噴氣協(xié)助航行體入水空泡流動(dòng)特性實(shí)驗(yàn)研究

鄒志輝,李 佳,楊 茂,劉紅松,蔣運(yùn)華,4

(1.中山大學(xué) 海洋工程與技術(shù)學(xué)院,廣東 廣州 510275;2.哈爾濱工程大學(xué) 航天與建筑工程學(xué)院,黑龍江 哈爾濱150001;3.重慶長安工業(yè)(集團(tuán))有限公司,重慶401120;4.南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室(珠海),廣東 珠海519000)

入水問題廣泛存在于航空航天等工程領(lǐng)域,如水上飛機(jī)著陸、航天器部件水上回收、空投魚雷、水中兵器跨介質(zhì)等,其研究主要集中在入水沖擊、空化及水中彈道等方面。入水初期物體會(huì)與水面產(chǎn)生強(qiáng)烈的非線性沖擊,對(duì)物體產(chǎn)生巨大的影響,且存在入水物體結(jié)構(gòu)損壞、裝置失靈及彈道失穩(wěn)等問題。對(duì)入水問題較為系統(tǒng)的研究可以追溯到1929年KARMAN對(duì)水上飛機(jī)降落沖擊載荷的研究,結(jié)合動(dòng)量守恒理論提出了附加質(zhì)量的概念,給出了計(jì)算入水沖擊載荷的一個(gè)近似公式。隨后眾多學(xué)者基于KARMAN的動(dòng)量沖擊理論從理論、實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬等方面對(duì)入水沖擊問題進(jìn)行了大量研究,這些工作主要聚焦于對(duì)入水沖擊載荷的預(yù)測。自CHUANG首次發(fā)現(xiàn)物體在入水過程中底部與液面之間始終存在一層氣墊以來,后續(xù)相關(guān)學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了驗(yàn)證并討論了氣墊的存在對(duì)入水產(chǎn)生的一些影響。HUERA-HUARTE等、OKADA等及ERMANYUK等的研究結(jié)果表明,由于存在緩沖效應(yīng)和由此產(chǎn)生的夾帶空氣滯留,空氣墊可以顯著影響沖擊壓力、沖擊模式、沖擊時(shí)間和噴流形狀等。曹正林等的研究結(jié)果也表明空氣墊的存在大大減少了砰擊壓力峰值。這些研究表明入水過程夾帶的空氣可以作為減緩入水沖擊的介質(zhì),但幾乎沒有學(xué)者通過人工通氣(噴氣)的實(shí)驗(yàn)去驗(yàn)證入水減緩效果。近年來射流緩沖的概念逐漸被提出,JIANG等使用氣射流作為空化器產(chǎn)生超空泡來降低航行體的阻力,并進(jìn)行了不同通氣量的入水實(shí)驗(yàn)研究,表明噴氣協(xié)助入水有望成為減緩航行體高速入水沖擊的方法。同樣,SPEIRS等開展了物體與水射流同時(shí)沖擊水面時(shí)空化與載荷特性的實(shí)驗(yàn)研究。本文主要進(jìn)行了向前氣射流協(xié)助航行體入水過程空泡多相流動(dòng)特性的實(shí)驗(yàn)研究,此研究可為后續(xù)實(shí)施噴氣協(xié)助入水提供一定的認(rèn)識(shí)。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要包括水箱、高速成像系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)、航行體入水系統(tǒng)及入水航行體,如圖1所示。供氣系統(tǒng)由高壓氣瓶、調(diào)壓閥、氣體流量計(jì)及若干氣管組成。噴氣流量是在標(biāo)準(zhǔn)條件(273 K、100 000 Pa)下用標(biāo)準(zhǔn)升每分鐘來確定。氣體流量計(jì)選用歐米伽FL2044,全刻度讀數(shù)為100 L/min,以滿足本文研究中使用的0 L/min到45 L/min不同氣體流量。此外,氣體流量計(jì)不確定度是滿量程讀數(shù)的3%。航行體入水系統(tǒng)由導(dǎo)軌、導(dǎo)軌支架及滑塊組成。導(dǎo)軌置于上下導(dǎo)軌支架上,方便調(diào)整航行體入水角度。導(dǎo)軌總長4 m,寬0.038 m,底部固定一緩沖塊用于阻?；瑝K,保護(hù)水箱及入水航行體。入水過程是將航行體固定于滑塊上,滑塊置于導(dǎo)軌由靜止釋放,在重力作用下自由下滑?；瑝K釋放最高點(diǎn)和水箱底部分別距水面2.223 m和0.79 m。入水速度受多重因素干擾,且由于多次重復(fù)性實(shí)驗(yàn),滑塊與緩沖塊的沖擊導(dǎo)致航行體與滑塊固聯(lián)出現(xiàn)松動(dòng),引起入水姿態(tài)有所偏差。因此,入水速度和入水角度根據(jù)實(shí)驗(yàn)圖像來測量,其不確定度分別為2.24%(36°)、3.56%(45°)及5.62%(50°)。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

