基本信息
- 项目名称：
- 水下高速超空泡射弹试验系统的设计及其流场特性研究
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 本发明公开了一种水下高速超空泡射弹试验系统。弹体通过高压气源所释放气体被驱动、加速，并通过发射管发射进入放有液体的水箱，当试验弹体自上而下和自下而上地通过液体自由面时，产生了伴随超空泡产生的入水和出水的流场。所产生的超空泡流具有较清晰的汽/液两相流内外边界，配合使用各种光学仪器，就可以研究空泡内气体的平衡状态、自由面与超空泡的相互作用、汽/液界面的不稳定性、湍流边界层的发展等复杂的流体动行为过程。
- 详细介绍：
- 超空泡主要分为自然超空泡和通气超空泡两种，前者依靠提高航行体的速度产生超空泡，后者依靠人工通气增加空泡内压强生成超空泡。我国在高速物体出入水诱导产生自然超空泡的基础试验研究方面刚刚起步不久，相关的研究单位大多是在水洞中进行，但由于多数水洞只能开展物体入水试验，且试验受弗鲁德数Fr的影响较大，空泡变形较严重，难以准确分析空泡的形态特性。从当前公开发表的文献资料来看，我国对于高速，特别是跨音速的物体以垂直或近垂直角度出入水诱导产生超空泡方面的研究还很少涉及。造成上述现象的主要原因是目前还没有出现能较好地实现伴随超空泡产生的水下高速物体发生器。美国人发明的超空化水下抛射体(US Patent 6405653),在物体的后端装有一台火箭发动机，由火箭发动机的排气在物体表面产生人工通气气泡。这种设备比较复杂，不适合在实验室普及使用；而且它一般只能维持水平运动，而无法完成兼顾出水和入水试验的任务。 本发明公开了一种水下高速超空泡射弹试验系统。包括高压气源、箱体支撑架、高速摄影仪、工控计算机、隔膜、安全截获器、水箱、水箱盖、平板、球阀、发射管、加强板、气体导管、紧固板和发射管支撑架。弹体通过高压气源所释放的氮气或氦气被驱动、加速，并通过发射管发射进入放有液体的水箱，当试验弹体自上而下和自下而上地通过液体自由面时，产生了伴随超空泡产生的入水和出水的流场。所产生的超空泡流具有较清晰的汽/液两相流内外边界，再配合使用各种光学仪器和流场可视化仪器，就可以研究和了解空泡内气体的平衡状态、自由面与超空泡的相互作用、汽/液界面的不稳定性、湍流边界层的发展等复杂的流体动力学行为过程。
作品图片
作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 我国在高速物体出入水诱导产生自然超空泡的基础试验研究方面刚刚起步不久，相关的研究单位大多是在水洞中进行，但由于多数水洞只能开展物体入水试验，且试验受弗鲁德数Fr的影响较大，空泡变形较严重，难以准确分析空泡的形态特性。从当前公开发表的文献资料来看，我国对于高速，特别是跨音速的物体以垂直或近垂直角度出入水诱导产生超空泡方面的研究还很少涉及。造成上述现象的主要原因是目前还没有出现能较好地实现伴随超空泡产生的水下高速物体发生器。 本发明公开了一种水下高速超空泡射弹试验系统。弹体通过高压气源所释放的氮气或氦气被驱动、加速，并通过发射管发射进入放有液体的水箱，当试验弹体自上而下和自下而上地通过液体自由面时，产生了伴随超空泡产生的入水和出水的流场。所产生的超空泡流具有较清晰的汽/液两相流内外边界。
科学性、先进性
- 我国在高速物体出入水诱导产生自然超空泡的基础试验研究方面刚刚起步不久，相关的研究单位大多是在水洞中进行，但由于多数水洞只能开展物体入水试验，且试验受弗鲁德数Fr的影响较大，空泡变形较严重，难以准确分析空泡的形态特性。从当前公开发表的文献资料来看，我国对于高速，特别是跨音速的物体以垂直或近垂直角度出入水诱导产生超空泡方面的研究还很少涉及。造成上述现象的主要原因是目前还没有出现能较好地实现伴随超空泡产生的水下高速物体发生器。美国人发明的超空化水下抛射体(US Patent 6405653),在物体的后端装有一台火箭发动机，由火箭发动机的排气在物体表面产生人工通气气泡。这种设备比较复杂，不适合在实验室普及使用；而且它一般只能维持水平运动，而无法完成兼顾出水和入水试验的任务。
