超空泡技术
超空泡形状计算及相关试验研究
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动和下一个运动无关，而仅与物体通过所研究的空 泡截面的那一个时刻的空泡内外的压差、体的尺寸 （ 沾湿部分最大截面半径） 、速度、阻力有关。 例如，已知 .$ 时刻体的速度 /$ 、阻力 0$ ，空泡 内外压差，可以利用公式 （ $$ ） 、 （ $! ）来计算， 其中 0$ ( ，" . ! # )（ * + ,"） （ $& ） 1# 1 " /$ " " 体的运动愈接近直线匀速，原理的描述就愈精 (! #
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超空泡减阻技术简介
超空泡减阻技术简介超空泡是一种物理现象，当物体在水中的运动速度超过185千米/小时后，其尾部就会形成奇异的大型水蒸气沟，将物体与水接触的部分包住，物体接触的介质就由水变成了空气，由于空气密度只有水的1/800，因而就能大幅减少物体所受阻力，物体表面会形成大型空气泡，这就是“超空泡化现象”。
超空泡技术就是在艇体表面和水之间产生一个气体空腔，因此减小了阻力，增大了艇的航速。
超空泡现象很长时间一直是令造船工程师们头痛的事，因为超空泡现象经常会在高速旋转的螺旋桨叶片表面产生而使螺旋桨高速“空转”从而损坏螺旋桨叶片。
超空泡技术概述当航行体与水之间发生高速相对运动时，航行体表面附近的水因低压而发生相变，形成覆盖航行体大部分或全部表面的超空泡。
形成超空泡之后，航行体将在气体中航行，由于航行体在水中的摩擦阻力约为在空气中摩擦阻力的850倍，因此，超空泡技术的应用可以使水下航行体的摩擦阻力大幅减小，从而使鱼雷等大尺度水下航行体的速度提高到100m/s的量级，使水下射弹等小尺度水下航行体的航速提高到1000m/s的量级。
超空泡发展过程当航行体在流体中高速运动时，航行体表面的流体压力就会降低，当航行体的速度增加到某一临界值时，流体的压力将达到汽化压，此时流体就会发生相变，由液相转变为汽相,这就是空化现象。
随着航行体速度的不断增加，空化现象沿着航行体表面不断后移、扩大、进而发展成超空化。
其发展过程一般可以分为四个状态：游离型空泡、云状空泡、片状空泡和超空泡。
超空泡形成方法超空泡分为自然超空泡和通气超空泡两种，形成超空泡一般有三种途径：1）提高航行体的速度；2）降低流场压力；3）在低速情况下，利用人工通气的方法增加空泡内部压力。
前两种方法形成的为自然超空泡，最后一种方法所得到的就是所谓的通气超空泡。
现有的减阻技术脊装表面减阻，微气泡减阻，复合材料减阻，超空泡减阻技术。
而水下超空泡武器是一种新概念武器，基于这种新概念、新原理设计的水下超空泡武器，其运动速度极高，且不受水声对抗器材的干扰，从而大大提高了水下武器的突防能力。
超空泡鱼雷技术特点分析
个无量纲数，其表达式
的形状并不考虑重力和航行体头部变化对超空泡 流场的影响，所以空泡流相对于航行体是轴对称 的。实际上，受这 2 种因素影响，空泡形状会产
生畸变，自然空泡和充气空泡均是如此，图 3 为 超空泡变形示意图 O
y
自然空泡数
通气空泡数
σv
= 2(po
- Pv);:ρ 民
(1 )
(2)
σc = 2(po -Pc);: 民 ρ
式中 :p。为环境压力， Po
=Patm
+ ρgH ， Patm 为大
气压 ， H 为鱼雷绝对深度 ;P 为液体饱和蒸汽压
力 ， Pv=2350 Pa (20°C); Pc 为空泡内压力;ρ
为水的密度;几为来流速度。
3
超空泡形成机理及特点
水下航行体向前运动，推开元运动(静止)
(a) 航行体头部影响
(b) 重力影响
近年来 ， Dzielski
J , Kamada R , Kirschner I
图 1 超空泡流场示意图
N 等人在超空泡航行体的控制、弹道优化等方面
也做了相关研究工作 [44] ，并取得一定成果 O
