水翼空化瞬態特征與空化沖擊關系試驗研究

曹彥濤，彭曉星，徐良浩，鄭恩慧

（1.中國船舶科學研究中心船舶振動噪聲重點實驗室，江蘇無錫 214082；2.深海技術科學太湖實驗室，江蘇無錫 214082）

0 引 言

空化是艦船高航速運行狀態下常見的現象之一，其非定常演化過程引起的壓力脈動會帶來一系列危害效應，影響艦船結構的安全性以及隱蔽性。尤其是空化劇烈變化過程產生的強脈沖特征，會激勵船體產生強烈的異響甚至空蝕。

所謂“異響”是近年來在部分高航速船舶上出現的一種強振動現象，即某些高航速工況下推進器及附體部位的船體出現強烈撞擊聲，在振動加速度時域監測信號上表現為高幅值脈沖尖峰形式。這一現象極大影響了船舶的舒適性和局部結構的安全性，成為船舶航速性能提升后的新問題。實船試驗發現該現象與附體部位出現的空化相關，但是受實船測試條件及測試手段的限制，無法做到圖像和脈沖信號的時域同步測量，因而無法獲得實際環境中脈沖信號所對應的空化瞬態特征。

空化脈動特性的研究由來已久，早期以單泡為對象的大量理論[1-3]及試驗[4-6]研究表明，高幅值脈沖載荷是由泡的潰滅過程所引起。但是對于實際狀態下的空化，其發展過程包含不同類型空化之間轉換（包括片空化脫落、片狀結構破碎以及群泡結構云團生成等[7-11]）、多重機制（回射流[12]、激波傳播[13-15]）誘導片空化脫落等諸多復雜非定常特性，高幅值脈沖對應何種瞬態空化結構及其特征無法有效確認。此外，受技術手段等諸多因素限制，以往的研究多以空化的宏觀演化過程觀察為主，對于空化瞬態特征與壓力脈動之間時域對應關系的關注較少，也一定程度上限制了對于空化沖擊問題成因的認識。

本文通過引入空化高速攝影和高頻脈動特征時域同步測量方法，結合水翼物面藍油涂層變化情況，構建空化形態圖像與脈動信號之間的對應關系，從而獲取水翼空化流動過程中由空化引起的典型沖擊與空化形態特征之間的對應關系，可為工程中異響成因的認識和空蝕區域判別提供支撐。

1 試驗設備及模型布置

試驗在中國船舶科學研究中心的小型高速空泡水筒中進行。水筒試驗段長度為1600 mm，寬度和高度均為225 mm，水流最高速度為25.0 m/s，試驗段壓力調節范圍為5～500 kPa。配備有可控制水中溶解氣體含量和氣核的空化試驗設備，試驗設備見圖1。

圖1 小型高速空泡水筒Fig.1 High speed cavitation tunnel in CSSRC

試驗模型為NACA 16012 三維扭曲水翼（圖2 所示），水翼關于中心截面對稱，弦長c=100 mm，展長l=225 mm，中間扭曲部分長200 mm，兩端各有一段長12.5 mm 的平直段。試驗中水翼端部的安裝攻角設為0°，此時中間部分攻角為11°，攻角沿展向的變化公式為

圖2 NACA 16012水翼模型示意圖Fig.2 NACA 16012 hydrofoil

式中，z是水翼展向的坐標。

試驗儀器主要包括高速相機（Photron AX100）1臺，采樣頻率為10 000 FPS，用于記錄空化形態；水聽器（BK8103）1 個，最高測量頻率為195 652.18 Hz，通過一個小水箱安裝在試驗段側壁，用于監測壓力脈動信號。高速相機布置在試驗段下方，獲得扭曲水翼空化的正面形態。為滿足高速相機拍攝時的光照需求，在底部采用兩個LED燈進行照明。相機及光源布置概況見圖3。

