通气超空泡中由流动非定常性引起的通气迟滞偏移的见解

理解超空泡的通气策略对于设计高速水下航行器十分重要，其中在流动分离装置后方制造人工气袋以减阻。我们的研究考察了来流非定常性对形成（CQf）和溃灭（CQc）超空泡所需通气量的影响。对来流施加非定常性显示，在低自由流速度下 CQf 增大，在高自由流速度下 CQf 减小。高速成像揭示了非定常流下低自由流速度和高自由流速度时再循环区的明显不同行为。在低自由流速度下，空化器下游形成的再循环区随流动非定常性发生垂直偏移，导致气泡碰撞与聚并概率降低，而这正是超空泡形成过程的关键。在高自由流速度下，再循环区随流动非定常性几乎不变，与定常来流相比形成超空泡所需通气更少。此种差异归因于横向雷诺应力增大，有助于在再循环区受限空间内气泡碰撞。发现 CQc 严重依赖于流动非定常性的垂直分量与自由流速度。位于超空泡后上部的界面不稳定性随流动非定常性明显发展，由扭曲界面脱落形成的附加气泡从超空泡 shedding 而出，导致 CQc 增大。对此种附加气泡泄漏率的进一步量化分析表明，界面不稳定性的发展与幅值解释了宽范围流动非定常性下 CQc 的变化。我们的研究为实践中超空泡航行器的通气策略设计提供了一些见解。