本發(fā)明涉及一種抑制空化的流動(dòng)控制方法，尤其涉及一種抑制水下航行體及水翼表面空化現(xiàn)象的流動(dòng)控制方法。

背景技術(shù)：

為了控制航行體或者水翼表面空化現(xiàn)象，以到達(dá)改善航行體水動(dòng)力特性、提高其結(jié)構(gòu)可靠性以及降低流動(dòng)噪聲的目的，現(xiàn)有的空化抑制技術(shù)主要包括：水動(dòng)力外形優(yōu)化、局部粗糙表面、隔離條帶結(jié)構(gòu)及射流。上述空化抑制技術(shù)均存在一定的問題：

1、采用水動(dòng)力外形優(yōu)化的方法雖然可以在一定航行速度下減弱甚至消除空化現(xiàn)象，但是實(shí)際航行過程中，往往由于姿態(tài)變化或者在速度略有升高時(shí)，會(huì)在航行體或水翼表面出現(xiàn)局部低壓空化區(qū)域甚至大范圍的空化區(qū)；

2、采用隔離條帶結(jié)構(gòu)則主要用于控制空泡的回射及脫落現(xiàn)象，對(duì)空化初生現(xiàn)象的控制效果有限，而且由于以上隔離條帶結(jié)構(gòu)往往在局部突出航行體或者水翼表面，從而會(huì)產(chǎn)生一定的附加阻力；

3、局部溝槽結(jié)構(gòu)會(huì)削弱殼體強(qiáng)度，為了保證其安全性需要進(jìn)行殼體加厚，從而增加了其重量，且由于溝槽結(jié)構(gòu)也僅能適應(yīng)于特定的流動(dòng)條件，當(dāng)航行條件發(fā)生變化時(shí)，很難有效抑制空化現(xiàn)象；

4、射流技術(shù)則需要驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，包括電機(jī)、泵以及管道結(jié)構(gòu)等，系統(tǒng)較為復(fù)雜。

隨著水下航行體（包括艦船、潛艇、水下武器以及無人潛水器等）速度的提高，其表面將出現(xiàn)局部甚至大范圍的空化現(xiàn)象，將顯著影響其水動(dòng)力特性、操縱穩(wěn)定性以及隱身特性。例如，當(dāng)由于航行體或者水翼表面空泡尾部的水流回射現(xiàn)象使得局部壓力過大，產(chǎn)生局部空蝕和材料剝落，尤其是空泡尺寸較大時(shí)產(chǎn)生的回射流沖擊現(xiàn)象甚至?xí)斐蓢?yán)重的結(jié)構(gòu)變形及破壞。航行體及其水翼表面的空化現(xiàn)象還會(huì)使得其水動(dòng)力和操縱力矩顯著減小，從而影響航行體的姿態(tài)穩(wěn)定性。此外，由于空泡的非定常發(fā)展，特別是空泡尾部非定常的空泡團(tuán)脫落及漩渦結(jié)構(gòu)，還會(huì)使得航行體表面以及其周圍流場(chǎng)出現(xiàn)較大的壓力脈動(dòng)現(xiàn)象，進(jìn)而產(chǎn)生流動(dòng)噪聲，減弱了其隱聲性能。因此，如何避免和減弱空化現(xiàn)象一直是艦船、潛艇、水下武器以及無人潛水器等領(lǐng)域重要的研究?jī)?nèi)容之一，具有較大的理論價(jià)值和工程意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了消除或減弱航行體及其水翼表面的空化現(xiàn)象，本發(fā)明提供了一種抑制水下航行體及水翼表面空化現(xiàn)象的流動(dòng)控制方法，通過采用覆蓋或鑲嵌局部甚至全部航行體或水翼固壁表面的多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)，以減小其表面附近的流體速度、增大流體壓力，達(dá)到推遲甚至消除空化現(xiàn)象的目的。

