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高速出水航行体表面均匀排气控制方法的实验探索与机制解析

一、绪论

1.1研究背景与目的

在海洋开发、军事国防等领域，高速出水航行体发挥着关键作用，其出水过程的稳定性和可靠性对任务的成功执行至关重要。随着科技的飞速发展和对海洋资源探索需求的不断增加，水下航行体的应用越来越广泛，涵盖了海洋科学研究、海底资源勘探、水下作业以及军事侦察与打击等多个重要领域。

在军事应用中，潜射导弹、鱼雷等水下航行体的高速出水性能直接关系到作战的成败。它们需要在复杂的海洋环境中迅速、准确地出水，并保持稳定的飞行或航行姿态，以实现对目标的有效打击。例如，潜射导弹在执行战略威慑或战术打击任务时，其出水过程必须稳定可靠，否则可能导致导弹偏离预定轨道，无法命中目标，从而影响整个作战计划的实施。

在民用领域，水下航行体也有着广泛的应用前景。在海洋科学研究中，水下航行体可用于深海探测、海洋生态监测等任务，帮助科学家们更好地了解海洋环境和生态系统。在海底资源勘探方面，水下航行体能够携带各种探测设备，对海底矿产资源进行勘查和评估，为资源开发提供重要依据。

然而，高速出水航行体在穿越水空界面时，会面临诸多复杂的物理现象和技术难题。当航行体高速运动时，其表面易产生自然空化现象。空化是指液体在局部压力降低到一定程度时，液体中的水蒸气或溶解气体形成气泡的过程。在高速出水航行体的情况下，自然空化会导致空泡的产生、发展和溃灭。空泡溃灭瞬间会产生强大的冲击力和压力波动，对航行体结构产生很大的冲击和振动，严重影响其结构强度和出水姿态。这种冲击和振动可能导致航行体的零部件损坏，影响其内部设备的正常运行，甚至使航行体失去控制，无法完成预定任务。

为了解决自然空化带来的不利影响，主动充气技术应运而生。主动充气技术的原理是在水下航行体表面形成包裹着的人工通气空泡，通过人工通气空泡的存在，改变航行体周围的流场结构，从而达到有效控制水下高速航行体运动姿态、消除自然空化带来的不利影响的目的。人工通气空泡可以起到缓冲和隔离的作用，减少空泡溃灭对航行体结构的直接冲击，同时还能调整航行体的受力分布，使其在出水过程中保持更稳定的姿态。

本实验研究旨在深入探究高速出水航行体表面均匀排气控制方法，通过系统的实验研究，获取不同排气参数、排气孔参数等对排气空泡形态发展特性的影响规律，进而得到从排气参数和结构形式上形成均匀排气空泡的控制方法。这对于提高高速出水航行体的性能和可靠性具有重要的现实意义，能够为水下航行体的设计和优化提供关键的技术支持，推动相关领域的技术进步和发展。

1.2国内外研究现状

在高速出水航行体表面排气控制领域，国内外学者已开展了大量研究，取得了一系列重要成果。

国外方面，美国在该领域的研究起步较早，处于国际领先地位。美国海军研究实验室对水下航行体的通气空泡特性进行了深入研究，通过大量实验和数值模拟，揭示了通气空泡的形成、发展和溃灭规律，以及不同排气参数对空泡形态和稳定性的影响。例如，他们研究发现，在一定范围内增加通气率，通气空泡的长度和直径会相应增大，空泡的稳定性也会得到提高，但当通气率超过某一临界值时，空泡会出现不稳定现象，导致航行体受力不均。俄罗斯也在该领域投入了大量研究力量，其研究重点主要集中在航行体的结构设计与排气控制的协同优化方面。通过改进航行体的外形结构，使其与排气系统更好地配合，从而提高排气空泡的均匀性和稳定性，有效降低航行体的阻力和振动。

国内众多科研机构和高校也在积极开展相关研究。哈尔滨工程大学的科研团队针对航行体表面排气空泡的流动特性开展了系统的实验研究。他们通过设计不同的排气模型，研究了周向多孔排气、排气缝排气以及联合排气等不同方式下，排气参数和排气孔参数对排气空泡形态发展特性的影响规律。研究结果表明，周向多孔排气时，排气孔的数量和层数会影响气体的分布均匀性，进而影响空泡的形态；排气缝排气时，通气率和傅鲁德数对空泡的长度和直径有显著影响。中山大学的研究人员开展了主动通气协助航行体水下航行及出水实验，分析了水下空泡的形成和发展过程，以及航行体穿越气水界面过程中的空泡形态和运动过程，探讨了不同通气系数对空泡形态的影响规律，发现水下空泡长度和直径均随着通气系数的增加而增加，水下通气空泡形成过程中存在尾部气水混合物周期性脱落的现象。

尽管国内外在航行体表面排气控制方面取得了一定成果，但仍存在一些不足之处。现有研究多集中在单一排气方式或特定工况下的排气特性研究，对于多种排气方式联合作用以及复杂工况下的排气控制研究相对较少。在实际应用中，高速出水航行体可能面临不同的海况、航行速度和深度等复杂条件，如何实现全工况下的高效排气控制，仍是亟待解决的问题。此外，目前对于排气空泡与航行体结构之间的相互作用机理研究还不够深入，缺乏系统的理论模型来准确描述和预测这种相互作用，这在一定程度