[發(fā)明專利]一種用于提高通氣空泡穩(wěn)定性的流動(dòng)控制裝置及方法

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010041245.4
• 申請(qǐng)日: 2020-01-15
• 公開（公告）號(hào): CN111098973A
• 公開（公告）日: 2020-05-05
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 向敏;趙小宇;張為華;郭敏;周后村;謝澤陽;劉波
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)人民解放軍國(guó)防科技大學(xué)
• 主分類號(hào): B63B1/38
• 分類號(hào): B63B1/38
• 代理公司: 長(zhǎng)沙國(guó)科天河知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 43225
• 代理人: 邱軼

本發(fā)明公開了一種用于提高通氣空泡穩(wěn)定性的流動(dòng)控制裝置及方法，所述流動(dòng)控制裝置包括空化器、導(dǎo)氣碗、通氣管路、螺旋組件以及流量控制器等，高壓氣流沿所述通氣管路經(jīng)進(jìn)氣孔進(jìn)入到隔層最終從排氣孔排出形成回旋氣流，并對(duì)所述螺旋組件形成沖擊使其環(huán)繞所述超空泡水下航行體旋轉(zhuǎn)，本發(fā)明通過在傳統(tǒng)的空化器上增加流動(dòng)控制裝置，使空泡內(nèi)氣體起旋，將高壓氣流內(nèi)能轉(zhuǎn)化為軸向和切向動(dòng)能，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)空泡形態(tài)施加主動(dòng)控制。所述用于提高通氣空泡穩(wěn)定性的流動(dòng)控制方法，可以加快通氣空泡的生成速率，抑制空泡內(nèi)液體回射流的生成，空泡迅速生成直至包裹整個(gè)水下航行體形成超空泡狀態(tài)，從而大大降低水下航行體表面的摩擦阻力。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及水下航行體超空泡技術(shù)的技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種用于提高通氣空泡穩(wěn)定性的流動(dòng)控制裝置及方法。

背景技術(shù)

隨著科技的不斷進(jìn)步，源自于對(duì)空化理論顛覆性的認(rèn)識(shí)，以前認(rèn)為螺旋槳葉片的空化現(xiàn)象帶來推進(jìn)效率的降低，應(yīng)該抑制空化的產(chǎn)生，后來發(fā)現(xiàn)水下航行體高速航行時(shí)出現(xiàn)的空化現(xiàn)象，在降低表面摩擦阻力方面表現(xiàn)出極佳的效果，從而已引起國(guó)內(nèi)外研究人員廣泛關(guān)注，經(jīng)過不斷深入的研究學(xué)習(xí)，最終發(fā)展為人工通氣超空泡技術(shù)，其基本原理是通過在航行體表面通氣生成穩(wěn)定包裹航行體的空泡，使航行體表面與液體介質(zhì)隔離，大大減小航行體的摩擦阻力，可以實(shí)現(xiàn)90％以上的減阻率。超空泡減阻技術(shù)徹底改變水下航行器運(yùn)行模式，必將引起水下運(yùn)載和武器裝備技術(shù)變革。

但是在水下由氣體聚合形成的超空泡有其非常不穩(wěn)定的一面。超空泡航行體在各種情況下，例如：航行機(jī)動(dòng)過程中姿態(tài)變化，航速變化，下潛深度改變帶來的環(huán)境壓力變化，水中存在渦流區(qū)，魚群撞擊，水下近自由界面航行，出入水過程中，通氣不足，過量通氣或者通氣不均勻，以及尾噴射流的卷吸作用影響等等，都會(huì)出現(xiàn)空泡形態(tài)震蕩，界面波動(dòng)，甚至極端情況下會(huì)出現(xiàn)空泡潰滅。引發(fā)空泡失穩(wěn)的因素大致可以分為兩類，空泡外水流環(huán)境的參數(shù)擾動(dòng)和空泡內(nèi)流體參數(shù)的擾動(dòng)。

超空泡失穩(wěn)帶來的危害也非常明顯，最直接的會(huì)改變航行體動(dòng)力學(xué)特性，影響到航行的穩(wěn)定。其次，空泡在震蕩或者潰滅過程中會(huì)產(chǎn)生極高的瞬間壓力，對(duì)航行體結(jié)構(gòu)形成損傷。最后，空泡內(nèi)壓力脈動(dòng)和氣體噪音有著直接的聯(lián)系，超空泡失穩(wěn)產(chǎn)生的噪音問題會(huì)暴露軍事目標(biāo)的存在，直接制約著超空泡技術(shù)在水下武器上的應(yīng)用?？梢姵张菪螒B(tài)穩(wěn)定性是保證帶空泡航行體的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力穩(wěn)定性的前提和基礎(chǔ)，因此研究可提高空泡穩(wěn)定性的流動(dòng)控制方法及裝置具有非常重要的意義。

目前現(xiàn)有的研究，針對(duì)空泡形態(tài)穩(wěn)定性的問題，大多是采用改變空化器形狀和調(diào)節(jié)通氣流量的方法，然而空泡在各種復(fù)雜擾動(dòng)如外界壓力波動(dòng)、尾噴流擾動(dòng)和通氣量突增等作用下易出現(xiàn)界面失穩(wěn)甚至潰滅等問題，如何提高水下航行體超空泡形態(tài)在復(fù)雜擾動(dòng)下的穩(wěn)定性是亟需解決的問題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是：提供一種用于提高通氣空泡穩(wěn)定性的流動(dòng)控制裝置及方法，通過添加軸向螺旋組件使空泡內(nèi)氣體起旋，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)空泡形態(tài)及穩(wěn)定性問題施加主動(dòng)控制，提高水下航行體超空泡形態(tài)在復(fù)雜擾動(dòng)下的穩(wěn)定性。

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：一種用于提高通氣空泡穩(wěn)定性的流動(dòng)控制裝置，包括可拆卸地安裝在超空泡水下航行體頭部的空化器，還包括：

導(dǎo)氣碗，包括端部固定連接所述空化器的碗體，所述碗體為內(nèi)部具有隔層的雙層結(jié)構(gòu)，其中，遠(yuǎn)離所述空化器的內(nèi)層中部開設(shè)有進(jìn)氣孔、圍繞所述進(jìn)氣孔的外延均勻開設(shè)有多個(gè)排氣孔；

通氣管路，一端固定連接碗體的內(nèi)層、另一端通過管道連接到外部的高壓氣流源、中部外側(cè)套接有螺旋組件；

螺旋組件，包括套接在所述通氣管路外側(cè)的螺旋套筒以及均勻布設(shè)于所述螺旋套筒外側(cè)的多個(gè)螺旋葉片；

高壓氣流沿所述通氣管路經(jīng)進(jìn)氣孔進(jìn)入到隔層最終從排氣孔排出形成回旋氣流，并對(duì)所述螺旋組件形成沖擊使其環(huán)繞所述超空泡水下航行體旋轉(zhuǎn)。