本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

一種抑制水下航行體及水翼表面空化現(xiàn)象的流動(dòng)控制方法，采用多孔介質(zhì)材料固定在航行體或水翼的局部或全部固壁表面上，具體固定位置至少為以下情況中的一種：

a：空泡初生位置上游控制

多孔介質(zhì)材料固定在航行體或水翼固壁表面空泡初生位置上游區(qū)域；

b：空泡初生位置處控制

多孔介質(zhì)材料固定在航行體或水翼固壁表面空泡初生位置區(qū)域；

c：空泡區(qū)內(nèi)部控制

多孔介質(zhì)材料固定在航行體或水翼固壁表面對(duì)應(yīng)空泡區(qū)域內(nèi)；

d：空泡回射位置處控制

多孔介質(zhì)材料固定在航行體或水翼固壁表面對(duì)應(yīng)空泡尾部區(qū)域；

e：空泡下游控制

多孔介質(zhì)材料固定在航行體或水翼固壁表面對(duì)應(yīng)空泡尾部下游。

本發(fā)明中，所述多孔介質(zhì)材料可以采用具有任何孔隙結(jié)構(gòu)的多孔介質(zhì)。

本發(fā)明中，所述多孔介質(zhì)材料不局限于剛性材料，也可采用柔性多孔材料，例如合金、陶瓷等材料，其他具有類似多孔介質(zhì)阻尼特性的材料也適用于本發(fā)明。

本發(fā)明中，所述多孔介質(zhì)材料和航行體或水翼固壁表面間采用任何連接方式。

本發(fā)明中，所述多孔介質(zhì)材料可以直接覆蓋在航行體或水翼已有固壁表面上，也可通過在固壁表面開槽鑲嵌，還可部分嵌入固壁表面，部分凸出固壁表面。

本發(fā)明中，所述多孔介質(zhì)材料和航行體或水翼固壁表面可以采用特殊工藝直接制造，如直接鑄造、3d打印等工藝將多孔材料和固壁一體化制造，而避免采用機(jī)械連接、焊接方式等其他方式進(jìn)行表面多孔介質(zhì)的固定。

相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1、在空化程度較小時(shí)，本發(fā)明利用多孔介質(zhì)的阻力特性，可以顯著降低航行體或水翼附近的流體速度、提高壓力，從而可有效的推遲空泡的初生。

2、當(dāng)空化較為劇烈時(shí)，本發(fā)明通過多孔介質(zhì)的阻尼效應(yīng)，降低航行體或水翼附近的流體速度、提高壓力，可減小空泡體積。

3、本發(fā)明利用多孔介質(zhì)的阻尼效應(yīng)，在多孔介質(zhì)層內(nèi)部形成相對(duì)穩(wěn)定的空泡現(xiàn)象，使得空泡脫落等非定常發(fā)展現(xiàn)象主要發(fā)生在多孔區(qū)表面，利用多孔介質(zhì)本身的吸能特性及以在其內(nèi)部固定的氣體產(chǎn)生的彈性吸能效應(yīng)，減少回射沖擊。

4、本發(fā)明通過減小航行體及水翼表面的空化區(qū)范圍，增加高速航行時(shí)航行體的沾濕表面，相當(dāng)于提高了航行體的可操控性，尤其是在高速水下航行體姿態(tài)控制方面，以上作用將更為突出。

5、本發(fā)明利用多孔介質(zhì)具有的消音降噪作用，可以減小流動(dòng)噪聲，包括航行體表面壓力脈動(dòng)以及空化脫落等各種非定常流動(dòng)現(xiàn)象導(dǎo)致的流動(dòng)噪音，提高航行體的隱蔽性。

6、本發(fā)明可以與傳統(tǒng)的抑制空化技術(shù)兼容，即在采用其他流動(dòng)控制技術(shù)后，可采用該技術(shù)來進(jìn)一步消除或抑制航行體或翼型的空化流動(dòng)現(xiàn)象。

7、本發(fā)明采用高強(qiáng)度、輕質(zhì)量的多孔介質(zhì)覆蓋或鑲嵌航行體以及水翼表面，其本身可作為殼體的一部分，從而可以減小內(nèi)部固體殼體的厚度，使得航行體整個(gè)殼體重量減輕。

8、當(dāng)受多孔介質(zhì)覆蓋的固壁厚度減小時(shí)，由于固壁包裹在多孔介質(zhì)內(nèi)部，其附近流體速度較低，摩擦阻力較小，而多孔介質(zhì)為可滲透表面，與原先較厚的固體壁面相比，其附加阻力也可以減小。

