運(yùn)動(dòng)體小擾動(dòng)下入水空泡試驗(yàn)研究

蔣運(yùn)華,徐勝利,周　杰

(1.哈爾濱工程大學(xué) 航天工程系,哈爾濱 150001;2.清華大學(xué) 航天航空學(xué)院,北京 100084)

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運(yùn)動(dòng)體小擾動(dòng)下入水空泡試驗(yàn)研究

蔣運(yùn)華1,2,徐勝利2,周杰2

(1.哈爾濱工程大學(xué) 航天工程系,哈爾濱 150001;2.清華大學(xué) 航天航空學(xué)院,北京 100084)

針對(duì)運(yùn)動(dòng)體入水空泡問題,采用模型試驗(yàn)方法,在試驗(yàn)水箱中開展約束和不約束運(yùn)動(dòng)體姿態(tài)的入水試驗(yàn)。研究了有無(wú)擾動(dòng)下的入水局部空泡與入水超空泡生成、發(fā)展下的空泡流動(dòng)特性。分析了有無(wú)擾動(dòng)下的空泡尺寸與弗勞德數(shù)和歐拉數(shù)之間的關(guān)系,給出了有無(wú)擾動(dòng)下的入水空泡長(zhǎng)度的變化規(guī)律,探討了試驗(yàn)獲得的各種空泡流動(dòng)的機(jī)理。結(jié)果表明:無(wú)擾動(dòng)下入水空泡長(zhǎng)度在深水閉合之后有微小增加,有擾動(dòng)下空泡迎流面的長(zhǎng)度比無(wú)擾動(dòng)長(zhǎng)度要短,背流面的長(zhǎng)度比無(wú)擾動(dòng)長(zhǎng)度要長(zhǎng);無(wú)擾動(dòng)時(shí)空泡尾部流動(dòng)對(duì)稱,有擾動(dòng)時(shí)空泡尾部在背流面出現(xiàn)分裂的2條流動(dòng)軌跡;對(duì)于沒有發(fā)生深水閉合的空泡,入水?dāng)_動(dòng)主要使得空泡直徑增大。

運(yùn)動(dòng)體;小擾動(dòng);入水空泡;模型試驗(yàn);流動(dòng)機(jī)理

在船舶海洋工程及航空宇航科學(xué)中,運(yùn)動(dòng)體入水問題是一個(gè)重點(diǎn)的基礎(chǔ)科學(xué)問題[1]。特別是反潛武器的入水、航天發(fā)射后助推器分離返回地面、航天運(yùn)載器返回地球都有可能落入水域,航空飛行器水面迫降等都涉及運(yùn)動(dòng)體入水問題。運(yùn)動(dòng)體入水后會(huì)產(chǎn)生空化,空化的出現(xiàn)會(huì)改變運(yùn)動(dòng)體的受力及航行彈道,之后的航行過(guò)程中,由于空泡的潰滅會(huì)導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)體的彈道失穩(wěn)或承受大載荷,特別是運(yùn)動(dòng)體入水都帶有一定的初始擾動(dòng),這使得入水空化問題更加復(fù)雜。May和Waugh指出,如果能夠控制入水空泡的穩(wěn)定性便可以保證運(yùn)動(dòng)體彈道的穩(wěn)定性[1-2],因此，入水空泡流動(dòng)特性是運(yùn)動(dòng)體彈道穩(wěn)定的關(guān)鍵,但對(duì)其流動(dòng)機(jī)理還缺乏深入的認(rèn)識(shí)[3]。Worthington觀察到了球體入水時(shí)產(chǎn)生的噴濺和空泡,他是最早研究入水問題的學(xué)者。其后研究者主要針對(duì)空投魚雷入水過(guò)程中結(jié)構(gòu)破壞、彈道失穩(wěn)及跳彈等問題來(lái)展開入水的研究。更多的研究是關(guān)注入水過(guò)程空化演化對(duì)運(yùn)動(dòng)體載荷特性的影響。隨著超空泡減阻技術(shù)的發(fā)展,入水空泡流問題又得到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者廣泛的關(guān)注,主要開展了運(yùn)動(dòng)體入水空泡的表面及深水閉合等空泡流基本問題的研究[4-11]。Lee[12]基于能量原理對(duì)入水空泡的生成和閉合及潰滅過(guò)程進(jìn)行理論分析,給出了速入水空泡模型。何春濤等[13-14]開展了單個(gè)和2個(gè)圓柱體的低速入水試驗(yàn)。本文主要研究小擾動(dòng)和無(wú)擾動(dòng)下運(yùn)動(dòng)體入水初期空泡發(fā)展過(guò)程,針對(duì)圓盤空化器運(yùn)動(dòng)體有無(wú)擾動(dòng)入水空泡問題,開展約束和不約束運(yùn)動(dòng)體姿態(tài)的無(wú)擾動(dòng)入水和有擾動(dòng)入水空泡流試驗(yàn)研究。試驗(yàn)研究了有無(wú)擾動(dòng)下入水局部空泡、空泡正好閉合在運(yùn)動(dòng)體尾部及入水超空泡的生成、發(fā)展的空泡流動(dòng)特性。這些問題的研究有助于為運(yùn)動(dòng)體入水空泡流下航行姿態(tài)穩(wěn)定性研究提供基礎(chǔ)。

