征在于：包括空化器、环形水翼、后体及支撑杆；空化器与环形水翼直筒通过螺丝链接，后体与支撑杆通过螺丝连接，支撑杆与水洞壁面通过螺丝连接，将空化器模型固定于水洞中央，环形水翼位于空化器后方，并通过螺丝与空化器连接；后体为直筒结构，管内中空，空气由通气装置在后体内部通气进入空化器，由空化器通气孔排出进而形成通气空泡；空化器通过改变流场结构和输入气体，实现通气空泡的生成；空化器内部具有气体通路，输气管穿过后体与空化器连接，实现气体从通气装置与空化器头部的链接；空化器表面等距离分布通气孔，与环形水翼连接；环形水翼部分加装中空支撑杆，与后体相连。
2.如权利要求1所述的一种负空化数稳定生成的结构，其特征在于：所述空化器由主体和连接体构成，主体为圆柱形，为方便通气其内部开有空腔，主体靠近连接处一面，以其轴为中心做多个等距离排布的等直径通气孔，其中心两侧开螺孔与连接体连接；连接体作为与后体连接的部分，为圆柱体，直径与后体相同，两端均有螺孔与空化器、后体连接；
3.一种负空化数稳定生成的方法，基于一种负空化数稳定生成的结构实现，其特征在于
4.如权利要求3所述的一种负空化数稳定生成的方法，其特征在于：步骤1的实现方法为，
5.如权利要求4所述的一种负空化数稳定生成的方法，其特征在于：步骤2的实现方法为，
6.如权利要求5所述的一种负空化数稳定生成的方法，其特征在于：步骤3的实现方法为，
7.如权利要求6所述的一种负空化数稳定生成的方法，其特征在于：步骤4的实现方法为，
...【技术特征摘要】
1.一种负空化数稳定生成的结构，其特征在于：包括空化器、环形水翼、后体及支撑杆；空化器与环形水翼直筒通过螺丝链接，后体与支撑杆通过螺丝连接，支撑杆与水洞壁面通过螺丝连接，将空化器模型固定于水洞中央，环形水翼位于空化器后方，并通过螺丝与空化器连接；后体为直筒结构，管内中空，空气由通气装置在后体内部通气进入空化器，由空化器通气孔排出进而形成通气空泡；空化器通过改变流场结构和输入气体，实现通气空泡的生成；空化器内部具有气体通路，输气管穿过后体与空化器连接，实现气体从通气装置与空化器头部的链接；空化器表面等距离分布通气孔，与环形水翼连接；环形水翼部分加装中空支撑杆，与后体相连。
2.如权利要求1所述的一种负空化数稳定生成的结构，其特征在于：所述空化器由主体和连接体构成，主体为圆柱形，为...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘超，伍岳，杨青峰，黄彪，王国玉，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：
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