技术领域
[0001] 本
发明涉及
水下航行体超空泡技术的技术领域，具体是一种用于提高通气空泡稳定性的流动控制装置及方法。
背景技术
[0002] 随着科技的不断进步，源自于对
空化理论颠覆性的认识，以前认为螺旋桨
叶片的空化现象带来推进效率的降低，应该抑制空化的产生，后来发现水下航行体高速航行时出现的空化现象，在降低表面摩擦阻
力方面表现出极佳的效果，从而已引起国内外研究人员广泛关注，经过不断深入的研究学习，最终发展为人工通气超空泡技术，其基本原理是通过在航行体表面通气生成稳定包裹航行体的空泡，使航行体表面与液体介质隔离，大大减小航行体的摩擦阻力，可以实现90％以上的减阻率。超空泡减阻技术彻底改变水下航行器运行模式，必将引起水下运载和武器装备技术变革。
[0003] 但是在水下由气体聚合形成的超空泡有其非常不稳定的一面。超空泡航行体在各种情况下，例如：航行机动过程中
姿态变化，航速变化，下潜深度改变带来的环境压力变化，水中存在
涡流区，鱼群撞击，水下近自由界面航行，出入水过程中，通气不足，过量通气或者通气不均匀，以及尾喷射流的卷吸作用影响等等，都会出现空泡形态震荡，界面
波动，甚至极端情况下会出现空泡溃灭。引发空泡失稳的因素大致可以分为两类，空泡外水流环境的参数扰动和空泡内
流体参数的扰动。
[0004] 超空泡失稳带来的危害也非常明显，最直接的会改变航行体动力学特性，影响到航行的稳定。其次，空泡在震荡或者溃灭过程中会产生极高的瞬间压力，对航行体结构形成损伤。最后，空泡内
压力脉动和气体噪音有着直接的联系，超空泡失稳产生的噪音问题会暴露军事目标的存在，直接制约着超空泡技术在水下武器上的应用。可见超空泡形态稳定性是保证带空泡航行体的运动和动力稳定性的前提和
基础，因此研究可提高空泡稳定性的流动控制方法及装置具有非常重要的意义。
[0005] 目前现有的研究，针对空泡形态稳定性的问题，大多是采用改变空化器形状和调节通气流量的方法，然而空泡在各种复杂扰动如外界压力波动、尾喷流扰动和通气量突增等作用下易出现界面失稳甚至溃灭等问题，如何提高水下航行体超空泡形态在复杂扰动下的稳定性是亟需解决的问题。
发明内容
[0006] 本发明所要解决的技术问题是：提供一种用于提高通气空泡稳定性的流动控制装置及方法，通过添加轴向螺旋组件使空泡内气体起旋，从而实现对空泡形态及稳定性问题施加主动控制，提高水下航行体超空泡形态在复杂扰动下的稳定性。
[0007] 为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：一种用于提高通气空泡稳定性的流动控制装置，包括可拆卸地安装在超空泡水下航行体头部的空化器，还包括：
[0008] 导气碗，包括端部固定连接所述空化器的碗体，所述碗体为内部具有隔层的双层结构，其中，远离所述空化器的内层中部开设有进气孔、围绕所述进气孔的
外延均匀开设有多个排气孔；
[0009] 通气管路，一端固定连接碗体的内层、另一端通过管道连接到外部的高压气流源、中部外侧套接有螺旋组件；
[0010] 螺旋组件，包括套接在所述通气管路外侧的螺旋套筒以及均匀布设于所述螺旋套筒外侧的多个螺旋叶片；
[0011] 高压气流沿所述通气管路经进气孔进入到隔层最终从排气孔排出形成回旋气流，并对所述螺旋组件形成冲击使其环绕所述超空泡水下航行体旋转。
[0012] 进一步的，所述流动控制装置还包括安装在所述通气管路远离空化器一侧端部的流量
控制器，用于调控进入通气管路内高压气流的总流量大小。
[0013] 进一步的，所述螺旋组件安装于所述导气碗的空腔内部。
[0014] 进一步的，所述高压气流为
发动机尾喷燃气射流气体。
[0015] 进一步的，所述螺旋叶片相对于水平面的安装
角度为15°～45°。
[0017] 本发明还提供一种超空泡水下航行体，包括航行体主体、发动机以及如前面所述的流动控制装置，所述流动控制装置与航行体主体采用
焊接、
螺纹连接或粘接的任意一种方式固定连接，并与所述发动机的尾喷管同轴设置。
[0018] 本发明还提供一种用于提高通气空泡稳定性的流动控制方法，包括以下步骤：
[0019] S1，将前面所述的流动控制装置与航行体主体固定连接；
[0020] S2，航行过程中，从发动机的尾喷燃气射流中引入高压气流，沿所述通气管路经进气孔进入到隔层并最终从排气孔排出形成回旋气流；
[0021] S3，从所述排气孔排出的高压气流对所述螺旋组件形成冲击并使其环绕所述航行体主体旋转；
[0022] S4，螺旋组件旋转带动空化器附近区域水气分离，
加速空泡生成直至包裹住整个超空泡水下航行体形成超空泡状态；
[0023] S5，螺旋组件旋转使空泡内气体起旋，将高压气流内能转化为轴向和切向
动能，从而对空泡形态施加主动控制。
[0024] 进一步的，步骤S2中，在引入高压气流时根据需要调节所述通气管路端部外侧的流量控制器，调控高压气流的总流量大小。