入水航行體是由主體段和頭部段組成的圓柱組合體,材質(zhì)為表面經(jīng)過拋光處理的鋁。頭部段形狀為平頭并設(shè)置=3 mm的噴口,平頭空化器直徑=10 mm。主體段最大直徑=26 mm,模型總長=260 mm。模型內(nèi)設(shè)置通孔連接氣體管路,具體見圖2。

圖2 實(shí)驗(yàn)航行體模型

1.2 實(shí)驗(yàn)方法與理論

圖3 航行體運(yùn)動(dòng)不同階段示意圖

所有結(jié)果以無量綱的形式表現(xiàn),定義無量綱參數(shù)均基于噴口直徑,分別為(開口空泡深度),(開口空泡直徑),(空泡直徑),(射流長度),(航行體模型距液面垂直高度),(航行體模型穿過液面后距液面的垂直高度)。另外需要說明的是,實(shí)驗(yàn)中在小噴氣系數(shù)的情況下(<045)觀察不到空泡的形成,因此結(jié)果分析主要是在>045范圍進(jìn)行。

1962年BANKS等在氣射流垂直沖擊液面變形問題中提出駐點(diǎn)壓力法分析射流沖擊自由液面形成的空腔形態(tài)。駐點(diǎn)壓力法將射流在空泡駐點(diǎn)產(chǎn)生的動(dòng)壓與空泡深度關(guān)聯(lián),即:

(1)

式中:,分別為氣射流和水的密度;為駐點(diǎn)處氣射流速度;為表面張力;為駐點(diǎn)處曲率半徑。

分析圖3(a)所示的噴氣入水過程,其駐點(diǎn)處氣射流速度可以根據(jù)湍動(dòng)射流軸線速度分布估計(jì),即:

(2)

式中:為湍動(dòng)射流軸線速度分布經(jīng)驗(yàn)常數(shù),為入水角度,為射流核心區(qū)軸線速度。

噴氣入水運(yùn)動(dòng)過程中射流在駐點(diǎn)處產(chǎn)生的動(dòng)壓為

(3)

式中:為模型運(yùn)動(dòng)速度。

考慮到入水過程時(shí)間極短,取入水過程的平均速度,因此本實(shí)驗(yàn)假設(shè)在入水過程中航行體動(dòng)量不變。在計(jì)算過程中忽略表面張力的影響,結(jié)合式(1)～式(3)有:

(4)

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象描述

根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,可以將噴氣入水過程分為液面振蕩、噴濺、形成流動(dòng)和空泡形成4個(gè)階段。圖4是=09,=45°,=18條件下噴氣入水空泡流動(dòng)演化過程。起初在航行體距液面一定距離時(shí),受射流本身特性影響,液面未受到射流擾動(dòng),表現(xiàn)出靜止?fàn)顟B(tài)(圖4(a))。當(dāng)航行體運(yùn)動(dòng)至射流影響范圍內(nèi),由于擴(kuò)散的湍動(dòng)氣射流隨航行體加速前進(jìn),斜沖擊到液面在氣液界面形成剪切層,并通過黏性作用加速液體使液體和氣體發(fā)生動(dòng)量交換并強(qiáng)烈混合,形成了表面振蕩現(xiàn)象(圖4(b))。這種表面振蕩不穩(wěn)定現(xiàn)象與HWANG等在實(shí)驗(yàn)中提出的K-H不穩(wěn)定一致。隨著航行體距液面高度的減小,振蕩擾動(dòng)逐漸增強(qiáng)(圖4(c)),之后開始出現(xiàn)液滴飛濺(圖4(d))。由于入水的非對(duì)稱性,飛濺出現(xiàn)在左側(cè)并受重力影響回流持續(xù)影響液面。當(dāng)航行體持續(xù)接近液面,氣射流動(dòng)量增加使得液面在航行體未達(dá)到液面表面就形成凹陷(圖4(d)),并進(jìn)一步發(fā)展成開口空泡(圖4(e)),同時(shí)氣射流夾帶的空氣也進(jìn)入空泡。此時(shí),射流前方的液體持續(xù)被排開,開口空泡深度和直徑由于射流和航行體傳遞的動(dòng)量逐漸擴(kuò)張(圖4(d)～圖4(g))。值得注意的是,在空泡發(fā)展過程中氣射流在空泡內(nèi)出現(xiàn)了大量的回流,空泡壁面出現(xiàn)明顯的波動(dòng)(圖4(e)～圖4(j)),這種波動(dòng)除了和氣液剪切有關(guān),還可能和湍動(dòng)射流壓力脈動(dòng)有關(guān)。在整個(gè)向前噴氣協(xié)助入水過程中空泡壁面粗糙,空泡整體形態(tài)受重力影響呈上浮趨勢。