1　試驗(yàn)條件及結(jié)果

1.1試驗(yàn)運(yùn)動(dòng)體及條件

試驗(yàn)運(yùn)動(dòng)體如圖1所示,為一圓盤空化器、錐柱組合結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)體,它由頭部圓盤空化器、圓錐段和圓柱段組成,試驗(yàn)運(yùn)動(dòng)體直徑為22mm,頭部圓盤空化器直徑為20mm,總長(zhǎng)為100mm。

圖1　試驗(yàn)運(yùn)動(dòng)體

試驗(yàn)是在一個(gè)寬1.0m,長(zhǎng)1.2m,高1.5m的鋼化玻璃水箱中完成,入水試驗(yàn)裝置方案見圖2,水箱底部為15mm厚的橡膠，用于防護(hù)底部玻璃板。

圖2　入水試驗(yàn)裝置方案

1.2垂直入水局部空泡流試驗(yàn)

圖3給出了v0=1.215m/s時(shí)運(yùn)動(dòng)體有無(wú)擾動(dòng)下入水時(shí)空泡的發(fā)展過(guò)程。從圖3中可以看出,由于運(yùn)動(dòng)體的入水速度很小,所以主要形成入水局部空泡。在局部空泡發(fā)生深水閉合之后,即在模型表面閉合之后，由于運(yùn)動(dòng)體運(yùn)動(dòng)速度下降,環(huán)境壓力增加,空泡開始發(fā)展成云狀氣泡。從圖3(b)中可以看出類似的空泡發(fā)展過(guò)程,由于空泡較小,入水的初始擾動(dòng)對(duì)空泡流的影響有限,空泡出現(xiàn)的非對(duì)稱性不明顯。

圖4給出了v0=1.712m/s時(shí)入水空泡的發(fā)展,圖中顯示空泡生成規(guī)律與圖3相同,與圖3 相比,由于該速度比圖3的要大,所以形成的入水局部空泡尺寸也要大。

從圖4(a)空泡發(fā)展來(lái)看,深水閉合之后,空泡長(zhǎng)度變長(zhǎng),直徑變小。主要原因在于,這時(shí)的入水空泡是運(yùn)動(dòng)體入水時(shí)水表面的空氣卷入形成的。所以,在空泡閉合于運(yùn)動(dòng)體表面之后,由于卷入空泡內(nèi)氣體的彈性作用,在外界壓力作用下空泡被壓縮。這類似于在密閉彈性氣袋中的氣體在寬度方向壓力增加,氣袋長(zhǎng)度方向變長(zhǎng)的物理機(jī)制。

圖3　v0=1.215 m/s運(yùn)動(dòng)體入水局部空泡發(fā)展

圖4(b)的空泡發(fā)展過(guò)程與圖4(a)類似。但是,由于入水?dāng)_動(dòng)的存在,空泡出現(xiàn)了新的流動(dòng)形式?？张莸姆菍?duì)稱性使得空泡迎流面的長(zhǎng)度變短,背流面的長(zhǎng)度變長(zhǎng)。同時(shí),空泡尾部流動(dòng)也不一樣,無(wú)擾動(dòng)時(shí)空泡尾部流動(dòng)對(duì)稱,有擾動(dòng)時(shí)空泡尾部在背流面出現(xiàn)分裂的2條流動(dòng)軌跡。這類似于空泡在重力作用下2條渦管的流動(dòng)形式。