[0025] 进一步的，步骤S3中，当高压气流冲击螺旋组件未能达到所需的旋流强度时，在空化器一侧安装
电机来驱动螺旋组件旋转，用于增强气流绕水下航行体的起旋效果。
[0026] 与
现有技术相比，本发明的有益之处是：
[0027] 一、本发明通过在传统的空化器上增加流动控制装置，使空泡内气体起旋，将高压气流内能转化为轴向和切向动能，从而实现对空泡形态施加主动控制，通过采用该流动控制装置及方法的使用，能明显抑制通气空泡在各种扰动下压力脉动，改善空泡界面波动和
破碎情况，提高通气空泡的稳定性；
[0028] 二、本发明提供的流动控制装置充分利用发动机尾喷气体的内能，可以不消耗额外的
能量，实现通气空泡形态和稳定性控制；
[0029] 三、本发明提供的超空泡水下航行体，解决了传统携带固定结构空化器的水下航行体在加速过程中产生的超空泡外形与水下航行体外形不匹配、整体阻力偏大、空泡稳定性差以及机动性差等问题；通过空泡内的气流起旋可以增强空泡抵抗扰动的能力，改善空泡的稳定性，为水下航行体的高速稳定运行提供保证，结构简单，实用性强；
[0030] 四、本发明提供的用于提高通气空泡稳定性的流动控制方法从超空泡水下航行体尾喷燃气射流中引入高压气流，沿所述通气管路经进气孔进入到隔层最终从排气孔排出形成回旋气流，并对所述螺旋组件形成冲击使其环绕所述超空泡水下航行体旋转，螺旋组件旋转带动空化器附近区域水气分离，中心低压区利于气泡的聚集，可以加快通气空泡的生成速率，抑制空泡内液体回射流的生成，空泡迅速生成直至包裹整个水下航行体形成超空泡状态，从而大大降低水下航行体表面的摩擦阻力。
附图说明
[0031] 为了更清楚地说明本发明
实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
[0032] 下面结合附图对本发明进一步说明：
[0033] 图1是本发明所述用于提高通气空泡稳定性的流动控制装置的结构示意图；
[0034] 图2是图1的全剖视图；
[0035] 图3是本发明所述导气碗的俯视图；
[0036] 图4是图3的全剖视图；
[0037] 图5是本发明所述螺旋组件的结构示意图；
[0038] 图6是本发明所述流动控制装置的使用状态图；
[0039] 1、空化器；2、导气碗；3、通气管路；4、螺旋组件；5、流量控制器；21、碗体；22、进气孔；23、排气孔；24、隔层；41、螺旋套筒；42、螺旋叶片。
具体实施方式
[0040] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0041] 需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对
位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
[0042] 另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
[0043] 在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是物理连接或无线通信连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0044] 另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
[0045] 实施例一
[0046] 如附图1-2所示的一种用于提高通气空泡稳定性的流动控制装置，通过各组件配合使空泡内气体起旋，从而实现对空泡形态及稳定性问题施加主动控制，其主要包括相互连接的空化器1、导气碗2、通气管路3、螺旋组件4、流量控制器5，其中：
[0047] 空化器1，可拆卸地安装在超空泡水下航行体头部，为传统常用的空化器结构，在此不做赘述；本发明通过在传统的空化器上作出改进，使空泡内气体起旋，从而将高压气流内能转化为轴向和切向动能；
[0048] 导气碗2，如附图3-4所示，包括端部固定连接所述空化器1的碗体21，所述碗体21为内部具有隔层24的双层结构，所述隔层24起到缓冲高压气流的作用，其中，远离所述空化器1的内层中部开设有进气孔22、围绕所述进气孔22的外延均匀开设有多个排气孔23；
[0049] 通气管路3，一端固定连接碗体21的内层、另一端通过管道连接到外部的高压气流源、中部外侧套接有螺旋组件4，在本实施例中，高压气流源即为超空泡水下航行体的发动机尾喷燃气射流气体，该气体为不可凝气体，充分利用发动机尾喷气体的内能，可以不消耗额外的能量，实现通气空泡形态和稳定性控制，节省
能源；
[0050] 螺旋组件4，安装于所述导气碗2的空腔内部，如附图5所示，其包括套接在所述通气管路3外侧的螺旋套筒41以及均匀布设于所述螺旋套筒41外侧的多个螺旋叶片42，所述螺旋叶片42相对于水平面的安装角度为15°～45°区间内，在本实施例中，进一步优选为30°；
