潛射超空泡射彈出水的流體力學(xué)現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)研究

賈會(huì)霞，施紅輝，胡俊輝，陳 波

（浙江理工大學(xué) 機(jī)械與自動(dòng)控制學(xué)院 流體工程系，杭州 310018）

潛射超空泡射彈出水的流體力學(xué)現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)研究

賈會(huì)霞，施紅輝，胡俊輝，陳 波

（浙江理工大學(xué) 機(jī)械與自動(dòng)控制學(xué)院 流體工程系，杭州 310018）

對(duì)帶有超空泡的潛射射彈出水過程的流體力學(xué)現(xiàn)象進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。用高速攝影機(jī)拍攝了射彈模型出水的全過程，清晰地觀察了射彈在航行中空泡的發(fā)展、脫落與自由面相互作用及潰滅過程，分析了空泡對(duì)射彈出水姿態(tài)的影響。通過測量射彈的速度，發(fā)現(xiàn)出水時(shí)射彈的速度有時(shí)會(huì)呈突增現(xiàn)象，進(jìn)一步了解了潛射射彈出水的復(fù)雜過程。

潛射射彈；出水；超空泡；空泡潰滅

0 引 言

帶有超空泡的潛射導(dǎo)彈/射彈的出水是一個(gè)非常復(fù)雜的過程，它涉及運(yùn)動(dòng)著的氣、液、固三相界面，因此很難建立相關(guān)的數(shù)學(xué)模型。在出水時(shí)潛射導(dǎo)彈所受的作用力是非定常和非線性的[1]，這直接關(guān)系到導(dǎo)彈出水后的速度、動(dòng)量、偏角等物理量，甚至?xí)绊懙綇楏w的強(qiáng)度和安全性。不過，潛射導(dǎo)彈的速度不高，一般為17～20m/s，只能產(chǎn)生局部超空泡[2]。德國研制了反氣墊船超空泡射彈，先將射彈垂直地布置在海底，當(dāng)確定攻擊目標(biāo)后，超空泡射彈在不到1 s時(shí)間內(nèi)可完成攻擊任務(wù)[3]。未來潛射超空泡射彈有可能成為反直升飛機(jī)的武器。

帶有超空泡的物體穿越水面前后，物體經(jīng)歷從水下到空氣兩種不同介質(zhì)，涉及的流動(dòng)過程十分復(fù)雜。1961年Waugh和Stubstad[4]利用球形頭部航行體進(jìn)行了帶空泡出水過程的實(shí)驗(yàn)研究，指出航行體的出水姿態(tài)角受空泡潰滅的影響很大。Zhu等[5]采用CPI數(shù)值計(jì)算方法對(duì)考慮非線性自由面的二維圓柱體出水過程進(jìn)行仿真，并和實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。李杰等[6]在考慮粘性和重力的情況下，利用CFD方法以及動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)，對(duì)細(xì)長體出水過程中航行體受力波動(dòng)、液面的升高，航行體尾部拖水等問題進(jìn)行了研究。權(quán)曉波等[7]利用壓力傳感器和高速攝影技術(shù)對(duì)高速運(yùn)動(dòng)航行體出水過程的空泡發(fā)展與潰滅過程航行體表面受力開展了實(shí)驗(yàn)研究，并通過簡化模型進(jìn)行計(jì)算，重點(diǎn)分析了空泡潰滅產(chǎn)生的壓力機(jī)理，討論了空泡潰滅時(shí)壓力脈沖的大小與空泡形態(tài)的關(guān)系。

對(duì)于潛射導(dǎo)彈出水問題，目前的研究大多集中在理論和數(shù)值計(jì)算方面[8-10]，對(duì)導(dǎo)彈出水時(shí)的氣液兩相流動(dòng)機(jī)理的實(shí)驗(yàn)研究還比較少，對(duì)出水空泡流的流動(dòng)與潰滅機(jī)理的認(rèn)識(shí)還比較有限。而對(duì)于超空泡射彈出水問題的研究結(jié)果就更少了。本文介紹了對(duì)后者開展的實(shí)驗(yàn)研究，較詳細(xì)地觀察了射彈模型出水的過程，研究了不同模型和參數(shù)下射彈出水過程中水動(dòng)力學(xué)參數(shù)的變化。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與方法