2
超空泡鱼雷新术语
由于超空泡鱼雷的运动特性既不同于导弹，
说，空泡流场具有一定的大小和形态。从图 不 1
中图分类号: TJ630.1 文献标识码:A 文章编号: 1673-1948 (2007) 05-0001-04
Analysis of Technical Features of Supercavitating Torpedoes
WANGGαi-di
(The 705 Research Institute , China Shipbuilding Industry Corporation , Xi' an 710075 , China)
超空泡技术与实现
超空泡技术与实现发布时间：2022-06-17T07:36:20.568Z 来源：《中国科技信息》2022年第2月第4期作者：冯志超[导读] 本文综合介绍了空泡理论,空泡技术研究的现状冯志超北方华安工业集团有限公司黑龙江 161046摘要:本文综合介绍了空泡理论,空泡技术研究的现状，介绍了空化的基本原理、超空泡概念、形态及其减阻机理，分析了超空泡的形成机理和特点。
给出了超空泡的不同实现方法，及不同实现方法下的空化状态的不同。
关键字：空泡超空泡空化通气空化超空泡航行器1引言2000年8月，俄罗斯最先进的“奥斯卡Ⅱ”级“库尔斯克”号核潜艇在演习时发生神秘爆炸，沉没于巴伦支海海底。
据报道，致使潜艇沉没的爆炸与一种高速鱼雷的试验有关。
在这次事故以后，俄罗斯领先的超空泡技术展现在我们面前。
“暴风”鱼雷是俄罗斯成熟的超空泡高速鱼雷，它长8290mm，直径533mm，质量2697kg，头部装有空化器，靠火箭动力推进，水下行进速度达到230节。
俄正在研制速度可达500节的新型超高速鱼雷，这就是第二代“暴风”鱼雷，传言其速度可达720km/h以上[1]。
2空化理论及超空泡概念液体绕物体快速运动时压力会下降，这一规律瑞典科学家伯努利在1895年就发现了，这就是今天流体动力学上的“伯努利定律”。
如果不考虑重力的影响，那么根据伯努利定理可知，当航行体在流体中运动时，航行体表面的局部流体压力就会降低，当水下运动物体表面的压力降到接近该温度下水的饱和蒸汽压力时，该局部的水将被汽化并形成汽泡。
当航行体的速度增加到某一临界值时，物液界面上有许多点的压力会降低到汽化压，并出现若干小而分散的汽泡，由液相转变为汽相;当压力升高，这些小气泡又将迅速溃灭，这个过程称为空化现象[2]。
目前,在理论界,对所有空化现象的基本描述都是一致的,通常用空化数σ和压力系数来定义空泡的空化程度和压力分布。
3空泡阶段的划分国外在水翼空化系列实验中，观察水翼空泡的各个状态特征，计算出相应得空泡数，以此来作为划分空泡阶段的依据。
超空泡减阻技术简介详解
超空泡技术概述
当航行体与水之间发生高速相对运动时，航行体表面附近 的水因低压而发生相变，形成覆盖航行体大部分或全部 表面的超空泡。形成超空泡之后，航行体将在气体中航 行，由于航行体在水中的摩擦阻力约为在空气中摩擦阻 力的850倍，因此，超空泡技术的应用可以使水下航行体 的摩擦阻力大幅减小，从而使鱼雷等大尺度水下航行体 的速度提高到100M/S的量级，使水下射弹等小尺度水下 航行体的航速提高到1000M/S的量级
自然超空泡与通气超空泡区别
需要指出的是虽然通气空泡由超空泡、附着空泡到游移空泡的溃灭 过程与生成过程类似，但是两者并非可逆的，溃灭过程与生成过 程相比存在滞后效应。如上所述，当局部空泡转变为超空泡时存 在某一临界空泡数，与之相对应存在某一临界通气量。所谓滞后 效应是指生成过程中形成超空泡所需的临界通气量大于溃灭过程 中超空泡消失时的临界通气量。滞后效应的形成原因可能与通气 超空泡产生的自激振有关。
现有的减阻技术