9、本發(fā)明適用于水面船舶、快艇、潛艇、水下航行體、無人潛水器等的沾濕表面。

附圖說明

圖1為多孔介質(zhì)在水下航行體表面的布置方式；

圖2為某回轉(zhuǎn)體表面采用多孔介質(zhì)抑制空化的示意圖；

圖3為空化數(shù)為0.2時(shí)有無多孔介質(zhì)覆蓋時(shí)的空泡對(duì)比，（a)無控制，（b)有多孔介質(zhì)控制；

圖4為空化數(shù)為0.3時(shí)有無多孔介質(zhì)覆蓋時(shí)的空泡對(duì)比，（a)無控制，（b)有多孔介質(zhì)控制；

圖5為空化數(shù)為0.2時(shí)壁面壓力系數(shù)對(duì)比；

圖6為空化數(shù)為0.3時(shí)壁面壓力系數(shù)對(duì)比。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步的說明，但并不局限于此，凡是對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍中。

本發(fā)明為了消除或減弱航行體及其水翼表面的空化現(xiàn)象，采用多孔介質(zhì)材料覆蓋或鑲嵌在航行體或水翼的局部以及全部固壁表面上，所述多孔介質(zhì)材料采用合金、陶瓷等材料，其內(nèi)部具有細(xì)密的孔隙結(jié)構(gòu)，可有效地抑制多孔介質(zhì)區(qū)附近甚至整個(gè)航行體或水翼固壁表面的空化流動(dòng)現(xiàn)象。具體實(shí)施方案包括如下幾種：

方案1：空泡初生位置上游控制

采用多孔介質(zhì)材料覆蓋或鑲嵌在空化初生位置上游。如圖1所示，所述結(jié)構(gòu)包括航行體1或水翼2、多孔介質(zhì)材料4，多孔介質(zhì)材料4固定在航行體1或水翼2固壁表面3空泡初生位置上游區(qū)域a，通過減小上游速度來推遲或抑制多孔介質(zhì)區(qū)下游的空化初生。

方案2：空泡初生位置處控制

采用多孔介質(zhì)材料覆蓋或鑲嵌在空化初生位置附近。如圖1所示，多孔介質(zhì)材料4固定在航行體1或水翼2固壁表面3空泡初生位置附近b，直接改變空化初生區(qū)域的速度和壓力，推遲或抑制空化初生。

方案3：空泡區(qū)內(nèi)部控制

采用多孔介質(zhì)材料包裹航行體1或者水翼2空泡內(nèi)局部區(qū)域。如圖1所示，多孔介質(zhì)材料4固定在航行體1或水翼2固壁表面3對(duì)應(yīng)空泡區(qū)域c內(nèi)，通過阻尼效應(yīng)減小空泡內(nèi)部速度、提高局部壓力，減弱或消除局部空化，并影響下游的空泡尾部回射與脫落等現(xiàn)象。

方案4：空泡回射位置處控制

采用多孔介質(zhì)覆蓋或鑲嵌在空泡尾部附近。如圖1所示，多孔介質(zhì)材料4固定在航行體1或水翼2固壁表面3對(duì)應(yīng)空泡尾部及附近區(qū)域位置處d，通過多孔介質(zhì)阻尼效應(yīng)減小空泡脫落和回射過程中的沖擊載荷及流動(dòng)噪聲。

方案5：空泡下游控制

采用多孔介質(zhì)覆蓋或鑲嵌在空泡下游。如圖1所示，多孔介質(zhì)材料4固定在航行體1或水翼2固壁表面3對(duì)應(yīng)空泡尾部下游e，通過多孔介質(zhì)阻尼效應(yīng)減小下游脫落空泡發(fā)展過程中的壓力脈動(dòng)，減小流動(dòng)噪聲。

方案6：針對(duì)多孔介質(zhì)覆蓋位置的不同區(qū)域組合控制

針對(duì)以上方案1~方案5中在航行體1或水翼2固壁表面3局部區(qū)域覆蓋或鑲嵌多孔介質(zhì)材料的控制方法，可采用以上任意兩種或多種區(qū)域的組合以及整個(gè)航行體1或水翼2固壁表面3覆蓋或鑲嵌多孔介質(zhì)材料的流動(dòng)控制方法。

方案7：不同多孔介質(zhì)參數(shù)的組合控制

根據(jù)對(duì)空化區(qū)域流動(dòng)控制參數(shù)的不同，可在航行體1或水翼2固壁表面3分區(qū)或者分段采用相同或不同多孔介質(zhì)參數(shù)的流動(dòng)控制方案，其中多孔介質(zhì)參數(shù)包括：孔隙形狀與大小、孔隙率、粘性阻尼系數(shù)、慣性阻力系數(shù)、多孔介質(zhì)層厚度等。

