細(xì)長(zhǎng)體傾斜出水的實(shí)驗(yàn)研究

趙蛟龍,郭百森,孫龍泉,姚熊亮

(1.哈爾濱工程大學(xué)船舶工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001；2.北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076)

細(xì)長(zhǎng)體傾斜出水的實(shí)驗(yàn)研究

趙蛟龍1,郭百森2,孫龍泉1,姚熊亮1

(1.哈爾濱工程大學(xué)船舶工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001；2.北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076)

為了獲得細(xì)長(zhǎng)體傾斜出水空泡生成、發(fā)展及潰滅過(guò)程，基于高速攝像系統(tǒng)對(duì)細(xì)長(zhǎng)體小傾角傾斜出水過(guò)程進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。通過(guò)對(duì)比細(xì)長(zhǎng)體垂直及傾斜帶泡出水過(guò)程，分析了傾斜出水過(guò)程中體現(xiàn)出的新特征及其影響因素。在此基礎(chǔ)上，對(duì)不同初始傾角及細(xì)長(zhǎng)體頭型對(duì)出水軌跡及姿態(tài)的影響規(guī)律進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究：細(xì)長(zhǎng)體姿態(tài)及軌跡變化與其初始傾角并非線性相關(guān)，與肩空泡的閉合位置密切相關(guān)；細(xì)長(zhǎng)體頭型變鈍，其水下運(yùn)動(dòng)過(guò)程穩(wěn)定性增加。

流體力學(xué)；傾斜出水；高速攝像；細(xì)長(zhǎng)體；空泡動(dòng)態(tài)特性；初始傾角；頭型

物體的出水問(wèn)題廣泛存在于許多工程領(lǐng)域，也一直是流體力學(xué)研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。但因其處于氣、固、液三相交界處，受表面張力、重力、空泡、可壓縮性等多種因素的作用，該問(wèn)題十分復(fù)雜。關(guān)于求解該問(wèn)題的物理及數(shù)學(xué)模型均十分復(fù)雜，因此也對(duì)該問(wèn)題開(kāi)展了大量的數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究。Y.Saito等[1]對(duì)圓柱體周圍的空泡生成及對(duì)結(jié)構(gòu)的潰滅過(guò)程進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。P.Y.Liju等[2]運(yùn)用實(shí)驗(yàn)及BEM方法，對(duì)圓柱體以定速穿越水面過(guò)程進(jìn)行了研究。T.Sakai等[3]、T.H.Havelock[4]、J.P.Moran[5]均基于一定假設(shè)，對(duì)自由液面附近的物體運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了理論研究，取得了一些很有價(jià)值的結(jié)論。T.G.Telste[6]、M.Greenhow等[7-8]針對(duì)水平圓柱的出水及入水問(wèn)題及自由液面的非線性效應(yīng)，進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)及理論研究。王一偉等[9]利用FLUENT軟件對(duì)航行體的全出水過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到了細(xì)長(zhǎng)體周圍空泡形成、發(fā)展及潰滅的演化過(guò)程。陳瑋琪等[10-11]基于獨(dú)立膨脹理論，建立了物體出入水過(guò)程中的非定?？张菪螒B(tài)計(jì)算方法，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證了方法的有效性。羅金玲等[12]分析了3種典型頭形的導(dǎo)彈出水過(guò)程中空泡潰滅對(duì)彈體的影響。張軍等[13]對(duì)鈍頭回轉(zhuǎn)體垂直及傾斜無(wú)泡出水的周圍流場(chǎng)進(jìn)行了PIV流場(chǎng)測(cè)量。T.T.Truscott[14]基于高速攝像技術(shù)，研究了射彈表面空泡形成機(jī)理，并分析了它與初始速度、幾何形狀和攻角的關(guān)系。魏海鵬等[15]、魏英杰等[16]對(duì)重力場(chǎng)中潛射導(dǎo)彈垂直發(fā)射過(guò)程的空泡流動(dòng)進(jìn)行了研究。F.Petitpas等[17]對(duì)潛射導(dǎo)彈水下高速運(yùn)動(dòng)周圍的空化流場(chǎng)進(jìn)行了研究。張忠宇等[18]對(duì)小攻角條件下細(xì)長(zhǎng)體定?？栈螒B(tài)進(jìn)行了計(jì)算,系統(tǒng)研究了空化數(shù)、頭型、攻角對(duì)空泡形態(tài)的影響。同時(shí)利用高速攝像機(jī)進(jìn)行氣泡類問(wèn)題的機(jī)理性研究也已得到廣泛應(yīng)用，張阿漫等[19]、王詩(shī)平等[20]基于高速攝像技術(shù)，對(duì)單個(gè)/多個(gè)氣泡在各類邊界條件下的動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行了系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)了一系列新的現(xiàn)象。但對(duì)出水過(guò)程的細(xì)長(zhǎng)體空泡流的實(shí)驗(yàn)研究未見(jiàn)出現(xiàn)。由于重力場(chǎng)作用，細(xì)長(zhǎng)體、空泡、自由液面之間相互作用的機(jī)理十分復(fù)雜，相關(guān)的數(shù)值研究均采取了相應(yīng)的簡(jiǎn)化處理，對(duì)整個(gè)過(guò)程進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究具有十分重要的工程價(jià)值。

