本发明涉及一种抑制空化的流动控制方法，尤其涉及一种抑制水下航行体结构物表面空化现象的流动控制方法。
背景技术：
以水翼为例，为了控制水下航行体结构物表面空化现象，以到达改善其水动力特性、减小空蚀以及降低流动噪声的目的，现有的空化抑制技术主要包括：水动力外形优化、局部粗糙表面、隔离条带结构及射流。上述空化抑制技术均存在一定的问题：
1、采用水翼水动力外形优化的方法虽然可以在一定空化数下减弱至消除空化现象，但是其控制效果有限。
2、局部粗糙表面容易受污染物覆盖以及受来流冲刷和磨损而失去控制效果。
3、采用隔离条带结构则主要用于控制空泡的回射及脱落现象，对空化初生现象的控制效果有限，而且由于以上隔离条带结构往往在局部突出在水翼表面，从而会产生一定的附加阻力，且结构可靠性较低，如发生脱落等。
4、局部沟槽结构会削弱水翼结构强度，而加厚水翼则往往使得其水动力特性显著下降。
5、射流技术则需要专门的供气或供水管路，尤其是在水翼内部布置复杂的管路时，其结构强度大幅降低，结构可靠性难以保证，且管路系统还需与驱动系统（如电机、泵等）组合，系统较为复杂。
随着水翼局部速度的提高和压力的下降，其表面将出现局部甚至大范围的空化现象，将显著影响其水动力特性、结构可靠性以及隐身特性。空泡回射现象使得局部压力过大，产生局部空蚀和材料剥落，尤其是空泡尺寸较大时产生的回射流冲击现象甚至会造成严重的结构变形及破坏。水翼表面的空化现象还会使得其水动力和操纵力矩显著减小。此外，由于空泡的非定常发展，特别是空泡尾部非定常的空泡团脱落及漩涡结构，还会使得水翼其周围流场出现较大的压力脉动现象，进而产生流动噪声，减弱了其隐声性能。因此，如何避免和减弱空化现象一直是舰船、潜艇、水下武器以及无人潜水器等领域重要的研究内容之一，具有较大的理论价值和工程意义。
技术实现要素：
为了消除或减弱水下航行体结构物表面的空化现象，本发明提供了一种抑制水下航行体结构物表面空化现象的流动控制方法，通过在水下航行体结构物表面安装脱体结构物，一方面阻碍来流在水下航行体结构物表面的局部加速，增加位于脱体结构物上游区域的压力，从而达到推迟甚至消除空化现象的目的；另一方面通过在脱体结构物背水面产生空化，相当于将空化区转移至脱体结构物上，以改善水下航行体结构物的空化现象。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种抑制水下航行体结构物表面空化现象的流动控制方法，将脱体结构物固定在距水下航行体结构物表面一定距离处，该距离应小于脱体结构物沿流向特征长度的10倍，距离若大于该数值后，脱体结构物将不会对航行体结构物表面流动产生影响。具体固定位置至少为以下情况中的一种：
A：空泡初生位置上游控制
脱体结构物固定在水下航行体结构物空泡初生位置上游区域且距水下航行体结构物壁面的距离小于脱体结构物沿流向特征长度的10倍；
B：空泡初生位置处控制
脱体结构物固定在与水下航行体结构物空泡初生相同轴向位置的区域且距水下航行体结构物壁面的距离小于脱体结构物沿流向特征长度的10倍；
C：空泡区内部控制
脱体结构物固定在水下航行体结构物空泡区域且距水下航行体结构物壁面的距离小于脱体结构物沿流向特征长度的10倍；
D：空泡回射位置处控制
脱体结构物固定在水下航行体结构物空泡尾部区域且距水下航行体结构物壁面的距离小于脱体结构物沿流向特征长度的10倍；
E：空泡下游控制
脱体结构物固定在水下航行体结构物空泡尾部下游且距水下航行体结构物壁面的距离小于脱体结构物沿流向特征长度的10倍。
本发明中，所述脱体结构物采用相同或不同的脱体结构物参数安装在距水下航行体结构物不同距离和不同流向位置处。
