超空泡航行器通气参数设计方法

1.本发明属于超空泡减阻技术领域，具体涉及超空泡航行器通气参数设计方法。


背景技术：

2.随着舰船航速的提升，以鱼雷为代表的传统水中兵器在海战中的突防优势逐渐弱化。为了有效对抗大型水面舰船，迫切需要提高水中兵器的航行速度。利用超空泡减阻技术的水中兵器，依托独特的流体动力布局，通过向流场注入不凝气体生成覆体超空泡，使得航行阻力大幅减小，航行速度可突破200kn，因此备受关注。
3.为了生成和维持超空泡，需要持续不断的向周围流场通入气体。由于所需气量很大，一般采用燃烧固体药柱生成的高温燃气作为气源。其中，通气流量、航行速度、航行深度等参数对超空泡的形态和尺寸有决定性的影响。超空泡的形态又决定了航行器的流体动力特性、控制特性和航行稳定性，对于超空泡形态的准确预测和调控是超空泡航行器总体设计的关键之一。目前，通气超空泡航行器所需的通气量大多通过仿真计算确定，需要耗费大量的算力和时间；并且，数值仿真所得的通气量多为某一工况下适用的固定数值，无法适应于工作环境的变化，也没有便捷地提供可变通气量的方法。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供超空泡航行器通气参数设计方法，解决了改变工况后，超空泡尺寸过小航行器无法被完全包覆的问题，以及超空泡尺寸过大所带来的浪费甚至影响航行器性能的问题。
5.本发明所采用的技术方案是，超空泡航行器通气参数设计方法，具体按照以下步骤实施：
6.步骤1、基于大量数据构建通气量的数学描述方法，参照航行器的外形和航速，根据通气率公式得出生成合适大小的空泡所需的通气体积流量；
7.步骤2、根据航行器所处的环境压力和要求的空化数，计算通气超空泡内气体密度，结合步骤1中所得的通气体积流量，计算通气质量流量；
8.步骤3、根据通气质量流量，并结合燃料特性，设计燃气发生器固体药柱的燃面大小及端面燃烧所能提供的通气质量流量。
9.本发明的特点还在于：
10.步骤1具体过程为：
11.步骤1.1、根据航行器外形，计算航行器最大直径d
t
与空化器直径dc的比例k1：
[0012][0013]
步骤1.2、设定所需的空泡大小，使空泡完全包覆航行体，计算空泡直径d
max
与空化器直径d
t
的比例k2：
[0014][0015]
空泡最大截面面积sc表示为：
[0016][0017]
步骤1.3、由通气率公式计算通气体积流量q：
[0018][0019]
结合公式(1)、(2)变形得：
[0020][0021]
再结合公式(3)变形得：
[0022][0023]
对公式(6)进行变形可得：
[0024][0025]
公式(7)给出了体积流量与速度、空泡最大截面的关系，k1、k2两个参数与通气率有关，cq/(k
12k22
)是一个定值，将该值带入公式(7)得：
[0026]
q＝0.0635vsc(8)
[0027]
步骤2中计算通气超空泡内气体密度具体过程为：
[0028]
由于通气为可压缩空气，根据空泡内气体压力、气体密度随环境压力的变化特性，通气超空泡内气体密度表示为：
[0029][0030]
其中，r为气体常数，mc为燃气的气体摩尔质量；pc为泡内气体压力；t为气体温度。
[0031]
步骤2中计算通气质量流量过程为：
[0032]
空化数公式为：
[0033][0034]
其中p
∞
为环境压力，随航行器的航深变化而变化，ρ为水的密度，σc为指定的空化数；
[0035]
变形后得到泡内压力的计算公式：
[0036][0037]
联立公式(8)、(9)、(11)得通气质量流量公式表示为：
[0038][0039]
式中，p
∞
表示航行器处于环境压力p
∞
，v表示流速。
[0040]
步骤3具体过程为：
[0041]