本文中，基于高速攝影技術(shù)對(duì)細(xì)長(zhǎng)體傾斜出水過(guò)程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，以獲得與細(xì)長(zhǎng)體垂直過(guò)程不同的空泡生成、發(fā)展、潰滅等運(yùn)動(dòng)動(dòng)態(tài)特性。同時(shí)通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比，分析初始傾角及細(xì)長(zhǎng)體頭型對(duì)細(xì)長(zhǎng)體傾斜出水運(yùn)動(dòng)動(dòng)態(tài)特性及空泡運(yùn)動(dòng)過(guò)程的影響；得到具體的細(xì)長(zhǎng)體小傾角傾斜出水過(guò)程的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過(guò)分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到一些規(guī)律，以期為細(xì)長(zhǎng)體出水過(guò)程研究提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)原理

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.1 Experimental setup

實(shí)驗(yàn)設(shè)備由4部分構(gòu)成：實(shí)驗(yàn)水箱箱體及發(fā)射筒、重力彈射裝置、高速攝像及分析系統(tǒng)、照明系統(tǒng)，如圖1所示。高速攝像及分析系統(tǒng)為PhantomV12.1，可進(jìn)行拍攝速率為103s-1的拍攝及數(shù)據(jù)分析；發(fā)射水箱為60 cm×60 cm×60 cm的不銹鋼方形體，箱體兩側(cè)各開(kāi)尺寸為20 cm×30 cm的觀察窗，用來(lái)進(jìn)行照明及攝像，觀察窗材質(zhì)為厚5 mm的透明有機(jī)玻璃板，光源側(cè)有機(jī)玻璃板外布置一個(gè)相同大小的毛玻璃，以獲得平行光源。水箱支撐架材料為方形鋁型材，整個(gè)支架尺寸為59 cm×59 cm×65 cm。

發(fā)射箱底部為發(fā)射筒，發(fā)射筒直徑略大于模型直徑。發(fā)射筒底部為一個(gè)可上下運(yùn)動(dòng)的撐桿。動(dòng)力球從A處運(yùn)動(dòng)至B處，撞擊撐桿末端，撐桿向上運(yùn)動(dòng)給予細(xì)長(zhǎng)體初始運(yùn)動(dòng)速度，向上運(yùn)動(dòng)沖破發(fā)射筒口鋁箔，完成整個(gè)發(fā)射過(guò)程。細(xì)長(zhǎng)體發(fā)射過(guò)程為干發(fā)射。發(fā)射水箱內(nèi)水來(lái)源為自然水源，靜置48 h，并用明礬去除水中雜質(zhì)氣體后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

通過(guò)控制撞錘的初始位置可改變細(xì)長(zhǎng)體的發(fā)射速度，通過(guò)在撐桿頂端安置不同傾角的斜圓柱控制傾斜發(fā)射的角度。

2 工況設(shè)置

圖2 細(xì)長(zhǎng)體出水示意圖Fig.2 Water-exit of slender body

采用單一變量法，控制初始傾角、初始速度、不同頭型為單一變量，對(duì)整個(gè)出水過(guò)程中空泡的發(fā)展過(guò)程進(jìn)行研究。由于動(dòng)力源與摩擦等損耗的不確定性，細(xì)長(zhǎng)體的初始速度并不能絕對(duì)定量控制。但本文中對(duì)機(jī)理類問(wèn)題進(jìn)行探究，定性控制變量即能得到出水過(guò)程中空泡的動(dòng)力特性變化規(guī)律，因此利用本裝置開(kāi)展細(xì)長(zhǎng)體傾斜出水的實(shí)驗(yàn)研究。