• 脊装表面减阻 起源于仿生学对鲨鱼等鱼类表皮的研究，通过在研究对象外表 面加工具有一定形状尺寸的脊状结构，就能达到很好的减阻效 果。根据脊状结构的分布规律与流体流速方向的不同，该减阻 方法又可分为随性波表面减阻和沟槽表面减阻。 • 微气泡减阻 微气泡减阻是通过某种方式在壁面形成一层薄的微气泡与流体 的混合层，改变边界层的内部结构，亦即改变近壁区流体流动 的运动学和动力学特性，达到降低摩擦阻力的目的。 • 复合材料减阻 当流体流经疏水表面时产生了壁面滑移，使得边界面上的速度 梯度减小，从而减小了边界上的剪切力；由于边界面上的速度 梯度减小，推迟了层流附着面流态的转变，使得附着面的层流 流态更加稳定，也使得层流边界层的厚度增加；同时疏水表面 微凸柱间的流体剖面形状证实了确实存在无剪切空气-水面。
浅析超空泡水中兵器的发展现状与趋势
［ 参 考 文献 】
【 １ 】詹 姆 斯 ・博 曼 ． 公 共协 商 ：多元主 义 、复杂性 与民主［ Ｍ】 ． 黄 相怀译 ． 北京 ： 中央编 译出版 社 ， ２ ０ ０ ６． 【 ２ 】张 凤 阳 ． 在 “ 民主 ”与 “ 共 和 ” 之 间一 一 关 于 现 代 西 方 政 制 模式 的一 项逻 辑分 析… ． 南京 大学学 报 ，２ ０ ０ ６． ［ ３ 】埃 莉诺 ・奥斯 特 罗姆 ． 公 共事物 的 治理之道 ：集体 行动制 度 的演 进［ ＭＪ ． 上海 ：上海 三联 书店 ，２ ０ ０ ０．
英 国也 在 发 展超 空 泡 武器 ， 目前 巳开 发 出非 制 导高 速 水下 武 器 ，采用 火 箭推 进 和燃 气 涡轮 机推 进 ，但无 法 与俄 罗斯 相 比 。 ４ 超 空泡水 中兵器发 展趋势 超 空 泡 水 中 兵 器 既 可 以 潜 艇 或 水 面 舰 艇 为 平 台 ，又 可 以 飞 机 为 平 台 ，既 可作 为 攻势 武 器 ，又 可作 为 防御 武 器 ，我 们至 少可 从 以 下 四个 方 面来 开 发 超空 泡水 中兵器 。 ４． １ 超空泡水 雷武器 开 发 超 空 泡 水 雷 武 器 的 关 键 技 术 是 如 何 利 用 火 箭 发 动 机 排 出 的 ［ ２ 】 文森特 ・ 奥斯特 罗姆 ． 美国公共 行政的思想危机［ Ｍ】 ． 上海 ：
试 图 使用 超 空 泡射 弹反 水 雷 。
３ ． ２ 美 国着力推进 超 空泡 炮弹 ．鱼雷新 计划 在 高速水 中兵器 的开 发方 面 ，美 国采取 了不 同的途 径 ，即从弹 形设 计 上 找出 路 ，设计 了高速 反 水雷 射 弹 。这 种射 弹 是美 国 “ 机
超空泡技术的应用现状和发展趋势
一、超空泡技术的定义超空泡技术是一种利用超临界流体制备空心微球或空心纳米纤维的高新技术。
超空泡技术是指将超临界流体作为溶剂，通过控制超临界流体的温度、压力等条件来溶解、包裹和定向凝聚材料，制备出空心微球或空心纳米纤维。
多年来，超空泡技术已广泛应用于药物传递、能源储存、材料科学等领域，取得了显著的进展。
二、超空泡技术在药物传递领域的应用1. 提高药物的生物利用度利用超空泡技术可以将药物包裹在空心微球中，通过控制微球的壁厚、孔隙度等参数，可以提高药物的生物利用度，延长药物的释放时间，减少药物的不良反应。
2. 控制药物的释放行为超空泡技术制备的空心微球具有较大的比表面积和孔隙结构，可以通过调控微球的结构来控制药物的释放行为，实现药物的定向释放，提高药效。
3. 提高药物的稳定性超空泡技术制备的空心微球和纳米纤维具有较好的稳定性，可以包裹和保护易氧化、易降解的药物，提高药物的稳定性，延长药物的保存期限。
三、超空泡技术在能源储存领域的应用1. 制备锂离子电池正负极材料超空泡技术可以制备具有高表面积、均匀分布孔隙结构的锂离子电池正负极材料，提高了材料的电化学性能和循环稳定性。
2. 制备超级电容器电极材料采用超空泡技术可以制备具有高比表面积、均匀孔隙结构的超级电容器电极材料，提高了电极材料的比电容和循环寿命。
3. 制备储能材料超空泡技术可以制备高性能的储能材料，用于太阳能、风能等可再生能源的储存和释放，为新能源的发展提供了重要支持。