步骤3.1、计算航行器稳定航行时所需的燃面大小：
[0042]
当航行器稳定航行时，燃气发生器内压力、温度趋于恒定，排出的气体质量流量也是恒定的，故有：
[0043][0044]
其中，ρ
tui
为推进剂的密度，s为燃面大小，r为推进剂的燃速；
[0045]
结合式(13)有：
[0046][0047]
步骤3.2、计算航行器刚开始生成通气超空泡时所需的燃面大小：
[0048]
在航行器刚开始生成通气超空泡时，需要通入3倍于稳定航行时的气体，故初始时刻的燃面大小为：
[0049][0050]
步骤3.3、进行装药设计：
[0051]
端面燃烧所能提供的通气质量流量范围为：
[0052][0053]
其中sr为燃气发生器的横截面积；
[0054]
当s＝sr时，可采用端面燃烧截面贴壁浇注燃料，当s《sr时，在贴壁浇注燃料的基础上，在火药内孔管管壁上用阻燃层进行包覆，防止其燃烧。
[0055]
本发明有益效果是：
[0056]
本发明超空泡航行器通气参数设计方法，通过对数值模拟结果的归纳和推导，得出了变工况条件下的通气率公式，并使用变截面的装药方法，实现了对不同工况下通气量的控制。相比于传统数值模拟方法，本发明超空泡航行器通气参数设计方法更加便捷高效，大大减小了算力与时间的投入；并且数值模拟方法一般只对稳定工况进行模拟，本发明则可以快速得出变工况及过渡过程中需要多大的通气量，可以使超空泡航行器适应环境压力的变化。相较于气瓶供气，本发明中采用变截面的固体药柱供气不需要额外的调配机构即可实现供气量的变化，不会受到外界压力变化的影响，机构简单，供气稳定。
附图说明
[0057]
图1是本发明超空泡航行器通气参数设计方法及实现途径通过数值模拟所得到的空泡形态随环境压力变化特性图；
[0058]
图2是本发明超空泡航行器通气参数设计方法及实现途径通过数值模拟所得到的空泡最大直径及长度随环境压力变化特性图；
[0059]
图3是本发明超空泡航行器通气参数设计方法及实现途径通过数值模拟所得到的泡内气体压力及密度随环境压力变化图；
[0060]
图4是本发明超空泡航行器通气参数设计方法及实现途径所适用的通气超空泡航行器的总体结构示意图；
[0061]
图5是本发明超空泡航行器通气参数设计方法及实现途径的实施例工况示意图；
[0062]
图6是本发明超空泡航行器通气参数设计方法及实现途径的锥段剖面图；
[0063]
图7是本发明超空泡航行器通气参数设计方法及实现途径的实施例装药示意图。
具体实施方式
[0064]
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
[0065]
本发明超空泡航行器通气参数设计方法，具体按照以下步骤实施：
[0066]
步骤1、基于大量数据构建通气量的数学描述方法，参照航行器的外形和航速，根据通气率公式得出生成合适大小的空泡所需的通气体积流量；具体过程为：
[0067]
步骤1.1、根据航行器外形，计算航行器最大直径d
t
与空化器直径dc的比例k1：
[0068][0069]
步骤1.2、设定所需的空泡大小，使空泡完全包覆航行体，计算空泡直径d
max
与空化器直径d
t
的比例k2：
[0070][0071]
空泡最大截面面积sc表示为：
[0072][0073]
步骤1.3、由通气率公式计算通气体积流量q：
[0074][0075]
结合公式(1)、(2)变形得：
[0076][0077]
再结合公式(3)变形得：
[0078][0079]
对公式(6)进行变形可得：
[0080][0081]
公式(7)给出了体积流量与速度、空泡最大截面的关系，k1、k2两个参数与通气率有关，cq/(k
12k22
)是一个定值，将该值带入公式(7)得：
[0082]
q＝0.0635vsc(8)