如圖2所示，初始條件下發(fā)射筒頂部距水面20 cm，初始時(shí)刻釋放發(fā)射錘，發(fā)射錘撞擊撐桿細(xì)長(zhǎng)體向上運(yùn)動(dòng)，細(xì)長(zhǎng)體開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，頭部出筒時(shí)刻細(xì)長(zhǎng)體頭部沿z向的速度為初始速度v0，通過(guò)改變發(fā)射錘的初始位置控制細(xì)長(zhǎng)體的初始發(fā)射速度。在A處細(xì)長(zhǎng)體完全出筒，此時(shí)的細(xì)長(zhǎng)體軸線方向與z向夾角為初始俯仰角；在C處細(xì)長(zhǎng)體完全出水，選取此時(shí)的細(xì)長(zhǎng)體軸線方向與z向夾角為出水俯仰角。細(xì)長(zhǎng)體從初始運(yùn)動(dòng)開(kāi)始到位置C處，為整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程。

針對(duì)定水深條件下細(xì)長(zhǎng)體出水過(guò)程進(jìn)行研究，3種細(xì)長(zhǎng)體模型如圖2所示，3種模型長(zhǎng)度為12 cm、半徑為1 cm，自上而下3種模型的頭型的剖面傾角分別為90°、120°、180°。

3 結(jié)果及分析

3.1 細(xì)長(zhǎng)體傾斜出水現(xiàn)象及空泡形態(tài)

豎直圓柱傾斜出水過(guò)程表現(xiàn)出與垂直出水不同的現(xiàn)象，為展現(xiàn)整個(gè)過(guò)程中的不同特點(diǎn)，圖3給出了相同水深、相同初始速度條件下，豎直出水與傾斜出水下的出水過(guò)程。

如圖3(a)所示，細(xì)長(zhǎng)體的垂直出水過(guò)程中在肩部與尾部均產(chǎn)生隨體空泡，肩部空泡與尾部空泡在細(xì)長(zhǎng)體整個(gè)水下運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不斷發(fā)展，同時(shí)尾空泡有明顯的脫落現(xiàn)象。在40 ms時(shí)，肩空泡的后部存在一個(gè)透光度度較低的區(qū)域，由肩空泡尾部的回射流對(duì)泡體的沖擊造成。

在61 ms時(shí)可明顯看出，細(xì)長(zhǎng)體后部形成類似尾跡的球形空泡。在細(xì)長(zhǎng)體上升過(guò)程中流場(chǎng)靜壓力變小，氣泡內(nèi)部氣體外泄使泡內(nèi)壓力變小，氣泡壁在周圍流場(chǎng)靜壓作用下重新閉合。在細(xì)長(zhǎng)體水下運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，上述過(guò)程不斷發(fā)生，形成周期性的外泄-閉合-外泄-閉合的脈動(dòng)過(guò)程，整個(gè)脈動(dòng)外泄過(guò)程將在尾空泡后部流體中形成一連串小氣泡尾跡現(xiàn)象。這個(gè)現(xiàn)象在物體入水過(guò)程中已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)存在[10-21]，本文中證明在細(xì)長(zhǎng)體帶泡出水過(guò)程中也存在類似的現(xiàn)象。

細(xì)長(zhǎng)體穿越水面過(guò)程中，肩空泡與大氣聯(lián)通，空泡潰滅產(chǎn)生的射流沖擊細(xì)長(zhǎng)體表面，加劇了空泡的潰滅過(guò)程，產(chǎn)生劇烈的噴濺現(xiàn)象，水珠噴濺速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于細(xì)長(zhǎng)體運(yùn)動(dòng)速度。姿態(tài)并未產(chǎn)生明顯的變化，這說(shuō)明垂直出水過(guò)程中細(xì)長(zhǎng)體周向所受載荷并沒(méi)有明顯的差別。但潰滅載荷可能會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中需對(duì)出水過(guò)程特別注意。

如圖3(b)所示，細(xì)長(zhǎng)體傾斜出水過(guò)程與垂直出水過(guò)程相比，空泡發(fā)展過(guò)程明顯不同。為方便分析，規(guī)定傾斜出水過(guò)程的細(xì)長(zhǎng)體距水面較遠(yuǎn)一側(cè)為背流面(上圖中為細(xì)長(zhǎng)體右側(cè))，另一側(cè)為迎流面。