圖5給出了入水局部空泡下無(wú)擾動(dòng)空泡長(zhǎng)度和有擾動(dòng)下空泡迎流面和背流面長(zhǎng)度隨時(shí)間的變化關(guān)系,圖中,Lc為空泡長(zhǎng)度,L為模型長(zhǎng)度。從圖中可以看出,對(duì)于弗勞德數(shù)較小的入水情況,無(wú)擾動(dòng)空泡閉合在運(yùn)動(dòng)體表面。因此,空泡長(zhǎng)度在持續(xù)增加到空泡閉合之后基本保持不變。而在有擾動(dòng)情況下,空泡背流面的長(zhǎng)度有變長(zhǎng)的趨勢(shì)。

圖4　v0=1.712 m/s運(yùn)動(dòng)體入水局部空泡發(fā)展

圖5　垂直入水時(shí)入水局部空泡長(zhǎng)度隨時(shí)間變化

1.3垂直入水超空泡流試驗(yàn)

圖6給出了v0=2.974m/s時(shí)入水空泡的發(fā)展。圖6(a)中入水空泡長(zhǎng)度正好為運(yùn)動(dòng)體長(zhǎng)度,空泡閉合在運(yùn)動(dòng)體尾部?？张莸男纬膳c閉合過(guò)程與前面2種入水速度空泡發(fā)展一致。不同之處在于空泡閉合之后,由于空泡的長(zhǎng)度與運(yùn)動(dòng)體的長(zhǎng)度基本一致,所以空泡尾部出現(xiàn)大量回射流。這些回射流與運(yùn)動(dòng)體尾部及空泡相互作用形成大量的云狀空泡,且云狀空泡不斷脫落上浮。

對(duì)于圖6(b)所示有擾動(dòng)情況,在同樣的入水速度下,空泡流動(dòng)發(fā)生了很大的改變。首先,空泡流出現(xiàn)非對(duì)稱性,空泡的非對(duì)稱性使得空泡迎流面的長(zhǎng)度變短,閉合在模型表面?？张莸谋沉髅娴拈L(zhǎng)度變長(zhǎng),空泡不再閉合在模型尾部,而是在尾部較遠(yuǎn)處閉合。同時(shí)空泡尾部流動(dòng)也不一樣,無(wú)擾動(dòng)時(shí)空泡尾部流動(dòng)對(duì)稱,有擾動(dòng)時(shí)空泡尾部在背流面出現(xiàn)分裂的2條流動(dòng)軌跡。這也與圖4(b)相類似,它們都類似于空泡在重力作用下2條渦管的流動(dòng)形式。

圖6　v0=2.974 m/s運(yùn)動(dòng)體入水超空泡發(fā)展

圖7給出了v0=3.896m/s時(shí)入水空泡的發(fā)展。從圖7(a)中可以得出與圖3(a)、圖4(a)和圖6(a)相同的空泡生成規(guī)律。相對(duì)于圖3、圖4和圖6入水空泡的生成,由于該速度比前幾種的要大,所以形成的入水空泡尺寸也要大,空泡閉合在運(yùn)動(dòng)體尾部之后。從空泡發(fā)展來(lái)看,深水閉合之后,空泡的發(fā)展過(guò)程不是很穩(wěn)定,空泡的尾部存在大量的回射流,不斷伴有云狀空泡脫落,再上浮。從圖7(b)中可以得到與圖3(b)、圖4(b)和圖6(b)類似的流動(dòng)規(guī)律。典型的特征是,在有擾動(dòng)下的入水空泡尾部背流面出現(xiàn)了分裂的2條流動(dòng)軌跡,空泡尾部被運(yùn)動(dòng)體模型尾部劃破。