四、超空泡技术在材料科学领域的应用1. 制备轻质复合材料超空泡技术可以制备轻质、高强度的复合材料，具有广泛的应用前景，特别适用于航空航天、汽车制造等领域。
2. 制备抗菌材料超空泡技术可以制备高效抗菌材料，具有广泛的应用前景，可用于医疗器械、食品包装等领域。
3. 制备光学材料超空泡技术可以制备高透明、高折射率的光学材料，用于制备光学器件、光电器件等领域。
五、超空泡技术的发展趋势1. 多功能复合材料的开发超空泡技术已经成功制备了多种功能的复合材料，未来将进一步开发具有多功能性能的复合材料，满足不同领域的需求。
超空泡技术及其在水中兵器中的应用研究
的空泡贯通区 ， 称为片状空泡。一般当空化数小于０ ． １ 后， 片状空泡将覆盖绕流物体的大部分表面， 形成了超
空泡 。 超空泡主要分为 ： 自然超空泡 、 通气超空泡。前者
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的形态特性很大程度上决定了产生空泡的难易程度及 控 制程 度 。 当空化数一定时， 空化器直径增大时， 空泡的长度 和直径相应增大 ， 然而流体阻力系数值是 随空化器形
态改变而变化的； 因此在空化数和空化器直径不变时 。 可 以设计一种形态可变的空化器 ， 通过控制空化器形 态来改变阻力系数值 ， 进而控制超空泡的形态变化 。
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Ｏ ． ５ ． Ｄ
依靠提高航行体的速度或是 降低环境压强生成 ， 空泡 内压强等于液体的饱和蒸汽压 。后者依靠人工通气增 加 空泡 内压 强生 成 ， 此 时 空泡 内压 强不再 恒定 ， 而是 随 着通 气 压强 的变 化而 变化 。 ２ 超 空 泡水 中兵 器 的基本 结构 超空泡水中兵器是 ２ Ｏ 世纪末出现的 ， 是用超空泡 减阻技术发展的新型水下超高速武器 ； 它在水下能 以 超高速接近 目标 ， 作战效能大大提高， 因而受到各国广 泛重 视 。 目前 世界 各 国正在 研 制 的超 空 泡鱼水 雷装 置 主要 包括 以下部件 １ ： １ ） 空化器。内部装有传感器 ， 主要功 能是诱导生成空泡， 提供升力和姿态控制 ， 可影响航行 体的阻力 ， 海水可以通过空化器上的孔道进入航行体 内部 。２ ） 通气管 口。通过通气管 口 使空泡伸长 ， 并覆 盖航行体整个表面 ， 以降低航行体在水 中的阻力 。３ ） 导引系统 。安装有微型传感器 ， 可进行先进的信号处 理、 波形优化 、 收发声纳信 号 。４ ） 推进及通气 系统 。 可采用水反应推进系统 ， 对航行体进行推力矢量控制 ， 同时利用喷嘴喷射气体以稳定空泡的形态 。５ ） 控 制 尾翼 。大部分表面穿过空泡壁而暴露在水 中， 提供航 行体尾部升力 、 滚转 、 姿态控制。 ３ 超 空泡水 中兵器 的关 键技 术 世界各 国对超空泡水中兵器投入了大量 的资金精 力， 研发超空泡发生系统 、 航行体水 下控制 和制导技 术、 推进系统技术改进等一系列关键技术 ， 若其一旦得 到突破 ， 超 空泡 水 中兵器 必将 得到 很大 拓展 。
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空化空蚀图片：/cavitation/item/9d66c31c27024f0cd0d66dba
超空泡技术概述
当航行体与水之间发生高速相对运动时，航行体表面附近的水 因低压而发生相变，形成覆盖航行体大部分或全部表面的超空 泡。 形成超空泡之后，航行体将在气体中航行，由于航行体在水中 的摩擦阻力约为在空气中摩擦阻力的 850 倍，超空泡技术的应 用可以使水下航行体的摩擦阻力大幅减小，从而使鱼雷等大尺 度水下航行体的速度提高到 100m/s 的量级，使水下射弹等小 尺度水下航行体的航速提高到1000m/s的量级
超空泡减阻技术
空化器设计技术 通气控制技术
超空泡数值模拟技术 等……….