細(xì)長(zhǎng)體傾斜水下運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，肩空泡產(chǎn)生時(shí)即有明顯的左右不對(duì)稱現(xiàn)象，迎、背流面空泡長(zhǎng)度與厚度差距均顯著增大，同時(shí)肩空泡背流面長(zhǎng)度明顯增長(zhǎng)。隨著細(xì)長(zhǎng)體向上運(yùn)動(dòng)，肩空泡的不對(duì)稱性越來(lái)越明顯。與垂直出水過(guò)程相比，背流面的肩空泡體現(xiàn)出更明顯的脫落特性，迎流面空泡形態(tài)則較穩(wěn)定。肩空泡脫落的氣團(tuán)向下運(yùn)動(dòng)，對(duì)尾空泡的形態(tài)產(chǎn)生影響，背流面的尾空泡形狀產(chǎn)生明顯的畸變，空泡附近的流動(dòng)情況更復(fù)雜，尾空泡后部不再形成清晰的球形空泡尾跡現(xiàn)象。尾空泡軸向與細(xì)長(zhǎng)體軸向方向相同，未有偏角。

圖3 細(xì)長(zhǎng)體垂直和傾斜出水過(guò)程的形態(tài)Fig.3 Dynamic features of vertical and oblique water-exit of slender body

細(xì)長(zhǎng)體傾斜穿越水面過(guò)程也表現(xiàn)出與垂直出水不同的特征，自由液面噴濺高度比垂直出水高，背流面空泡潰滅強(qiáng)度比迎流面略強(qiáng)，細(xì)長(zhǎng)體的出水姿態(tài)有明顯的改變。細(xì)長(zhǎng)體出水過(guò)程中噴濺的水花高度更高。細(xì)長(zhǎng)體俯仰角從完全出筒時(shí)的4.65°增加至出水時(shí)的10.97°。圖4為細(xì)長(zhǎng)體垂向速度變化曲線。

由圖4可以看出，隨著水深的減小，細(xì)長(zhǎng)體所受阻力逐漸減小，減速運(yùn)動(dòng)的加速度逐漸減小。相比垂直出水，細(xì)長(zhǎng)體傾斜出水狀態(tài)下速度下降較快。初始傾角會(huì)對(duì)細(xì)長(zhǎng)體的整個(gè)水下運(yùn)動(dòng)過(guò)程產(chǎn)生明顯的影響。

圖4 垂直和傾斜與出水過(guò)程的速度Fig.4 Velocities of vertical and oblique water-exit of slender body

3.2 初始傾角對(duì)空泡形態(tài)的影響

在相同初始速度的條件下，改變細(xì)長(zhǎng)體的初始傾角，對(duì)細(xì)長(zhǎng)體的傾斜出水過(guò)程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1，其中σ為空泡數(shù)。圖5為不同傾角下細(xì)長(zhǎng)體出水過(guò)程。

由圖5可知，不同初始傾角對(duì)細(xì)長(zhǎng)體出水過(guò)程存在影響。在整個(gè)細(xì)長(zhǎng)體水下運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，隨著初始傾角的增大，肩空泡的迎、背流面的長(zhǎng)度差從0.81 cm(α=3.4°)增加到0.86 cm(α=4.65°)，最后增加到1.1 cm(α=7.32°)。細(xì)長(zhǎng)體肩部空泡不對(duì)稱性加劇，背流面出現(xiàn)空泡脫落現(xiàn)象的時(shí)間也有所提前，當(dāng)α=7.32°、v=6.19 m/s時(shí)，細(xì)長(zhǎng)體出筒初期肩空泡即發(fā)生明顯的片狀脫落現(xiàn)象。隨著細(xì)長(zhǎng)體初始傾角增大，尾泡的長(zhǎng)度從3.1 cm增加到6.1 cm，半徑呈現(xiàn)出先增大后減小的變化過(guò)程。

表1 不同初始傾角細(xì)長(zhǎng)體傾斜出水過(guò)程的傾角Table 1 Inclination angle of oblique water-exit of slender body at different initial inclination angles

圖5 不同傾角下細(xì)長(zhǎng)體傾斜出水過(guò)程的形態(tài)Fig.5 Dynamic features of oblique water-exit of slender body at different initial inclination angles