圖8給出了v0=4.431m/s時(shí)入水空泡的發(fā)展。從圖8(a)中可以得出與圖3、圖4、圖6和圖7相同的空泡生成規(guī)律。相對(duì)于圖3、圖4、圖6和圖7,由于入水速度較大,在圖8中還沒有發(fā)生空泡深水閉合。從圖中可以看出,空泡形成之后,水表面對(duì)空泡的影響區(qū)域非常有限。在持續(xù)發(fā)展過(guò)程中,空泡的尾部有較長(zhǎng)的一段空泡都在變細(xì),這一區(qū)域?qū)⑹强张萆钏]合區(qū)。超空泡在深水閉合之后,空泡的長(zhǎng)度會(huì)有一個(gè)較大的聚減。

圖7　v0=3.896 m/s運(yùn)動(dòng)體入水超空泡發(fā)展

圖8　v0=4.431 m/s運(yùn)動(dòng)體入水超空泡發(fā)展

圖8(b)中空泡流出現(xiàn)非對(duì)稱性,空泡的非對(duì)稱性使得空泡的迎流面長(zhǎng)度變短,閉合在模型表面;擾動(dòng)的存在使得空泡的寬度在未發(fā)生深水閉合之前變得很寬。但是在入水空泡尾部背流面沒有出現(xiàn)分裂的2條流動(dòng)軌跡,主要原因在于空泡還未發(fā)生深水閉合,空泡的尾部流動(dòng)還受水表面的空氣影響。

圖9、圖10給出了所有實(shí)驗(yàn)速度下有無(wú)擾動(dòng)的空泡長(zhǎng)度、直徑與弗勞德數(shù)及歐拉數(shù)之間的關(guān)系,并將無(wú)擾動(dòng)下的參數(shù)進(jìn)行擬合,圖中,Dc為空泡最大直徑。分析入水參數(shù),結(jié)果表明:運(yùn)動(dòng)體入水空泡流動(dòng)特性主要受弗勞德數(shù)與歐拉數(shù)2個(gè)無(wú)量綱參數(shù)的影響。圖中無(wú)擾動(dòng)數(shù)據(jù)顯示入水空泡長(zhǎng)度隨著弗勞德數(shù)的增加而增加。空泡的直徑隨著弗勞德數(shù)的增加而變大,但是沒有空泡長(zhǎng)度受到的影響大。空泡長(zhǎng)度隨歐拉數(shù)的增大而減小,而空泡直徑受歐拉數(shù)的影響較小。所以空泡直徑主要受空化器直徑的影響,而空泡的長(zhǎng)度主要受空化器直徑和入水速度的影響。對(duì)于圖中有擾動(dòng)的數(shù)據(jù),可以看出擾動(dòng)對(duì)空泡直徑影響不大。擾動(dòng)對(duì)空泡長(zhǎng)度的影響主要體現(xiàn)在空泡平均長(zhǎng)度變短,空泡背流面長(zhǎng)度比無(wú)擾動(dòng)下的長(zhǎng)度要長(zhǎng),迎流面的空泡長(zhǎng)度要比無(wú)擾動(dòng)下的長(zhǎng)度要短。

圖9　入水空泡尺寸與弗勞德數(shù)的關(guān)系

圖10　入水空泡尺寸與歐拉數(shù)的關(guān)系

圖11給出了入水超空泡隨時(shí)間的變化關(guān)系。圖11中當(dāng)Fr=6.39時(shí),由于空泡正好閉合在航行尾部(見圖6(a)),所以空泡長(zhǎng)度增加到一定之后,空泡閉合且尾部的云狀空泡脫落,導(dǎo)致空泡長(zhǎng)度下降很快。當(dāng)Fr=8.38時(shí),空泡在運(yùn)動(dòng)體尾部近水面一定距離范圍內(nèi)閉合(見圖7(a))。所以空泡深水閉合之后空泡長(zhǎng)度維持不變,在后期由于環(huán)境壓力和空泡內(nèi)氣體彈性作用,空泡長(zhǎng)度還有增加,但是空泡直徑變小(見圖7(a))。這類似于在密閉彈性氣袋中的氣體在寬度方向壓力增加,氣袋長(zhǎng)度方向變長(zhǎng)的物理機(jī)制。對(duì)于有擾動(dòng)下的空泡長(zhǎng)度,背流面和迎流面的尺寸相差很大。較大的擾動(dòng)下空泡的長(zhǎng)度尺寸會(huì)變短,這主要由于擾動(dòng)下的入水姿態(tài)改變,導(dǎo)致阻力增大,即入水的速度下降變大,所以空泡的總體長(zhǎng)度變短。

