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表面活性剂减阻剂对超空泡特性影响实验研究

邹志林  
【摘要】: 超空泡减阻技术是国内外学者研究的热点领域,该技术的发展将改变未来海战的模式。当水下航行体的速度达到某一个值时,航行体头部附近水的压力就会低于饱和蒸汽压力,从而发生空化现象,在头部位置产生空泡;当速度超过一个临界值后会形成一个完全或几乎完全包围航行体的空泡,称之为超空泡,此时航行体受到的阻力显著降低,速度得到很大提升。 表面张力抑制了空泡的膨胀过程从而加速了空泡的收缩过程,即液体的表面张力愈小,空泡生长愈稳定,同时空泡所能达到的最大直径愈大。在水中添加表面活性剂减阻剂不仅能够大大降低水的表面张力,同时在水中形成网状结构,抑制湍流,具有减阻效应。另外,研究表明表面活性剂减阻剂能够促进沸腾的发生。本质上,空化现象与沸腾现象相同,因此表面活性剂减阻剂对超空泡的产生会有一定的影响。本文利用射弹实验对表面活性剂减阻剂对超空泡的影响进行了研究。 通过高速射弹实验,研究了子弹在表面活性剂减阻溶液和水中产生超空泡的形态差异。本次实验使用十六烷基三甲基氯化铵(CTAC)表面活性剂,同时配以等质量浓度的水杨酸钠(NaSal),分别配制了100ppm、500ppm和1000ppm三种浓度的CTAC水溶液。利用气动卷钉枪向水和三种不同浓度的CTAC水溶液中射弹,并用高速摄像机记录子弹的运动过程,观察子弹周围的超空泡。结果表明,表面活性剂溶液(CTAC)有利于超空泡的产生,且溶液中产生的超空泡比水中的尺寸更大。另外,与在水中相比,子弹在CTAC水溶液中产生的超空泡能够维持更长时间。同时还发现子弹在CTAC水溶液中受到的阻力比在水中的更小。 对比子弹入射表面活性剂减阻溶液的现象与入水现象的差异,发现子弹入射溶液的过程经历了撞击、流动形成、开空泡和空泡闭合四个阶段,只是在每个阶段的某些特征与入水过程有差别。同时还分析了子弹头型、入水角和入水速度对子弹轨迹和空泡形态的影响。 最后,利用商用CFD软件Fluent6.2,对自然超空泡进行数值模拟,并研究表面张力系数的改变对自然超空泡的影响规律。


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