初始傾角對(duì)細(xì)長(zhǎng)體空泡的形狀也產(chǎn)生影響，以具有清晰邊界的細(xì)長(zhǎng)體肩空泡迎流面的長(zhǎng)度作為比較對(duì)象，隨著初始傾角的增加，空泡迎流面的長(zhǎng)度有所減小。細(xì)長(zhǎng)體穿越水面過(guò)程中，初始傾角增大，空泡潰滅射流不對(duì)稱性變得更加劇烈，當(dāng)α=7.32°、v=6.19 m/s時(shí)，細(xì)長(zhǎng)體迎流面已經(jīng)沒(méi)有明顯的潰滅沖擊射流，相對(duì)應(yīng)背流面的沖擊區(qū)域與強(qiáng)度均有所增加。由于空泡潰滅過(guò)程會(huì)產(chǎn)生一個(gè)瞬時(shí)的高壓，這種壓力作用在細(xì)長(zhǎng)體表面可能破壞了結(jié)構(gòu)?？张莸拈L(zhǎng)度及射流的分布區(qū)域，直接決定了承受沖擊載荷的結(jié)構(gòu)位置，在細(xì)長(zhǎng)體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)過(guò)程中需考慮初始傾角的影響。

圖6～7給出了不同初始傾角下的細(xì)長(zhǎng)體出水過(guò)程速度及水下運(yùn)動(dòng)軌跡變化曲線。

由圖6可知，細(xì)長(zhǎng)體速度變化趨勢(shì)相似，隨著初始傾角的增加，細(xì)長(zhǎng)體垂向所受的阻力逐漸增加。肩部空泡在水平方向的剖面面積增大，使細(xì)長(zhǎng)體的垂直運(yùn)動(dòng)方向所受阻力增加。

由圖7可得，垂向位移在100 mm范圍內(nèi)，細(xì)長(zhǎng)體運(yùn)動(dòng)軌跡變化趨勢(shì)比較陡峭，這是細(xì)長(zhǎng)體受到發(fā)射筒的約束，導(dǎo)致在橫向位移小。α=4.65°的橫向位移比α=7.32°的大，初始運(yùn)動(dòng)速度對(duì)軌跡有一定的影響，同時(shí)由于運(yùn)動(dòng)軌跡為細(xì)長(zhǎng)體頭部的位移，受到細(xì)長(zhǎng)體轉(zhuǎn)動(dòng)的影響。當(dāng)α=4.65°時(shí)，出水細(xì)長(zhǎng)體俯仰角αf=10.97°，當(dāng)α=7.32°時(shí)，αf=10.20°，前者的細(xì)長(zhǎng)體轉(zhuǎn)動(dòng)速度為后者的2.2倍；當(dāng)α=3.40°時(shí)，αf=4.09°，轉(zhuǎn)動(dòng)速度對(duì)頭部軌跡影響不大。在平動(dòng)與轉(zhuǎn)動(dòng)的綜合影響下，造成了上述情況。初始傾斜角度影響細(xì)長(zhǎng)體周圍空泡的發(fā)展過(guò)程，最終影響細(xì)長(zhǎng)體的平動(dòng)速度與旋轉(zhuǎn)速度：細(xì)長(zhǎng)體的初始傾角增大，垂向減速運(yùn)動(dòng)加速度增大；但對(duì)細(xì)長(zhǎng)體旋轉(zhuǎn)角速度變化的影響并不是線性的。尾空泡的一部分跟隨細(xì)長(zhǎng)體通過(guò)水氣交界面，出水后劇烈的潰滅，潰滅沖擊造成細(xì)長(zhǎng)體的頭部運(yùn)動(dòng)軌跡存在一個(gè)明顯的回轉(zhuǎn)。

圖6 不同初始傾角出水過(guò)程的速度Fig.6 Velocities of oblique water-exit of slender body at different initial inclination angles

圖7 不同初始傾角出水過(guò)程頭部運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.7 Trajectory of oblique water-exit of slender body at different initial inclination angles

3.3 頭部形狀對(duì)空泡形態(tài)的影響

細(xì)長(zhǎng)體頭部形狀對(duì)細(xì)長(zhǎng)體周圍流體的擾動(dòng)，會(huì)對(duì)整個(gè)細(xì)長(zhǎng)體的整個(gè)出水過(guò)程造成影響，本節(jié)中主要探究細(xì)長(zhǎng)體頭部形狀對(duì)細(xì)長(zhǎng)體空化出水的影響規(guī)律。圖8為不同頭型細(xì)長(zhǎng)體出水過(guò)程。

由圖8可知，隨著細(xì)長(zhǎng)體頭型變鈍，細(xì)長(zhǎng)體肩部空泡的初始均勻度提高。與其他頭型出水過(guò)程相比，180°頭型下的細(xì)長(zhǎng)體肩部空泡在形成初期迎、背流面尺寸相當(dāng)，未見(jiàn)明顯區(qū)別，肩空泡繼續(xù)發(fā)展后尾部發(fā)生大片脫落，表面產(chǎn)生明顯的褶皺現(xiàn)象，穿越水面過(guò)程水花噴濺高度下降，說(shuō)明空泡潰滅強(qiáng)度下降。