圖1示出了本課題組開發(fā)的高速物體出水實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，它主要由觀察水箱和測量裝置以及垂直一級(jí)輕氣炮組成。觀察水箱主要包括射彈模型捕獲器5、觀察窗6、水箱支架7、法蘭8、球閥9、防水隔膜10和法蘭蓋板11，射彈模型從發(fā)射管加速射出后，垂直向上地沖破防水隔膜進(jìn)入水箱，并在水中形成超空泡。測量裝置采用美國Cooke公司的pco.1 200s高速攝影儀2，高速攝影儀和工控計(jì)算機(jī)1相連，可以實(shí)時(shí)傳遞拍攝圖像到計(jì)算機(jī)，攝影所需的光源由3盞1 000W的照明燈3提供。一級(jí)輕氣炮由高壓氣源4、高壓氣缸14、電磁閥13和發(fā)射管12等部件組成，通過調(diào)節(jié)高壓氣缸內(nèi)氣體壓力驅(qū)動(dòng)發(fā)射管中射彈模型加速運(yùn)動(dòng)。實(shí)驗(yàn)前水箱中的水是靜止的，處于室壓、室溫狀態(tài)（20℃）。實(shí)驗(yàn)所采用的模型材料為鋁鎂合金，其外形及其尺寸如圖2所示，尺寸單位為mm。

首先，閉合球閥閥門，往水箱中注入適量的清潔水，將一支直尺垂直放入水箱中預(yù)計(jì)射彈模型經(jīng)過的位置并保持直尺和觀察窗面平行；其次，調(diào)節(jié)光源的位置、角度以及攝影儀的焦距和實(shí)驗(yàn)設(shè)定的幀數(shù)使直尺在監(jiān)控器中的畫面效果最佳，拍攝記錄此時(shí)直尺的照片作為后續(xù)處理照片的縮放依據(jù)；接著，向發(fā)射管內(nèi)裝填射彈模型并向高壓氣缸內(nèi)充入高壓氮?dú)?，打開球閥和光源；然后，觸發(fā)電磁閥使模型在高壓氣體膨脹下加速從發(fā)射管內(nèi)射出，沖破防水隔膜，進(jìn)入水箱并形成超空泡。最終，模型出水后被捕獲器捕獲，與此同時(shí)高速攝影儀記錄射彈模型從水中到空氣中的整個(gè)過程。在射彈模型破膜進(jìn)入水箱之后立即關(guān)閉球閥防止水的泄露。

圖1 高速物體出水實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic of the experimental set-up

圖2 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷某叽鏔ig.2 Geometry ofthe test models

表1給出了模擬實(shí)驗(yàn)所設(shè)定的4個(gè)工況，利用上述實(shí)驗(yàn)方法就可以模擬潛射導(dǎo)彈出水過程中所形成的超空泡流場。將拍攝的射彈模型出水圖像和實(shí)驗(yàn)之前拍攝到的直尺圖像（圖3）導(dǎo)入AutoCAD中，根據(jù)直尺上的刻度取得圖像的縮放比例，再把圖像縮放到實(shí)際尺寸后就可以在AutoCAD上測量射彈模型的位移。本文實(shí)驗(yàn)的拍攝速度為4 000幀/秒，即相鄰兩張照片的時(shí)間間隔為0.25ms，通過數(shù)學(xué)處理就可以得到空泡形態(tài)以及射彈模型的航行速度、阻力系數(shù)等相關(guān)水動(dòng)力學(xué)參數(shù)。表中射彈初速的差異，可歸因于模型加工誤差的緣故。

圖3 高速攝影儀拍攝的直尺圖片F(xiàn)ig.3 Real scales in water and air

表1 模型出水過程研究工況Tab.1 Cases of water-exit experiments

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 潛射射彈的出水過程

潛射射彈出水時(shí)往往伴隨空泡的發(fā)展、脫落、再生與潰滅。圖4示出了工況1情況下射彈模型的出水過程，相鄰照片的時(shí)間間隔為0.25ms。射彈模型進(jìn)入水箱后，由于發(fā)射速度較高，在模型周圍迅速形成了完全包裹航行體的超空泡。且射彈模型在阻力的作用下其速度不斷降低，在圖4（4）中，射彈模型速度降至27.19m/s，空泡從尾部開始自下而上不斷地拉斷并脫落，經(jīng)過1 ms后在圖4（8）所示時(shí)刻空泡頭部脫落；從圖4（9）開始，射彈模型的頭部產(chǎn)生了新的空泡，此時(shí)射彈模型的速度較低（23.04m/s），文獻(xiàn)[2]的研究表明：“只要水足夠深，出水的整個(gè)過程可能會(huì)出現(xiàn)一到兩個(gè)空泡脫落周期”，本文的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了這個(gè)觀點(diǎn)。