空化器设计技术
空化器是超空泡试验模型中最重要的组成部分。它一方 面在模型头部的流场中产生一个较大的负压峰值，使空泡易 于发生，另一方面非流线形的空化器一旦产生空泡, 空泡便 总是起始于空化器的最大圆周处 , 有利于获得稳定和确定的 空泡形态。传统的典型空化器主要是圆盘或圆锥空化器。
自然超空泡形态特性
弹体入水时速度最大，空泡数最小，超空泡稍微滞后达到最 大尺寸；随着速度逐渐降低，空泡数逐渐增大，超空泡的尺 寸逐渐减小；当弹体速度降低到较小值时，超空泡的边界逐 渐模糊、蜕化为局部空泡；速度继续降低，则空泡进一步剥 离溃灭气泡融入尾流，直至消失。
通气超空泡形态特性
通气开始时在空化器后形成一个有大量气泡组成的游移型空泡，当通 气量足够大以至气泡密度达到某一临界值时，游移型空泡转变为椭球 形的附着空泡，在附着空泡内部可以看到剧烈的回注射流向前发展并 与通入的气体相互作用形成雾状多相流区域，使得附着空泡看上去比 较混浊。继续增加通气量使得通气空泡数降低到某一阀值后，空泡长 度和厚度突然明显增加，由混浊的局部空泡转变为覆盖模型大部分表 面的透明的超空泡。
圆盘空化器
圆锥空化器
新型空化器
通气控制技术
在水洞试验研究中，靠提高流体的速度和降低工作段压力来 降低空泡数使空化器自身产生超空泡很难实现，必须辅以向 局部空泡内通气的方式来增加空泡内压力，从而降低空泡数 形成通气超空泡。目前采用人工通气的方法生成超空泡已经 成为一种非常有效的方法，并被广泛应用于水洞中对超空泡 的试验研究。实际上，对于超空泡航行体，在低速时需要利 用通气超空泡的减阻特性使其加速至自然超空泡能够维持减 阻的状态，在高速段由于要对超空泡得形态特性和动力特性 进行控制，也可以采用通气进行控制。
“暴风”鱼雷是一种超空泡 鱼雷，雷体长度8.23米，直 径533毫米，重量2600千克， 战斗部装药250千克，航速 200节，航程15000米，最大 深度400米（图中左侧）。
超空泡鱼雷基本构造
• 空化器。内部装有传感器，空化器的主 要功能是诱导生成空泡，提供升力和姿 态控制，可影响航行体的阻力，海水可 以通过空化器上的孔道进入航行体内部 ； • 通气管口。通过人工通气使空泡伸长并 覆盖航行体表面以降低阻力； • 导引系统。安装有微型传感器，可以进 行先进的信号处理、波形优化，收发声 纳信号； • 推进及通气系统。可能采用水反应推进 系统，对航行体进行推力矢量控制，利 用喷嘴喷射气体以稳定空泡的形态；
当物体在大气中飞行速度到达或者接近音速时，会出现 一种被称为”蒸汽圆锥”的物理现象， 也称“音障”。
那么，当环境改变成水时，会发生什么？
超 空 泡 技 术
讲解+制作：XIAO
超空泡中的基本概念
• 超空泡现象概述
• 超空泡发展过程
• 超空泡形成方法 • 超空泡减阻技术
空化概念
液体绕物体快速运动时压力会下降，这一规律瑞 典科学家伯努利在1895年就发现了，即今天流体 动力学上的“伯努利定律”。随着速度的增加， 当液体压力等于水蒸气压力时，液体便由水相变 为气相，形成水蒸气。空泡会使水流发生畸变， 从而损失水泵、涡轮水翼和推进器的使用效率， 还可能导致强冲击波的出现，引起金属面的腐蚀 。舰船设计师经常要与制造麻烦的空泡打交道， 试图避免出现空泡现象，如将船体设计成流线型 等。
• 控制尾翼。大部分表面穿过空泡壁面， 提供航行体尾部升力、滚转及姿态控制 。尾翼处还可能有海水入口以及制导导 线阻技术简介： /view/946e5ec8d4d0 ～90千米/时，不到超空泡鱼雷 速度的三分之一。
水翼表面产生的空泡形态
超空泡形成方法
超空泡分为自然超空泡和通气超空泡两种，形 成超空泡一般有三种途径：
1）提高航行体的速度 2）降低流场压力 3）在低速情况下，利用人工通气的方法增加空泡内 部压力。前两种方法形成的为自然超空泡，最后一 种方法所得到的就是所谓的通气超空泡。