圖9～10給出了不同頭型下的細(xì)長(zhǎng)體出水過(guò)程速度及水下運(yùn)動(dòng)軌跡變化曲線。

由圖9可知，初始傾角相同的情況下，細(xì)長(zhǎng)體頭型越鈍，整個(gè)水下運(yùn)動(dòng)過(guò)程中速度變化越快，說(shuō)明其受到的阻力越大。

由圖10可知，從細(xì)長(zhǎng)體的頭部運(yùn)動(dòng)軌跡可以看出，在細(xì)長(zhǎng)體穿越水面過(guò)程中，其運(yùn)動(dòng)軌跡存在明顯的變化，這是由于空泡潰滅沖擊力引起的。這種突變的趨勢(shì)隨著細(xì)長(zhǎng)體頭部形狀的變鈍而變得舒緩。同時(shí)與圖7中α=4.65°比較，細(xì)長(zhǎng)體初始速度增大，細(xì)長(zhǎng)體肩部空泡長(zhǎng)度變長(zhǎng)，閉合位置靠后距離重心距離增加，空泡末端的回射流造成細(xì)長(zhǎng)體發(fā)生更明顯的偏轉(zhuǎn)，初始速度的增大使細(xì)長(zhǎng)體橫向位移變大，水下運(yùn)動(dòng)軌跡變化劇烈。

由表2可知，初始傾角相同的情況下，細(xì)長(zhǎng)體頭型越鈍，整個(gè)水下運(yùn)動(dòng)過(guò)程中旋轉(zhuǎn)角速度越小，即運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性越好，這種特性在超空泡領(lǐng)域也得到了應(yīng)用。頭型與圓盤空化器的機(jī)理相同，細(xì)長(zhǎng)體頭部可形成穩(wěn)定的空泡，細(xì)長(zhǎng)體的速度繼續(xù)增大即可形成覆蓋整個(gè)物體的超空泡，超空泡的產(chǎn)生可明顯減小航行體水下運(yùn)動(dòng)過(guò)程所受的阻力。但同時(shí)，細(xì)長(zhǎng)體頭部變鈍，其整個(gè)水下運(yùn)動(dòng)過(guò)程中頭部的水動(dòng)力狀況惡化，因此在細(xì)長(zhǎng)體頭型設(shè)計(jì)中，需要根據(jù)實(shí)際工程需要，綜合權(quán)衡確定最優(yōu)形式。

圖8 不同頭型下細(xì)長(zhǎng)體傾斜出水過(guò)程的形態(tài)Fig.8 Dynamic features of oblique water-exit of slender bodies with different head shapes

圖9 不同頭型出水過(guò)程的速度Fig.9 Velocities of oblique water-exit of slender bodies with different head shapes

圖10 不同頭型出水過(guò)程頭部運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.10 Trajectory of oblique water-exit of slender bodies with different head shapes

表2 不同頭型細(xì)長(zhǎng)體傾斜出水過(guò)程的傾角Table 2 Inclination angles of oblique water-exit of slender bodies with different head shapes

4 結(jié) 論

對(duì)細(xì)長(zhǎng)體傾斜出水過(guò)程的動(dòng)力學(xué)過(guò)程進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，揭示了細(xì)長(zhǎng)體傾斜出水過(guò)程中的局部空泡生長(zhǎng)機(jī)理及發(fā)展變化特性。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析，得到如下結(jié)論。

(1)細(xì)長(zhǎng)體水下運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，隨著周圍壓力與尾空泡內(nèi)部壓力的不斷變化，尾泡表現(xiàn)出周期性的外泄-閉合-外泄-閉合的脈動(dòng)過(guò)程，整個(gè)脈動(dòng)外泄過(guò)程將在尾空泡后部流體中形成一連串小氣泡尾跡現(xiàn)象。

(2)傾斜出水過(guò)程中，細(xì)長(zhǎng)體所受阻力比垂直出水的大。空泡的生長(zhǎng)及潰滅均呈現(xiàn)出不對(duì)稱特征，這個(gè)情況的出現(xiàn)將極大改變細(xì)長(zhǎng)體的出水姿態(tài)及軌跡。