本发明中，所述脱体结构物参数包括脱体结构物形状、大小、材料、沿流向的位置、距水下航行体结构物表面的距离。
本发明中，所述脱体结构物可以采用具有任何几何形状的结构物，如方形、圆形、椭圆形、棱柱形、流线型翼型以及其他几何形式，任何形状结构的脱体结构物均适用于本发明。
本发明中，所述脱体结构物不局限于材料形式，可采用刚性、柔性材料甚至多孔介质材料等，任何材料形式的脱体结构物均适用于本发明。
本发明中，所述脱体结构物可采用任何安装方式固定在距水下航行体结构物表面一定距离的位置。
本发明中，所述脱体结构物采用单个或者多个结构物同时安装在距水下航行体结构物不同距离和不同流向位置处。
本发明中，所述脱体结构物采用不同形状和尺寸的阵列组合方式安装在水下航行体结构物不同距离和不同流向位置处。
本发明中，所述阵列组合方式为以下方式中的一种或几种：不同形状尺寸的阵列组合、不同材料脱体结构物的阵列组合。
本发明中，所述脱体结构物不仅适用于水翼表面，同样适用于水下航行体除了水翼以外的其他结构物表面，达到抑制空化的目的。
本发明中，任何形式的水下航行体结构物，采用脱体结构物抑制其空化现象均适用于本发明的方法。
相对于现有技术，本发明具有如下优点：
1、在空化程度较小时，本发明利用脱体结构物的阻碍作用可以显著提高其上游水下航行体结构物表面的局部压力，降低流体速度，从而完全避免空化现象。
2、当空化较为剧烈时，本发明通过脱体结构物阻碍上游流体速度和提高局部压力，有效的推迟水下航行体结构物表面空化的初生位置。
3、本发明利用脱体结构物的阻碍作用减小空泡的体积，可以有效的减小空泡尾部的回射冲击，进而减弱回射流对水下航行体结构物表面局部材料的空蚀效应。
4、本发明通过减小水下航行体结构物表面的空化区范围，增加高速水下航行体结构物的沾湿表面，相当于提高了其可操控性和稳定性。
5、本发明利用脱体结构物减小水下航行体结构物表面的空化现象，可减弱或者避免大范围云空泡的脱落，一方面减小了水下航行体结构物水动力的非定常波动，另一方面减小或者避免了空泡非定常脱落导致的流动噪声。
6、本发明可以与传统的抑制空化技术兼容，即在采用其他流动控制技术后，可采用该技术来进一步消除或抑制水下航行体结构物的空化流动现象。
7、本发明采用的脱体结构物几何外形和材料无特殊限制，可结合不同的水下航行体结构物进行优化布局，具有较强工程适应性。
8、本发明的脱体结构物结构简单，安装固定形式多样，可在其破坏后（如由于脱体结构物背水面的空化现象，在其长时间工作后严重空蚀）单独替换该脱体结构物，相当于将空化和空蚀转移至脱体结构物上，从而保护了水下航行体结构物的结构。
9、本发明适用于水面船舶、快艇、潜艇、水下航行体、无人潜水器等的航行体的水翼、操纵舵以及其他表面上，以达到抑制空化的目的。
附图说明
图1为脱体结构物（以圆柱为例）在水翼吸力面侧的布置方式；
图2为空化数为1.0时有无脱体结构物（以圆柱为例）控制的空泡对比，（a）无控制，（b）有脱体圆柱控制；
图3为空化数为1.2时有无脱体结构物（以圆柱为例）控制的空泡对比，（a）无控制，（b）有脱体圆柱控制。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
以水翼为例，本发明为了消除或减弱水下航行体结构物表面的空化现象，将脱体结构物安装在水翼的固壁表面附近，所述脱体结构物可采用圆柱、方柱、椭圆柱、流线型翼型以及具有其他几何特征的结构，可有效地抑制脱体结构物附近水翼固壁表面的空化流动现象。具体实施方案包括如下几种：
方案1：空泡初生位置上游控制