方案8：不同多孔介質(zhì)排布形式的組合控制

根據(jù)對(duì)空化區(qū)域流動(dòng)控制參數(shù)的不同，可在航行體1或水翼2固壁表面3采用多種陣列式的多孔區(qū)覆蓋或鑲嵌控制方案，包括不同形狀尺寸的陣列組合、不同多孔介質(zhì)材料的陣列組合、不同特性參數(shù)（孔隙形狀與大小、孔隙率、粘性阻尼系數(shù)、慣性阻力系數(shù)、多孔介質(zhì)層厚度等）的多孔介質(zhì)陣列組合等。可采用各種交錯(cuò)排列組合控制方案，且方案1~方案7中的多孔介質(zhì)控制單元參數(shù)可均采用陣列式多孔介質(zhì)覆蓋。

上述方案采用一薄層多孔介質(zhì)覆蓋或鑲嵌在航行體或水翼的局部或者全部固壁表面，利用多孔介質(zhì)對(duì)水流的阻礙作用，減小壁面附近流速，可以有效地提高航行體和水翼表面的壓力，進(jìn)而可達(dá)到以下目的：

1、由于航行體周圍水流受多孔介質(zhì)阻礙，其流速降低，壓力升高，可有效的降低初生空化數(shù)；

2、在產(chǎn)生空化現(xiàn)象時(shí)，多孔介質(zhì)可有效地減小空泡的體積；

3、由于多孔介質(zhì)本身具有吸能效應(yīng)，可以大幅減小泡回射及脫落過程中的壓力沖擊；

4、多孔材料本身具有較好的吸音降噪能力，從而可減小航行體的流動(dòng)噪聲，提高其隱身特性；

5、可以與傳統(tǒng)的抑制空化技術(shù)兼容，即在采用其他流動(dòng)控制技術(shù)后，可采用該技術(shù)來進(jìn)一步消除或抑制航行體或翼型的空化流動(dòng)現(xiàn)象。

6、采用高強(qiáng)度、輕質(zhì)量的多孔介質(zhì)覆蓋航行體以及水翼表面，其本身可作為殼體的一部分，從而可以減小內(nèi)部固體殼體的厚度，使得航行體整個(gè)殼體重量減輕；

7、當(dāng)受多孔介質(zhì)包裹的固壁厚度減小時(shí)，由于固壁包裹在多孔介質(zhì)內(nèi)部，其附近速度較低，摩擦阻力較小，而多孔介質(zhì)為可滲透表面，與原先較厚的固體壁面相比，其附加阻力也可以減小。

圖2給出了在某回轉(zhuǎn)體表面采用多孔介質(zhì)抑制空化的示意圖，其中回轉(zhuǎn)體半徑為0.1m，多孔介質(zhì)厚度為0.005m，將該航行體頭部和側(cè)面全部覆蓋多孔介質(zhì)材料。多孔介質(zhì)材料的孔隙率為0.5，滲透率為0.00000000025m²，對(duì)比了空化數(shù)為0.2和0.3下的多孔介質(zhì)材料對(duì)流動(dòng)控制效果。

由圖3和圖4可知，采用多孔介質(zhì)材料覆蓋后，空泡長(zhǎng)度明顯減小，且采用多孔介質(zhì)材料控制后空泡內(nèi)主要為汽液混合流動(dòng)狀態(tài)。

圖5和圖6給出了航行體表面的壓力系數(shù)沿軸向的分布，采用流動(dòng)控制后空泡的長(zhǎng)度明顯減小，且空泡尾部的回射壓力也顯著減小。以泡內(nèi)低壓區(qū)范圍來衡量空泡的長(zhǎng)度時(shí)，空化數(shù)為0.2時(shí)采用流動(dòng)控制后空泡長(zhǎng)度客減小約25%；空化數(shù)為0.3時(shí)空泡長(zhǎng)度減小32%。此外，空泡尾部的回射壓力來看，若以空泡尾部最大壓力與空泡內(nèi)部的壓力差來評(píng)價(jià)回射沖擊大小，空化數(shù)為0.2和0.3時(shí)采用多孔介質(zhì)材料控制后的回射沖擊可較無流動(dòng)控制時(shí)相對(duì)減小26%和25%，即航行體表面的回射沖擊將顯著減小，而回射沖擊的減小必然使得流動(dòng)噪聲也相應(yīng)的減小。