圖3 相機及光源布置示意圖Fig.3 Arrangement of the camera and lighting

為實現試驗中高速相機和脈動信號之間的時域同步，根據高速相機觸發信號的特征以及脈動信號采樣系統的特點，以相機輸出信號作為時間同步標尺，通過后處理實現圖像和脈動信號同步。高速相機采樣過程為方波信號（圖4所示），而脈動信號采樣系統則可長時間采樣，因此試驗時將高速相機采樣輸出信號作為動態采樣系統其中一個數據通道進行數據采集，然后利用方波信號的上升沿和下降沿作為時間標尺來截取同步部分，用于空化形態圖像和對應脈動特征的時域同步分析。該方式的時間同步誤差小于10 μs，而試驗中高速相機的時間分辨率為100 μs，因此同步時間誤差導致的偏差不超過一幅圖像的時間間隔。

圖4 水聽器和高速相機同步信號典型采樣結果Fig.4 Typical signal synchronized recorded by hydrophone and high speed camera

試驗工況通過空化數σ給定，而空化數則由來流水速U和試驗段進口壓力來調節?？栈瘮刀x為

式中，p∞為試驗段進口壓力，pv為飽和蒸汽壓，ρ為水的密度。

2 試驗結果及分析

2.1 涂層試驗及空化沖擊主要作用區域

為獲得水翼空化導致沖擊的特征，研究中利用試驗前后藍油涂層變化情況來顯示空化沖擊的作用區域。由于涂層剝離試驗時間較長，因此本研究中僅選取一個工況開展了涂層試驗，即在來流速度為14 m/s、空化數為1.0的測試工況下開展了藍油涂層空化沖擊試驗，試驗時長為3小時。在此基礎上通過調整水速獲得了不同工況下的試驗結果，其沖擊與空化瞬態特征對應規律與水速為14 m/s 測試工況一致，因此，本文以14 m/s條件下的典型結果進行分析。

試驗前水翼表面藍油狀況如圖5 所示，其表面被均勻完好的藍油涂層覆蓋。而試驗之后（圖6 所示）水翼表面出現了程度不同的涂層剝離區，根據剝離區的集中程度將剝離區分為五個區域，其中Region1 和Region2 標示的圓形區域最為明顯，存在顯著的涂層剝離集中區，而Region3、Region4 和Region5 部分則主要是零星散布的斑點。本文將重點研究分析涂層剝離點分布較為集中的Region1 和Region2區域，建立空化瞬態特性與沖擊的關系，該區域內剝離點集中部分相連成片，表明此處單位時間內所受的空化沖擊強度最大、空間范圍最為集中。為進一步量化涂層剝離區的范圍，通過比較圖像中區域位置的像素數與水翼弦長c所占像素數量，獲得了主要區域的相對位置，如圖7 所示。

圖5 試驗前水翼表面藍油狀況Fig.5 Paint distribution on hydrofoil surface before test

圖6 試驗后水翼表面藍油狀況Fig.6 Paint distribution on hydrofoil surface after test

圖7 涂層剝離區域位置量化Fig.7 Quantified location for paint removal region

其中，Region1 和Region2 所在的圓形區域中心離水翼端部約77.79%c，距離水翼導邊58.47%c，半徑為15.26%c。由此結合空化形態高速攝影圖像，分析空化沖擊作用區域與空化瞬態結構特征之間的關系。

2.2 壓力脈沖與空化瞬態特征之間關系

為獲得空化沖擊和空化瞬態特征之間的對應關系，對空化形態圖像和脈動信號之間的時域對應關系進行分析。試驗中空化形態圖像時間分辨率為100 μs，本文中不同部分根據需要選取一定間隔的典型圖像進行分析。圖8 所示為本文研究對象的典型空化形態，為便于描述起見，圖中用虛線標示了導邊（L.E.）和隨邊（T.E.）位置以及涂層剝離最嚴重的圓形區域中心的位置，以對比空化位置與沖擊作用區域之間的對應關系。