将脱体结构物安置在空化初生位置上游。如图1所示，所述结构包括脱体结构物1、水翼2，脱体结构物1采用圆柱结构，脱体结构物1固定在水翼2固壁表面3空泡初生位置上游区域A且距固壁表面3的距离小于脱体结构物沿流向特征长度的10倍，通过减小上游速度来推迟或抑制水翼2表面的空化初生。
方案2：空泡初生位置处控制
将脱体结构物安置在空化初生位置附近。如图1所示，脱体结构物1固定在水翼2固壁表面3空泡初生相同轴向位置附近B且距固壁表面3的距离小于脱体结构物沿流向特征长度的10倍，直接改变空化初生区域的速度和压力，推迟或抑制空化初生。
方案3：空泡区内部控制
将脱体结构物安置在水翼空泡内壁面附近。如图1所示，脱体结构物1固定在水翼2固壁表面3对应空泡区域C附近且距固壁表面3的距离小于脱体结构物沿流向特征长度的10倍，通过流体冲击圆柱产生的局部高压来减小空泡内部速度、提高局部压力，减弱或消除局部空化，并影响下游的空泡尾部回射与脱落等现象。
方案4：空泡回射位置处控制
将脱体结构物安置在空泡尾部附近。如图1所示，脱体结构物1固定在水翼2固壁表面3对应空泡尾部及附近区域位置处D且距固壁表面3的距离小于脱体结构物沿流向特征长度的10倍，通过脱体结构物1减小水翼表面空泡脱落和回射过程中的冲击载荷及流动噪声。
方案5：空泡下游控制
将脱体结构物安置在空泡下游。如图1所示，脱体结构物1固定在水翼2固壁表面3对应空泡尾部下游壁面附近E且距固壁表面3的距离小于脱体结构物沿流向特征长度的10倍，通过脱体结构物1阻碍其上游流动，影响空泡尾部的脱落，减小脱落空泡发展过程中的压力脉动，降低流动噪声。
方案6：不同区域多个脱体圆柱组合控制
针对以上方案1至方案5中在水翼2固壁表面3附近安置脱体结构物1的控制方法，可采用以上任意两种或多种区域的组合在水翼2固壁表面3附近安置脱体结构物1的流动控制方法。
方案7：不同大小和结构形式脱体圆柱结构物的组合控制
根据对空化区域流动控制参数的不同，可在水翼2固壁表面3分区或者分段采用相同或不同脱体结构物参数的流动控制方案，其中脱体结构物参数包括：形状、大小、长度以及材料等。
方案8：不同脱体结构物排布形式的组合控制
根据对空化区域流动控制参数的不同，可在水翼2固壁表面3采用多种阵列式的脱体结构物1安置控制方案，包括不同形状尺寸的阵列组合、不同脱体结构物1的阵列组合等。可采用各种交错排列组合控制方案，且方案1至方案7中的脱体结构物控制单元参数可均采用阵列式脱体结构物1安置。
上述方案采用脱体结构物安置在水翼的固壁表面附近，利用脱体结构物对水流的阻碍作用，减小壁面附近流速，可以有效地提高水翼表面的压力，进而可达到以下目的：
1、由于水翼附近局部水流受脱体结构物阻碍，其流速降低，压力升高，可有效地降低来流初生空化数；
2、在产生空化现象时，脱体结构物可有效地减小空泡的体积；
3、由于脱体结构物本身具有阻挡效应，可以大幅减小泡回射及脱落过程中的压力冲击以及在此过程产生的流动噪音；
4、脱体结构物自身可产生明显空泡，吸收大量的空化核，从而减小水翼或航行体表面附近空化核数量，达到控制水翼表面空化的目的；
5、可以与传统的抑制空化技术兼容，即在采用其他流动控制技术后，可采用该技术来进一步消除或抑制水翼及其他结构物表面的空化流动现象。
图2和图3给出了在某水翼表面采用圆柱结构脱体结构物抑制空化的示意图，其中脱体圆柱直径为1mm，水翼弦长为70mm，脱体圆柱距水翼吸力面表面的距离为1.5mm，脱体圆柱沿轴向距前缘10mm，对比了空化数为1.0和1.2下其对流动的控制效果。
由图2和图3可知，采用脱体圆柱后，水翼表面空泡尺寸明显减小，脱体圆柱后背水面产生了空化现象，相当于将水翼表面的空化转移到了脱体圆柱上。