[0083]
步骤2、根据航行器所处的环境压力和要求的空化数，计算通气超空泡内气体密度，结合步骤1中所得的通气体积流量，计算通气质量流量；
[0084]
超空泡航行器在实际工况应用中，涉及航深的改变，公式(8)未考虑航深变化的影响，为了探究超空泡形态与环境压力之间的关系，采用数值模拟方法获得空泡形态尺寸与环境压力的关系，仿真工况为通气率0.93、弗劳德数148，对航行器在系列环境压力范围内的通气超空化情况进行了数值仿真。超空泡形态随环境压力变化规律如图1所示。为了定量描述空泡尺寸，超空泡最大直径及空泡长度随环境压力的变化特性如图2所示。由图可知，在系列环境压力变化范围内通气超空泡的类椭圆外形及尾自由闭合模式均保持不变，但超空泡尺寸随环境压力的增大而缩小。当环境压力从0.15mpa增加到0.20mpa，超空泡最大直径dmax从6.1dc减小到5.7dc,空泡全长从98.7dc减小到84.4dc。当环境压力继续增加到0.25mpa时，超空泡最大直径及全长分别减小到5.4dc，74.76dc。
[0085]
为了探究环境压力影响空泡尺寸的机理原因，进行了数值模拟研究，图3给出了空泡内气体压力、气体密度随环境压力的变化特性。随着环境压力的增大，空泡内的压力也相应增加。由于通气为可压缩空气，其密度为：
[0086][0087]
其中，r为气体常数，mc为燃气的气体摩尔质量；pc为泡内气体压力；t为气体温度，常温下t＝298.15k；
[0088]
通入的非凝结气体为常温空气，其与环境水的温度相同，且忽略流动而引起的温度变化。空泡内的气体密度与泡内压力正相关，泡内压力的增加导致空泡内气体密度增长。在通气质量流量一定的情况下，气体密度的增加导致空泡内气体体积流量减小。通气超空泡的尺寸取决于空泡内的气体体积流量，由于环境压力的增大导致空泡内气体体积流量减小，故空泡形态及尺寸减小。
[0089]
因此，环境压力的增加未改变高速通气超空泡的泄气模式及空泡泄气机制。在通气量及航速不变条件下，空泡内密度随环境压力近似线性变化，而空泡尺寸亦随环境压力线性变化，这表明决定空泡尺寸是通气超空泡内气体体积流量。因此，对于预期空泡形态的通气超空泡，当环境压力改变时，通过改变通气量，只要维持其体积流量不变，则超空泡尺
寸基本保持不变。
[0090]
计算通气质量流量过程为：
[0091]
空化数公式为：
[0092][0093]
其中p
∞
为环境压力，随航行器的航深变化而变化，ρ为水的密度，σc为指定的空化数，σc＝0.02；
[0094]
变形后得到泡内压力的计算公式：
[0095][0096]
联立公式(8)、(9)、(11)得通气质量流量公式表示为：
[0097][0098]
式中，p
∞
表示航行器处于环境压力p
∞
，v表示流速，根据公式(12)可得到生成预期超空泡形态尺寸的通气质量流量。
[0099]
当航行器在从航深10m匀速下行至20m时，下行路径近似为斜直线，斜率为-0.1，如图5所示，则该工况下的环境压力可表示为：
[0100]
p
∞
＝(2+0.01vt
下
)p0，0≤t
下
≤0.98
[0101]
其中，t
下
为航行器下行所花的时间，初始深度p
∞
＝2p0，当下行完成时p
∞
＝3p0，下行用时；
[0102]
由此，航行器处于环境压力p
∞
、流速v，欲获得空化数σc为0.02的通气超空泡，根据公式(12)计算生成预期超空泡形态尺寸的通气质量流量，得初始深度下下行完成时
[0103]
步骤3、根据通气质量流量，并结合燃料特性，设计燃气发生器固体药柱的燃面大小及端面燃烧所能提供的通气质量流量，具体过程为：
[0104]
步骤3.1、计算航行器稳定航行时所需的燃面大小：
[0105]