获奖情况及鉴定结果
- 2011年浙江理工大学“挑战杯”大学生课外学术科技作品竞赛二等奖 2011年浙江省第十二届“挑战杯”大学生课外学术科技作品竞赛一等奖
作品所处阶段
- 中试阶段
技术转让方式
- 无
作品可展示的形式
- 图片、图纸
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 本项目研制开发出的水下高速射弹试验系统及其流场可视化呈像方法，以此来研究刻画水中超空泡定常流动及当物体在入水和出水时的自由面附近超空泡的生成、崩溃对物体的受力状态和运动轨迹的影响，同时研究物体长径比对超空泡形状的影响、钝体的阻力系数、自由面与超空泡的相互作用、气/液界面的不稳定性、湍流边界层的发展等。本研究结果将为超空泡的数值计算和在水下超高速范围内的相关研究奠定夯实基础，为开创我国超空泡技术研究的新局面发挥积极、关键的作用。 本试验系统作为一套“性能优良，设计合理，测试精准”的水下高速射弹综合测试研究系统，将一举填补当前我国在超空泡研究领域内缺乏有效实用的综合试验研究系统的空白，同时拟研究开发的试验测试技术将作为一种先进测试技术，专门用于测量具有“精密、微观、瞬态、高速、复杂、多变”等特点的超空泡流相关物理参数，这必将开拓和促进空泡物理相关研究的深入进行，有助于水力空化技术和水下航行体减阻技术的进一步开发与应用。
同类课题研究水平概述
- 乌克兰和俄罗斯的研究人员通过大量的试验，获得了不同模型和空化器下超空泡的形态、通气及稳定性规律，设计出一系列可以调节升力和阻力系数值的不同类型的空化器；试验还得到了30-140 m/s下自然及通气超空泡的试验数据，并通过40-1300 m/s速度下的高速射弹实验，总结出轴对称超空泡形态和尺寸的计算公式等。 1994年10月在雅典防务展览会上，俄罗斯展示了“疾风”超空泡射弹样品。同样，在1995年3月阿布扎比国际防务展览会上也陈列了该样品，不仅可以高速攻击敌方潜艇，而且能够反击敌方发射的鱼雷武器，是目前已知唯一的定型并装备部队的武器，并已经向少数国家出售，如印度和法国等。据传俄罗斯目前正在研究带自导和更高速的水下导弹，以及超空泡高速潜艇。 美国从20世纪50年代开始高速推进器和水翼方面的超空泡研究，目前主要致力于发展超空泡高速射弹和超空泡鱼雷两类超空泡武器，其中机载快速灭雷系统(RAMICS)已于1995年研制成功，该系统用20mm的超空泡射弹，可穿透水下15m处的水雷。 早在第二次世界大战期间德国就开始了超空泡的理论与实践研究。20世纪70年代后，德国主要进行了超空泡射弹和火箭的研究，获得了火箭的稳定的水下弹道，对多种不同的气体发生器进行了试验，并开发了适于超空泡航行体的固体火箭发动机等。除此之外，80年代初，德国还研究了超空泡水下导向射弹在运动中的性能，在射弹上配置惯性测量装置，为控制此类射弹打下基础。 此外，英国、法国等其他西方国家目前虽然还没有研制出实战或试验型超空泡武器，但是都投入了极大精力开展超空泡武器的探索和研究。 我国在空蚀与超空泡方面的研究起步较晚，2000年俄罗斯发生了“库尔斯克号”潜艇爆炸沉没事故，国人才从中知道了还存在一种被称为高速超空泡鱼雷的航空母舰“杀手锏”兵器，我国这才真正开始了在方面的实质性系统研究。与国外尤其是与美国和俄罗斯的在空蚀及超空泡方面的研究相比，我国的研究基础还比较薄弱，其中空蚀的研究结果还不是很多，超空泡的研究结果就更少，而对超高速空泡航行体流动特性和机理的研究基本上还是处在起步阶段。在理论上，我国学者还没有达到能够提出新的超空泡计算公式的程度；在实验上，现阶段在我国也似乎还没出现可以与美俄在这方面相媲美的实验手段与方法。