(3)細(xì)長(zhǎng)體傾斜出水過(guò)程中，隨著初始傾角的增加，空泡形態(tài)不對(duì)稱性及潰滅沖擊載荷均呈增大趨勢(shì)；細(xì)長(zhǎng)體的旋轉(zhuǎn)角速度及出水軌跡并非呈現(xiàn)線性變化，與細(xì)長(zhǎng)體空泡閉合的位置有一定的關(guān)系。

(4)細(xì)長(zhǎng)體頭型變鈍，細(xì)長(zhǎng)體所受阻力增加，其周圍形成的空泡對(duì)稱性增強(qiáng)，同時(shí)其潰滅強(qiáng)度均有所減弱，這對(duì)細(xì)長(zhǎng)體出水過(guò)程彈道穩(wěn)定性有利。

[1] Saito Y, Sato K. Cavitation bubble collapse and impact in the wake of a circular cylinder[C]∥Proceeding of the Fifth International Symposium on Cavitation (CAV2003). Osaka, Japan, 2003:1-6.

[2] Liju P Y, Machane R, Cartellier A. Surge effect during the water exit of an axisymmetric body traveling normal to a plane interface: Experiments and BEM simulation[J]. Experiments in Fluids, 2001,31(3):241-248.

[3] Sakai T, Husimi Y, Hatoyama M. On the resistance experienced by a body moving in an incompressible perfect fluid towards its surface[J]. Proceeding Report Society, Japan, 1933,15:4-11.

[4] Havelock T H. The wave resistance of a cylinder started from rest[J]. The quarterly Journal of Mechanics and Applied Mathematics, 1949,2(3):325-334.

[5] Moran J P. The vertical water-exit and water-entry of slender symmetric bodies[J]. Journal of the Aerospace Sciences, 1961,28(10):803-812.

[6] Telste J G. Inviscid flow about a cylinder rising to a free-surface[J]. Journal of Fluid Mechanics, 1987,182:149-168.

[7] Greenhow M, Lin W M. Nonlinear-free surface effects: Experiments and theory[R]. Cambridge, Massachusetts: Department of Ocean Engineering, Massachusetts Institute of Technology, 1983.

[8] Greenhow M. Water-entry and -exit of a horizontal circular cylinder[J]. Apply Ocean Research, 1988,10(4):191-198.

[9] 王一偉，黃晨光，杜特專，等.航行體垂直出水載荷與空泡潰滅機(jī)理分析[J].力學(xué)學(xué)報(bào)，2012，44(1)：39-48. Wang Yiwei, Huang Chenguang, Du Tezhuan, et al. Mechanism analysis about cavitation collapse load of underwater vehicles in a vertical launching process[J]. Chinese Journal of Theoretical and Aplied Mechanics, 2012,44(1):39-48.

[10] 陳瑋琪，王寶壽，顏開(kāi)，等.空化器出水非定常垂直空泡的研究[J].力學(xué)學(xué)報(bào)，2013，45(1)：76-82. Chen Weiqi, Wang Baoshou, Yan Kai, et al. Study on the unsteady vertical cavity of the exit-water cavitor[J]. Chinese Journal of Theoretical and Applied Mechanics, 2013,45(1):76-82.

[11] 陳瑋琪，王寶壽，顏開(kāi)，等.物體垂直出入水的非定?？张輸?shù)學(xué)模型[J].應(yīng)用數(shù)學(xué)與力學(xué)，2013，34(11)：1130-1140. Chen Weiqi, Wang Baoshou, Yan Kai, et al. Model of the unsteady vertical water-entry and water-exit cavities[J]. Applied Mathematics and Mechanics, 2013,34(11):1130-1140.

[12] 羅金玲，何海波．潛射導(dǎo)彈的空化特性研究[J]．戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈技術(shù)，2004(3)：14-17. Luo Jinling, He Haibo. Research on cavitation for under-water launching missile[J]. Tactical Missile Technology, 2004(3):14-17.

[13] 張軍，李英浩，金朋壽.垂直及斜出水流場(chǎng)的二維及三維TR-PIV試驗(yàn)[J].船舶力學(xué)，2005，9(2)：9-17. Zhang Jun, Lee Y H, Kim B S. 2D and 3D time-resolved PIV experiments on flow field around vertical and inclined water-exit body[J]. Journal of Ship Mechanics, 2005,9(2):9-17.

[14] Truscott T T. Cavity dynamics of water entry for spheres and ballistic projectiles[D]. Massachusetts: Massachusetts Institute of Technology, 2009.