圖4 向前噴氣入水過程空泡形成及演化過程

此外,在較大噴氣系數(shù)下,射流產(chǎn)生的通氣空泡在整個(gè)入水過程中能時(shí)刻包裹運(yùn)動(dòng)的航行體。但是在小噴氣系數(shù)下,由于射流動(dòng)量過小,環(huán)境壓力增大(入水深度增加所致),能夠維持有效空泡形態(tài)的駐點(diǎn)壓力小于隨航行體運(yùn)動(dòng)變化的環(huán)境壓力,最終未達(dá)到閉合或已經(jīng)閉合但未潰滅的通氣空泡遭到航行體的沖擊而產(chǎn)生湮滅現(xiàn)象。圖5給出了=07,=45°,=18條件下的通氣空泡“湮滅”過程?？张荨颁螠纭卑l(fā)生后,航行體濕面積增加,入水阻力增大。但由于持續(xù)性的射流及其脈動(dòng),航行體在運(yùn)動(dòng)過程頭部存在云狀氣泡或泡狀流逐漸上浮。

圖5 空泡“湮滅”的過程

2.2 開口空泡流動(dòng)特性

2.2.1 模型高度對(duì)開口空泡的影響

一般來說,射流完全發(fā)展時(shí)其軸線速度分布較為穩(wěn)定,但由于航行體處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài),動(dòng)態(tài)的射流與液面間的距離時(shí)刻變化會(huì)導(dǎo)致作用在液面的射流速度時(shí)刻在變化,進(jìn)而對(duì)液面產(chǎn)生不同的影響。圖6給出了=14,=36°,=18條件下航行體在不同高度形成的開口空泡形態(tài)演變過程。在開口空泡形成的過程中,發(fā)現(xiàn)存在明顯的區(qū)域轉(zhuǎn)變。這些區(qū)域包括液面振蕩區(qū)、過渡區(qū)和空泡形成區(qū)。從液面振蕩區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)榭张菪纬蓞^(qū)時(shí),過渡區(qū)是逐漸向右側(cè)轉(zhuǎn)移并逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榭张菪纬蓞^(qū),如圖6插圖。這種區(qū)域的轉(zhuǎn)變歸因于動(dòng)態(tài)的射流,具體來說,在湍動(dòng)射流發(fā)展中,擴(kuò)散的射流夾帶周圍的空氣使其寬度不斷增長形成混合區(qū),射流與液面作用先接觸射流混合區(qū),其次是射流核心區(qū)。同時(shí)由于射流在發(fā)展過程中其重力與浮力不平衡導(dǎo)致射流整體向上彎曲。因此,在這個(gè)過程中射流寬度相當(dāng)于一個(gè)收縮的過程,導(dǎo)致自由液面受影響范圍逐漸減少,并逐步轉(zhuǎn)變而影響區(qū)域形態(tài)。在入水過程中,氣射流在自由液面形成水平方向的剪切速度和豎直方向的沖擊速度。水平方向的剪切作用是液面振蕩區(qū)形成的主要原因。但由于液體靜壓和表面張力的作用,在液面振蕩區(qū)自由液面始終存在振蕩行為而不形成明顯的穿透現(xiàn)象,如圖6液面振蕩區(qū)所示。隨著航行體高度的減小,射流軸線沖擊速度逐漸增大,液面振蕩過程逐漸向形成開口空泡過程轉(zhuǎn)變,如圖6過渡區(qū)所示。液面振蕩區(qū)逐步向空泡形成區(qū)轉(zhuǎn)變后,射流穿透液面明顯,形成的開口空泡深度加深,且液面振蕩現(xiàn)象逐漸消失,空泡形成區(qū)出現(xiàn),如圖6空泡形成區(qū)所示。當(dāng)航行體進(jìn)一步下降,開口空泡直徑和深度逐漸增大,入水通氣空泡形成。從圖6中可以看出,通氣空泡形成后,穿透深度隨航行體的運(yùn)動(dòng)逐漸加深,并形成非對(duì)稱空泡輪廓。

