机动控制中尾翼运动诱导的通气空泡动态失稳机制研究

The research and production of supercavitating vehicle (SV) with maneuvering navigation ability has become the major trend of the supercavitating drag reduction technology application, and the head cavitator and tail supercavity fin (SF) is the major way chose as control surface for SV. The cavity disturbances and the self-excited reentrant jet will be generated by SF movement in maneuvering control. The phenomenon of the gas accumulation in cavity, shear layer in cavity interface and pressure wave in outer boundary are existing with the action of self-excited reentrant jet in ventilated cavity. The cavity instability new mechanism will appear with the action of these factors by the manners of a single existence or various forms joint of ventilation instability, shear layer instability or the cavity oscillation instability. Exploring the instability mechanism of ventilated cavity is the goal and the instability rule of ventilated cavity will to be revealed induced by the SF movement in this project. Its research contents include: (1) The disturbance of SF movement to the ventilated cavity will be simulated in water tunnel by designing a transmission mechanism that relying on the drive motor outside water tunnel; The ventilated cavity flow characteristics with SF movement will be studied and the induced factors of ventilated cavity instability will be found based on the water tunnel experiments and numerical simulations; (2)The instability flow characteristics of ventilated cavity in the conditions of SF different manipulation conditions will be explored, the ventilated cavity instability mechanism will be revealed and the instability critical condition will be established. The research conclusions can provide the basis for maneuvering control technology designed of SV.

研制具有机动能力的超空泡航行体是超空泡减阻技术应用的主要发展趋势，该种航行体主要依靠头部空化器和尾部超空泡水翼作为控制舵面。机动控制中，尾翼运动会对空泡产生扰动，并会形成自激回射流。在自激回射流作用下势必导致通气空泡内气体堆积、空泡界面剪切层和空泡外部压力波等现象存在。这将导致空泡出现由通气失稳、剪切层失稳或气泡振荡失稳等单一存在或多种形式联合存在的空泡失稳的新机制。本项目以探索尾翼运动诱导的通气空泡失稳机制为目标，力图揭示尾翼运动诱导的通气空泡失稳规律。其研究内容为：（1）通过设计一套传动机构，依靠水洞外的驱动电机，在水洞中模拟尾翼运动对空泡扰动的过程；采用实验和数值手段，研究尾翼运动下的通气空泡流动特性，探明通气空泡失稳的诱导因素；（2）探索尾翼不同操纵条件下通气空泡失稳流动特性，揭示尾翼运动诱导通气空泡失稳机制，建立失稳临界条件。其研究成果，可为超空泡航行体机动控制技术设计提供依据。

研制具有机动能力的超空泡航行体是超空泡减阻技术应用的主要发展趋势，该种航行体主要依靠头部空化器和尾部超空泡水翼作为控制舵面。机动控制中，尾翼运动会对空泡产生扰动，并会形成自激回射流。在自激回射流作用下势必导致通气空泡内气体堆积、空泡界面剪切层和空泡外部压力波等现象存在。这将导致空泡出现由通气失稳、剪切层失稳或气泡振荡失稳等单一存在或多种形式联合存在的空泡失稳的新机制。本项目主要研究内容为：完成了实验模型、驱动机构以及支撑机构的设计与加工，静态实验；完成了头部空化器舵面运动下的通气空泡流实验研究；完成了尾翼舵面运动下的通气空泡流实验研究；完成了反向喷气通气空泡形成与稳定实验研究；在循环水洞完成了反向喷气通气空泡流动机理实验研究；完成了数值计算程序的编制，调试及数值计算研究。重要结果合关键数据体现为：实验中发现了不同状态的通气空泡流动。给出了随着通气系数增加条件下，不同通气空泡流动区改变与对应空化数变化关系。具体来说，实验中发现了4种通气空泡流动形式，即气泡流动，稳定空泡，不稳定空泡和射流空泡。气泡流动涉及到超空泡形成之前的状态，该流动非常类似于圆盘空化器结构形成通气空泡之前的气泡流动。随着通气流量增加到临界值时，空泡流动状态从气泡流动转换到稳定空泡。在气泡流动到稳定空泡的转变中观察到通气滞后现象。此外，在气体通气系数达到一个新的临界值，空泡迁移到不稳定空泡状态。在不稳定空泡状态下，空泡边界失去稳定性，在液-气界面处形成周期性的波状图案。随着通风率的进一步提高，最终通过形成在喷嘴前方的稳定的气体射流恢复其稳定性。这种类型的空泡状态，称为射流空泡，与稳定气泡流相比，产生非常粗糙/湍流的液体-气体界面。另外，射流空泡的空化数随通风率的增加而线性增加，与稳定空泡流动呈现不同流动特性。该研究有望应用于超空泡航行体机动航行舵面控制及高速入水降低冲击载荷技术中。