[15] 魏海鵬,郭鳳美,權(quán)曉波.潛射導(dǎo)彈表面空化特性研究[J].宇航學(xué)報(bào)，2007,28(6)：1506-1509. Wei Haipeng, Guo Fengmei, Quan Xiaobo. Research on cavitation of submarine launched missile’s surface[J]. Journal of Astronautics, 2007,28(6):1506-1509.

[16] 魏英杰,閔景新,王聰,等.潛射導(dǎo)彈垂直發(fā)射過(guò)程空化特性研究[J].工程力學(xué),2009,26(7):251-256. Wei Yingjie, Min Jingxin, Wang Cong, et al. Research on cavitation of vertical launch submarine missile[J]. Engineering Mechanics, 2009,26(7):251-256.

[17] Petitpas F, Massoni A, Saurel R. Diffuse interface model for high speed cavitating underwater systems[J]. International Journal of Multiphase Flow, 2009,35(8):747-759.

[18] 張忠宇,姚熊亮,張阿漫.小攻角下三維細(xì)長(zhǎng)體定?？栈螒B(tài)研究[J].物理學(xué)報(bào),2013,62(20):204701. Zhang Zhongyu, Yao Xiongliang, Zhang Aman. Cavitation shape of the three-dimensional slender at a small attack angle in a steady flow[J]. Acta Physica Sinica, 2013,60(20):204710.

[19] 張阿漫,王詩(shī)平,白兆宏,等.不同環(huán)境下氣泡脈動(dòng)特性實(shí)驗(yàn)研究[J].力學(xué)學(xué)報(bào),2011,43(1):71-83. Zhang Aman, Wang Shiping, Bai Zhaohong, et al. Experimental study on bubble pulse features under different circumstances [J]. Chinese Journal of Theoretical and Applied Mechanics, 2011,43(1):71-83.

[20] 王詩(shī)平,張阿漫,劉云龍,等.圓形破口附近氣泡動(dòng)態(tài)特性實(shí)驗(yàn)研究[J].物理學(xué)報(bào),2013,62(6):064703. Wang Shiping, Zhang Aman, Liu Yunlong, et al. Experimental research on bubble dynamics near circular hole of plate[J]. Acta Physica Sinica, 2013,62(6):064703.

[21] 何春濤，王聰，何乾坤，等.圓柱體低速入水空泡試驗(yàn)研究[J].物理學(xué)報(bào)，2012，61(13)：134701. He Chuntao, Wang Cong, He Qiankun, et al. Low speed water-entry of cylindrical projectile[J]. Acta Physica Sinica, 2012,61(13):134701.

(責(zé)任編輯 丁 峰)

Experimental study on oblique water-exit of slender bodies

Zhao Jiaolong1, Guo Baisen2, Sun Longquan1, Yao Xiongliang1

(1.CollegeofShipbuildingEngineering,HarbinEngineeringUniversity,Harbin150001,Heilongjiang,China;2.BeijingInstituteofAstronauticsSystemEngineering,Beijing100076,China)

Experimental studies of the oblique water-exit of slender bodies are conducted using high-speed camera technology to capture the whole process for exploring the mechanism of the formation, development and collapse of the cavity and examining the factors that affect the cavity evolution. By comparing the process of the vertical and oblique water-exit of slender bodies, this paper analyzes how the initial inclination angle bear on the cavity evolution and the new features that are found during the formation, development and pinch-off of the cavity. The dependence of the slender body’s water-exit trajectory and posture on the initial inclination angle and head shape is also discussed, illustrating that the trajectory and posture have a nonlinear relationship with the initial inclination angle, but are closely relevant to the shoulder cavity’s closed position. The blunt head shape will increase the stability of the cavity and change the dynamics of the body.

fluid mechanics; oblique water-exit; high-speed camera technology; slender body; cavity dynamic characteristic; initial inclination angle; head shape

10.11883/1001-1455(2016)01-0113-08

2014-06-09； < class="emphasis_bold">修回日期：2014-09-03

2014-09-03

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51279038);黑龍江省博士后科研啟動(dòng)基金項(xiàng)目(LBH-Q11136)

趙蛟龍(1989— )，男，博士研究生;

孫龍泉,zhaojiaolong039@sina.com。

O352;O359 <國(guó)標(biāo)學(xué)科代碼：1302514 class="emphasis_bold"> 國(guó)標(biāo)學(xué)科代碼：1302514 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A國(guó)標(biāo)學(xué)科代碼：1302514

A