圖11　垂直入水時(shí)入水超空泡長(zhǎng)度隨時(shí)間變化

2　結(jié)論

運(yùn)動(dòng)體入水?dāng)_動(dòng)在入水過(guò)程中不可避免,由于入水過(guò)程中有空泡的生成,所以有擾動(dòng)下的運(yùn)動(dòng)體入水空泡流動(dòng)機(jī)理是運(yùn)動(dòng)體入水彈道穩(wěn)定的關(guān)鍵。針對(duì)圓盤空化器運(yùn)動(dòng)體有無(wú)擾動(dòng)下入水空泡問題,開展約束和不約束運(yùn)動(dòng)體姿態(tài)的試驗(yàn)研究。試驗(yàn)研究了有無(wú)擾動(dòng)下入水局部空泡與入水超空泡的生成、發(fā)展下的空泡流動(dòng)特性,得出以下幾點(diǎn)結(jié)論:

①由于氣體彈性作用,無(wú)擾動(dòng)入水局部空泡長(zhǎng)度在深水閉合之后有微小增加,入水?dāng)_動(dòng)對(duì)局部空泡影響有限。

②當(dāng)空泡長(zhǎng)度與運(yùn)動(dòng)體長(zhǎng)度相當(dāng)時(shí),空泡極易形成回射流與運(yùn)動(dòng)體相互作用進(jìn)而改變尾部流動(dòng)形式。有擾動(dòng)下的入水空泡尾部背流面分裂2條很長(zhǎng)的流動(dòng)軌跡。

③擾動(dòng)對(duì)空泡長(zhǎng)度影響主要體現(xiàn)在,空泡平均長(zhǎng)度變短,空泡背流面長(zhǎng)度比無(wú)擾動(dòng)下的長(zhǎng)度要長(zhǎng),迎流面的空泡長(zhǎng)度要比無(wú)擾動(dòng)下的長(zhǎng)度要短。對(duì)于沒有發(fā)生深水閉合的空泡,擾動(dòng)主要改變空泡的直徑,使空泡直徑變大。

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ExperimentalStudyonWaterEntryCavityforVehicleWithSmallPerturbation

JIANGYun-hua1,2,XUSheng-li2,ZHOUJie2

(1.DepartmentofAerospaceEngineering,HarbinEngineeringUniversity,Harbin150001,China;2.SchoolofAerospaceEngineering,TsinghuaUniversity,Beijing100084,China)

Aimingatwaterentrycavityofvehicle,thewaterentrycavitiesexperimentsofvehiclewiththeconstrainedpostureorwithoutposturewereconductedinwatertune.Theunderwaterflowcharacteristicsofvehiclewaterentrypartial-cavityandwaterentrysupercavitationwithsmallperturbationandwithoutperturbation(WSPAWP)wereresearched.TherelationshipbetweenthesizeofwaterentrycavityWSPAWPandtheFroudenumberandEulernumberwasanalyzed,andthelengthvariationofwaterentrycavityWSPAWPweregiven,andtheflowmechanismofvarietycavityflowingformobtainedintheexperimentwerediscussed.Theresultsshowthatthelengthofwaterentrycavitywithoutperturbationincreasesslightinglyafterdeepwaterclosure.Thefacinglengthofcavitywithsmallperturbationisshorterthanthatofcavitywithoutperturbation;thebackflowlengthofcavitywithsmallperturbationislongerthanthatofcavitywithoutperturbation.Thetailflowofcavitywithoutperturbationissymmetry,andthebackflowofcavitywithsmallperturbationsplitsintothetwoflowtracks.Forthecavitywithoutdeepwaterclosure,thewaterentryperturbationmakesthecavitydiameterincrease.

vehicle;smallperturbation;waterentrycavity;modelexperiment;flowmechanism

2015-09-16

博士后科學(xué)基金面上項(xiàng)目(2014M560954);國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51409071)

蔣運(yùn)華(1984- ),男,博士后,研究方向?yàn)榭栈鲃?dòng)。E-mail:jiangyunhua211@163.com。

徐勝利(1965- ),男,教授,研究方向?yàn)榱黧w力學(xué)。E-mail:slxu@mail.tsinghua.edu.cn。

TJ63

A

1004-499X(2016)01-0081-06