圖8 試驗模型典型空化特征Fig.8 Typical cavitation behavior of the tested model

從較長的時間尺度上看，該水翼空化演化為準周期生長-脫落過程[8,10]，本文主要關注更小時間尺度的空化瞬態行為，為此選取高速攝影獲得的一個生長-脫落周期內瞬態圖像進行分析。圖9是一個周期內15個不同時刻空化的瞬態特征，時間順序為自上而下、自左而右（后續圖像均采用此規則排序），前后兩個時刻的時間間隔為1100 μs。高速攝影結果顯示，該水翼空化主要以片空化形式出現，導邊的片空化準周期性從導邊位置脫落，形成云空化并隨流動向下游遷移。圖10是上述周期內對應的壓力脈動及時頻譜，其中壓力脈動為水聽器信號的時域曲線，縱坐標為無量綱脈動壓力p(t)Nor，利用脈動壓力最大值p(t)max與最小值p(t)min差值的一半進行了無量綱化（見公式（3）），每個縱向虛線標示出與空化形態圖像對應的時刻；而時頻譜則是壓力脈動對應的小波時頻分析結果，橫坐標為時間，縱坐標為瞬態頻率，云圖的顏色表征幅值大小。圖10結果顯示，該水翼一個周期內的壓力脈動主要以幅值較低的低頻波動為主，而僅在tb-8 至tb-9 時刻存在幅值顯著高于其他時刻的脈沖，且最高幅值中心頻率在10000 Hz 量級。結合圖9 及動態視頻發現，該時段內空化形態上最為顯著的變化，是脫落部分左側局部有明顯的收縮至幾乎完全消失（圖9 中tb-7 至tb-8），后又出現（圖9 中tb-8 至tb-9）的現象，這分別對應著云空化局部整體劇烈潰滅和反彈。上述現象說明，盡管水翼片空化整個演化周期內包含片空化從導邊部分脫落、脫落部分破碎形成云狀結構和云狀結構向下游演化過程的潰滅等多個復雜過程，但其產生的最強沖擊則來源于云空化局部結構的整體潰滅和反彈。

圖9 U=14 m/s一個周期內水翼空化特征（間隔1100 μs）Fig.9 Cavitation behavior in one cycle under U=14 m/s(Time interval 1100 μs)

圖10 U=14 m/s一個周期內對應的壓力脈動及時頻特征Fig.10 Pressure and corresponding time frequency feature in one cycle under U=14 m/s

為進一步觀察最強脈沖前后空化演化的細節，本文又以更小的時間間隔提取了脈沖產生前后（圖9 中tb-7 至tb-9 之間）15 幀高速攝影的圖像及壓力脈動，分別如圖11 和圖12 所示。其中高速攝影前后兩個時刻的時間間隔為100 μs，此時高速攝影結果更為清晰地顯示了其云空化局部結構的整體突然消失、隨后又出現的瞬態特征，即這一過程呈現劇烈潰滅（圖11中tp-7至tp-8之間）和反彈（圖11中tp-8 至tp-9 之間）。而從圖12 壓力脈動時間歷程可以看出第一次潰滅反彈過程小于100 μs，而本試驗中圖像時間分辨率為100 μs，也就是在潰滅過程內部無法進行時間解析，但是可以捕捉潰滅前和潰滅后瞬間的圖像，能夠反映潰滅前后空化的變化特征。此外，從時頻分析中頻域特性看，最高幅值中心頻率在15000 Hz左右，即沖擊形成的壓力脈沖具有高頻特性。

圖11 U=14 m/s潰滅時刻前后對應的空化形態Fig.11 Cavitation behavior near the collapse moment

2.3 空化沖擊作用區域與瞬態特征之間對應關系

通過上述研究獲得了空化沖擊和流場壓力脈沖之間的關系，確認了云空化在向下游移動過程中局部結構整體出現劇烈潰滅并反彈會產生高頻高幅值沖擊這一典型特征。為確認其與涂層剝離區之間的關系，進一步觀察了涂層剝離區域內空化的特征。下面選取空化沖擊作用最為顯著的Region1和Region2區域，分析該范圍內空化瞬態特征，從而闡明涂層剝離區與空化沖擊特征之間的關系。