圖4 工況1情況下的模型出水過程Fig.4 High-speed photographs of water exit of Case 1

圖4（14）～（22）是射彈模型穿越水面階段。在圖4（14）時(shí)刻，射彈模型頭部和自由面接觸，水面在射彈模型垂直向上運(yùn)動(dòng)、液體粘性力等作用下，水面抬高，并形成包裹空泡的水膜，在大氣與泡壓的徑向壓差下，液膜水層沖擊，并形成飛濺，空泡開始了自上而下的收縮潰滅，潰滅的空泡產(chǎn)生的壓力脈沖會(huì)對(duì)射彈模型造成強(qiáng)烈的沖擊載荷，進(jìn)而影響航行體出水姿態(tài)[11]。

圖4（23）之后，射彈模型尾部離開水面，同時(shí)伴隨著向上噴濺的水花。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)很多時(shí)候噴濺水花的速度超過射彈模型的速度，見圖5（18）～（22）。因此有可能對(duì)其造成向上的作用力。

如果射彈的速度足夠高，如圖5工況4情況射彈模型初始速度達(dá)52.76m/s。由圖可知，射彈模型產(chǎn)生穩(wěn)定的超空泡并垂直出水，空泡直到射彈出水后（圖5（12））才開始潰滅，會(huì)同空泡末端回射流，形成強(qiáng)烈的噴濺水花。

對(duì)于高速超空泡射彈，常會(huì)發(fā)生物體尾部與空泡壁面的碰撞，發(fā)生所謂的尾擊現(xiàn)象。即使射彈速度在1 200m/s時(shí)[12]。圖6為工況2的射彈的出水過程。定義以向右的水平方向?yàn)榛鶞?zhǔn)，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)方向?yàn)檎?，反向?yàn)樨?fù)。射彈模型在剛進(jìn)入水箱時(shí)的入射角度為+86°（圖未給出）。從圖6（1）-（5）中，可看到在空泡的左側(cè)壁上存在一個(gè)皺褶，這是射彈模型尾部與空泡壁面碰撞后的痕跡；碰撞后模型受到順時(shí)針方向的力矩，模型開始向反方向偏轉(zhuǎn)，在圖6（11）時(shí)以+94°出水，在3.5ms的時(shí)間內(nèi)偏轉(zhuǎn)了6°。由于出水，這一偏轉(zhuǎn)角速度未能使射彈尾部與空泡右側(cè)壁碰撞而抑制，基本上保留到空中。見圖6（14）～（28）。

圖5 工況4情況下的模型出水過程Fig.5 High-speed photographs of water exit of Case 4

觀察出水時(shí)水花的噴濺和射彈的出水姿態(tài)是十分有意義的。對(duì)比圖4～6中射彈出水時(shí)噴濺的水花可以發(fā)現(xiàn)，圖4中的噴濺水花大部分在射彈模型的左側(cè)（圖4（19）～（21）），射彈模型從圖4（19）到圖4（28）順時(shí)針偏轉(zhuǎn)3°；在圖5中，水花的噴濺也發(fā)生在射彈模型的左側(cè)（圖5（12）～（17）），射彈模型從圖5（12）到圖5（28）順時(shí)針偏轉(zhuǎn)4°；在圖6中，水花的噴濺發(fā)生在射彈模型的右側(cè)（圖6（13）～（19）），射彈模型從圖6（13）到圖6（28）逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)9°。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因是比較復(fù)雜的，圖6有明顯的左側(cè)尾擊，有明顯的無右側(cè)尾擊6（9）～（11）；圖5（10）～（11）有可能的右側(cè)尾擊，噴濺水花的水平速度如果是與彈相互作用所致，則存在作用力與反作用力因果，也存在彈上作用點(diǎn)問題，鑒于模型尺度及僅有光測設(shè)備，進(jìn)一步探討原因尚有困難。