[0051] 流量控制器5，用于调控进入通气管路3内高压气流的总流量大小，安装在所述通气管路3远离空化器1一侧端部，在本实施例中，所述流量控制器5为
电磁阀；
[0052] 高压气流沿所述通气管路3经进气孔22进入到隔层24进行缓冲最终从排气孔23排出形成回旋气流，并对所述螺旋组件4形成冲击使其环绕所述超空泡水下航行体旋转。
[0053] 采用上述用于提高通气空泡稳定性的流动控制装置具有以下特点，其一，旋转有利于水气分离，在通气空泡生成过程中能加速空泡的生成，并抑制空泡内液体回射流的生成；其二，当气流旋转达到一定强度，切向速度增大，中
心轴向方向上出现
负压力梯度，主动增强空泡内气体回流强度；其三，旋流在一定程度上能降低
湍流脉动，降低空泡受到扰动时的参数波动，从而抑制界面波动。
[0054] 在本发明的另一个实施例中，可以增加多级流动控制装置，以提高通气空泡的起旋效果。
[0055] 实施例二
[0056] 本发明在实施例一的基础上还提供一种超空泡水下航行体，解决了传统携带固定结构空化器的水下航行体在加速过程中产生的超空泡外形与水下航行体外形不匹配、整体阻力偏大、空泡稳定性差以及机动性差等问题，其包括航行体主体、发动机以及如实施例一所述的流动控制装置，所述流动控制装置与航行体主体采用焊接、
螺纹连接或粘接的任意一种方式固定连接，并与所述发动机的尾喷管同轴设置。
[0057] 本实施例所述超空泡水下航行体采用了实施例一中所述的流动控制装置，通过空泡内的气流起旋可以增强空泡抵抗扰动的能力，改善空泡的稳定性，为水下航行体的高速稳定运行提供保证。
[0058] 实施例三
[0059] 本发明在实施例一的基础上还提供一种用于提高通气空泡稳定性的流动控制方法，也即实施例一所述流动控制装置的使用过程，包括以下步骤：
[0060] S1，将实施例一所述的流动控制装置与航行体主体固定连接，可以采用焊接、螺纹连接或粘接的任意一种方式固定连接；
[0061] S2，航行过程中，如图6所示，从发动机的尾喷燃气射流中引入高压气流，沿所述通气管路3经进气孔22进入到隔层24进行缓冲并最终从排气孔23排出，在螺旋组件4的作用下形成回旋气流；
[0062] S3，从所述排气孔23排出的高压气流对所述螺旋组件4形成冲击并使其环绕航行体主体旋转；
[0063] S4，螺旋组件4旋转带动空化器1附近区域水气分离，加速空泡生成直至包裹住整个超空泡水下航行体形成超空泡状态并抑制空泡内液体回射流的生成；
[0064] S5，螺旋组件4旋转使空泡内气体起旋，以增强空泡抵抗扰动的能力，改善空泡的稳定性，将高压气流内能转化为轴向和切向动能，从而对空泡形态施加主动控制。
[0065] 作为优选，步骤S2中，在引入高压气流时根据需要调节所述通气管路3端部外侧的流量控制器5，调控高压气流的总流量大小，流量控制器5用于协同配合，实现空泡形态的精细流动控制目的，大致调控空泡形状至满足需求即可，因为形状越大的空泡意味更大的空化器阻力，越大的通气流量反而造成不必要的能量损耗。
[0066] 作为优选，步骤S3中，当高压气流冲击螺旋组件4未能达到所需的旋流强度时，在空化器1一侧安装电机来驱动螺旋组件4旋转，用于增强气流绕水下航行体的起旋效果，并实现螺旋叶片42的转速连续可调，达到精细流动控制的目的。
[0067] 本实施例所述流动控制方法考虑人工通气空泡生成和溃灭现象本质上为流动的分离和再附过程，这里借鉴空
气动力学领域翼面
边界层控制及旋转掺混燃烧等比较成熟的方法，将之运用到水下超空泡技术；从超空泡水下航行体尾喷燃气射流中引入高压气流，沿所述通气管路3经进气孔22进入到隔层24最终从排气孔23排出形成回旋气流，并对所述螺旋组件4形成冲击使其环绕所述航行体主体旋转，螺旋组件4旋转带动空化器附近区域水气分离，中心低压区利于气泡的聚集，可以加快通气空泡的生成速率，抑制空泡内液体回射流的生成，空泡迅速生成直至包裹整个水下航行体形成超空泡状态，从而大大降低水下航行体表面的摩擦阻力。
[0068] 实施例四
[0069] 本发明还提供另一种用于提高通气空泡稳定性的流动控制方法，该方法从超空泡水下航行体尾喷燃气射流中引入高压气流，并采用切向进气的方式实现空泡内气流起旋，增加空泡内回流强度，从而实现对空泡形态及稳定性问题施加主动控制，改善空泡抗扰动的能力，提高稳定性。
[0070] 以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的
专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明
说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。