圖13 是某時段經過Region1 區域的局部結構潰滅過程，相鄰圖像前后時間間隔為100 μs。結果顯示，tp-1 至tp-9 時刻之間Region1 區域內的云空化結構局部（圓環內左半部分）存在整體收縮現象，并在tp-9 時刻收縮至幾乎消失狀態，而在tp-10 時刻又形成局部小尺度結構（紅色圓圈標示），并以此形式向下游移動，這表明該區域內存在云空化局部結構整體突然消失后再出現的現象，即形成劇烈潰滅反彈，從而對物面造成強烈沖擊。與此類似，圖14 是某時段經過Region2區域的局部結構潰滅過程，結果顯示tp-1 至tp-8 時刻之間Region2 區域內的云空化結構局部（圓環內右半部分）存在整體收縮現象，且在tp-8 時刻達到整體體積最小狀態，之后在tp-9 時刻局部（紅色圓圈標示）又出現增大，之后殘余部分隨流動向下游移動，說明該區域內空化也存在明顯的劇烈潰滅和反彈特征。

圖13 Region1空化局部潰滅反彈特征（間隔100 μs）Fig.13 Local cavitation collapse and rebound in Region1(Time interval 100 μs)

圖14 Region2空化局部潰滅反彈特征（間隔100 μs）Fig.14 Local cavitation collapse and rebound in Region2(Time interval 100 μs)

上述結果證實了壓力時域信號中的脈沖特征與云空化局部潰滅并反彈的瞬態特征以及沖擊作用區域之間的對應關系，從而說明對于典型片空化脫落形成云空化的流動，云空化局部結構的整體潰滅和反彈是導致沖擊并造成物面涂層剝離的主要原因。這與Bark等（2004）[16]在空蝕風險判斷中提出的“Focus”現象的描述基本一致，以空化局部結構瞬態收縮為主要特征的潰滅現象。此外，空泡內部除水蒸氣外通常含有不可凝結氣體，所以空化潰滅現象常伴隨反彈特征。

從空化沖擊特征判斷角度看，這一規律為如何判斷空化沖擊瞬態特征并指導空蝕風險判斷提供了依據。首先，從空化形態中判斷是否存在脫落區域，脫落區域下游云空化經過的區域為空化沖擊潛在區域，明確了空化脫落特征在空化沖擊判別中的作用。其次，判斷脫落產生的云空化出現瞬態劇烈潰滅和反彈的位置，其對應局部瞬態高幅值空化沖擊，潰滅點所在位置為高頻高幅值沖擊作用區域，明確了空化潰滅特征與空化沖擊作用區域之間的關聯。

3 結 論

本文利用小型高速空泡水筒開展了水翼空化試驗，通過翼型表面的藍油涂層變化顯示空化對物面的沖擊效應，結合高速攝影觀察和壓力脈動同步測試，獲取了典型空化瞬態特征與壓力脈沖以及沖擊作用區域之間的關聯，為艦船空化激勵產生異響問題成因的認識提供了依據。主要結論包括：

（1）對于典型片空化形成云空化的流場而言，空化沖擊源于片空化脫落形成的云空化局部結構整體潰滅和反彈行為，其特點是在極短時間內云空化局部結構整體急劇收縮后又膨脹。這一認識闡明了空化脫落與潰滅反彈兩大特征在空化非定常演化過程中對壓力脈動特性的貢獻，即空化潰滅反彈對應高頻高幅值的壓力脈沖，而產生潰滅的云空化結構由空化脫落行為產生。

（2）涂層剝離區顯示的空化沖擊作用區域與潰滅反彈現象發生的位置對應，進一步反映了物面沖擊與云空化局部結構潰滅反彈之間的關聯。