圖6 工況2情況下的模型出水過程Fig.6 High-speed photographs of water exit of Case 2

2.2 射彈的出水過程中速度的變化

圖7給出了工況1～4下射彈模型出水速度隨時(shí)間的變化關(guān)系，設(shè)定射彈模型開始出現(xiàn)在拍攝區(qū)域的前一時(shí)刻為零時(shí)刻 （圖4～6中零時(shí)刻的拍攝照片未給出），從圖中可看出，各工況下的速度隨時(shí)間呈衰減趨勢。工況1和工況3的初始速度接近，但隨著時(shí)間的推移，工況3的速度比工況1的衰減得慢一些，對(duì)比工況2和工況4也會(huì)發(fā)現(xiàn)類似規(guī)律。當(dāng)射彈被超空泡全部包覆后，浮力也不存在，阻力將由浸濕的平頭決定，按速度時(shí)域的解析解，同樣初始速度下，質(zhì)量大者衰減慢（工況2，4）；若空泡不時(shí)地被斷裂，脫落再生，情況就復(fù)雜得多，但質(zhì)量仍然是一個(gè)因素（工況1，3）。

工況2下射彈在5～6ms時(shí)出現(xiàn)了速度回升，在這1 ms期間，射彈模型速度從30.74m/s突然增加到34.34m/s，此時(shí)射彈對(duì)應(yīng)圖6（10）～（13）所處的位置。

同樣，工況1下射彈在7～8ms時(shí)穿越水面（圖4（17）～（21））也發(fā)生了速度的突然增加。但并不是所有情況下，射彈穿越水面階段都會(huì)出現(xiàn)速度突然增加，工況3和工況4的穿越水面階段分別為圖6中5.5～8ms和4.75～6.75ms對(duì)應(yīng)的階段，射彈的速度只有稍微的波動(dòng)。在射彈跨越水面過程中，其周圍的介質(zhì)由水變?yōu)榭諝?，附加質(zhì)量力、浮力、阻力都會(huì)迅速下降，射彈模型不僅會(huì)受到空泡潰滅的非定常沖擊載荷，還會(huì)受到水中空泡末端回射閉合及噴濺水花的作用。出水穿越水面過程是射彈受力環(huán)境最為復(fù)雜階段。同樣由于模型尺度，測量參數(shù)限制，定量地分析尚有一定困難。

圖7 不同工況下射彈模型的速度隨時(shí)間變化曲線Fig.7 Velocity variations of the test models with time in various cases

3 結(jié) 論

（1）本文介紹了進(jìn)行潛射航行體出水基礎(chǔ)研究的試驗(yàn)設(shè)備，可靠、經(jīng)濟(jì)和高效；

（2）珍貴的影像資料呈現(xiàn)了不同速度出水物體的物理圖像、類同及差異點(diǎn)；

（3）試驗(yàn)呈現(xiàn)了超空泡的斷裂、脫落及再生、航行體在空泡中的尾擊、穿越水面時(shí)速度增加；物體、自由面、空泡相互作用的復(fù)雜關(guān)系；

（4）不斷增加精微的測試手段，以提高小尺度模型試驗(yàn)定量分析水平，是今后工作的目標(biāo)。

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Experiments on water exit phenomenon of underwater launched projectiles with a supercavity

JIA Hui-xia,SHI Hong-hui,HU Jun-hui,CHEN Bo
(Department of Fluids Engineering,College of Mechanical Engineering and Automation,Zhejiang Sci-Tech University, Hangzhou 310018,China)

The hydrodynamic phenomena of the underwater launched projectiles with supercavities exiting from water were experimentally studied.A high-speed camera was used to record the whole process of different testing models.The cavities development,shedding,collapse and the interaction with the free surface were observed.The influence of the supercavity on the projectile attitude during the water exit was analyzed.The change of the velocity was calculated and the results show that the sudden increase of the velocity existed.

underwater-launched projectiles;water-exit;supercavitation;bubble collapse

O352 O359

A

10.3969/j.issn.1007-7294.2017.07.003

1007-7294（2017）07-0814-07

2017-01-30

浙江省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（LY16A020003，LQ13A020005，LQ13A020006，Z1110123）

賈會(huì)霞（1977-），女，博士，講師，E-mail：hhshi@zstu.edu.cn；

施紅輝（1962-），男，教授，博士生導(dǎo)師，通信作者，E-mail：hhshi@zstu.edu.cn。