产生气体的燃气发生器及导气装置结构如附图6所示，当航行器稳定航行时，燃气发生器内压力、温度趋于恒定，排出的气体质量流量也是恒定的，故有：
[0106][0107]
其中，ρ
tui
为推进剂的密度，s为燃面大小，r为推进剂的燃速；
[0108]
结合式(13)有：
[0109][0110]
考虑通气时长，固体药柱采用端面燃烧方式，在下潜阶段，涉及燃面的均匀变化，变化过程内选用相同燃速的药柱，通过改变药柱端面面积适应燃面的变化，选用燃速为
3.5cm/s、密度为1.8g/cm3的固体药柱b，经计算，下潜前所需燃面s1＝145.94cm2，下潜后稳定航行时所需燃面s2＝298.91cm2,；s1和s2之间面积均匀递增，垂直于燃面的过渡距离为l
过
＝t
下max
r＝3.43cm。
[0111]
步骤3.2、计算航行器刚开始生成通气超空泡时所需的燃面大小：
[0112]
在航行器刚开始生成通气超空泡时，需要通入3倍于稳定航行时的气体，故初始时刻的燃面大小为：
[0113][0114]
步骤3.3、进行装药设计：
[0115]
由于，端面燃烧所能提供的通气质量流量范围为：
[0116][0117]
其中sr为燃气发生器的横截面积；
[0118]
当s＝sr时，可采用端面燃烧截面贴壁浇注燃料，当s《sr时，在贴壁浇注燃料的基础上，在火药内孔管管壁上用阻燃层进行包覆，防止其燃烧。
[0119]
结合步骤3.1的计算结果，可知s0＝3s1＝437.82cm2，但因为航行器内部空间十分有限，为有效利用空间，需要燃面大小不发生太大变化，因此在不同时段选用不同燃速的固体药柱更为妥当。在通气的初始阶段，通气量较大，选用燃料燃速为5.0cm/s、密度为1.8g/cm3的固体药柱a，经计算，此段时间内所需燃面s0＝306.48cm2。采用端面燃烧截面，贴壁浇注燃料，成型为空心圆柱体，并在火药内孔管管壁上用阻燃层进行包覆，保证整个燃烧过程均为端面燃烧。
[0120]
最终装药方式如图7所示。
[0121]
本发明超空泡航行器通气参数设计方法，首先，通过对数值模拟结果的归纳和相关公式的推导，将通气量、航行器尺寸和空泡尺寸的关系简化为一个常数，最终得出了在一定航速下生成合适大小的空泡所需的通气体积流量。该方法简单高效，避免了进行大量仿真时所花费的大量算力，也便于运用和修改，当应用对象尺寸发生改变时，只需要修改相应的无量纲系数。
[0122]
其次，考虑到航深(即环境压力)的变化对通气超空泡航行器的影响，本发明方法通过对数值模拟结果的归纳(如附图1-3所示)，得出“体积流量不变，则超空泡尺寸基本保持不变”的结论，又经过相关公式的推导，得出了通气质量流量的计算公式，为下一步提出供气方法做准备。这一步研究并得出了保证空泡尺寸不随压力改变的条件，即本发明第一步所得的航行器定深航行时所需的通气体积流量就等于航行器变深航行时所需的通气体积流量，不同之处在于通入气体密度的改变。该方法直指变压力环境下空泡形态改变的本质，有效解决了变深航行时空泡形态改变的问题，且不再需要对变深航行这种较之于定常航行更为复杂的工况进行数值仿真计算。
[0123]
最后，为达到第二步所得的通气质量流量，本发明采用了燃烧变截面固体药柱供气的方式，燃气从燃烧室经过均压室和导气管路流动至空化器和空化碗并喷出(如附图6、7)，通过改变固体药柱的燃速和燃面，便可快捷准确地实现通气质量流量的变化。相较于气
瓶供气，本发明中采用变截面的固体药柱供气不需要额外的调配机构即可实现供气量的变化，不会受到外界压力变化的影响，机构简单，供气稳定，既能实现通气质量流量的缓变以适应护航深的变化，又能实现通气质量流量的突变以满足通气初始时刻三倍通气量的要求。
[0124]
综上所述，本发明应用过程中所需的仿真计算量较小，用时较短，且实现方式简单便捷，能满足通气超空泡航行器变深航行时获得稳定空泡尺寸的需要。