圖6 航行體在不同高度下形成的開口空泡形態(tài)演變過程

圖7給出了=14,=45°,=18條件下的無量綱開口空泡深度隨無量綱航行體垂直高度的變化。從圖7中可以看出,在噴氣系數(shù)一定的情況下,入水過程中開口空泡深度隨著航行體垂直高度的減小逐漸增加,當(dāng)航行體頭部到達(dá)液面時(shí),穿透深度達(dá)到最大。航行體的運(yùn)動(dòng)縮短了射流離液面的距離,使得作用在液面的射流速度(射流動(dòng)量)變大,導(dǎo)致形成的空泡變深。圖7中虛線是同一條件下的理論結(jié)果,可以看出和實(shí)驗(yàn)符合良好,且表明這種增長并非呈線性增加。

圖7 空泡深度隨航行體高度的變化

圖8是同一條件下無量綱開口空泡直徑與航行體高度的關(guān)系。很明顯,開口空泡直徑在入水初期隨航行體垂直高度的減小逐漸增加,但到達(dá)一定值時(shí)空泡直徑不再增加,而出現(xiàn)減小的趨勢。初期開口空泡直徑的增加同樣是由于垂直高度的變化引起射流動(dòng)量的增加,導(dǎo)致空泡兩側(cè)被排開的液體逐漸增多,使得空泡直徑變大。而當(dāng)射流穿透液面并發(fā)展空泡向前運(yùn)動(dòng)時(shí),受空泡內(nèi)壓和靜壓的影響,液面表面開始出現(xiàn)閉合行為,空泡直徑呈減小的趨勢。

圖8 空泡直徑隨航行體高度的變化

2.2.2 噴氣系數(shù)對(duì)開口空泡的影響

圖9給出了航行體位于一定高度下(=14)開口空泡深度和直徑與噴氣系數(shù)的關(guān)系。航行體在一定高度下,根據(jù)湍動(dòng)射流軸線速度分布規(guī)律,噴氣系數(shù)越大的射流動(dòng)量越大,形成的開口空泡深度和直徑越大,呈明顯的線性變化規(guī)律。

圖9 空泡深度和直徑隨噴氣系數(shù)的變化

值得注意的是,空泡直徑和深度表現(xiàn)出的線性關(guān)系斜率相差較大,約為3.5倍。也就是說噴氣系數(shù)對(duì)開口空泡直徑的影響相對(duì)于空泡深度更為敏感。這種敏感的原因在于空泡形成初期射流首先與液面作用,水平方向的氣射流沿液面運(yùn)動(dòng)形成氣液界面不穩(wěn)定,而垂直方向則穿透液面形成空泡。當(dāng)噴氣系數(shù)增大時(shí),自由液面失穩(wěn)振蕩越強(qiáng)烈,形成的開口空泡波動(dòng)范圍越廣,這種波動(dòng)沿著射流運(yùn)動(dòng)方向傳遞,直到射流動(dòng)量完全被消耗為止,此時(shí)在自由液面形成的波動(dòng)范圍(初期空泡)要遠(yuǎn)大于氣射流在豎直方向穿透液面的深度。

2.2.3 入水角度對(duì)開口空泡的影響

圖10給出了航行體處于一定高度時(shí)開口空泡深度和直徑與入水角度的關(guān)系?？梢杂^察到,前期隨著角度的增加,開口空泡深度呈現(xiàn)增加的趨勢。主要原因可以考慮兩點(diǎn):①入水角度越小,射流流動(dòng)主要沿液面水平方向呈氣液剪切流動(dòng)現(xiàn)象,對(duì)垂直方向影響較小,導(dǎo)致穿透深度越小;②入水角度越小,航行體處于同一高度時(shí)射流發(fā)展到自由液面的距離越遠(yuǎn),射流動(dòng)量越小,形成的空泡深度越小。而對(duì)于空泡直徑與入水角度的變化關(guān)系也可以用前面深度變化和2.2.1節(jié)解釋。

圖10 空泡深度和直徑與入水角度的關(guān)系

此外,在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行的工況中,當(dāng)入水角度增加到一定值時(shí),會(huì)出現(xiàn)角度增加而穿透深度減小的情況,如圖10所示。這可能存在某個(gè)臨界入水角度使得垂直和水平分量的射流動(dòng)量產(chǎn)生最大的穿透深度。

2.3 空泡發(fā)展流動(dòng)特性

2.3.1 空泡壁面波動(dòng)

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),在航行體穿越氣液界面之后的空泡流動(dòng)中,當(dāng)06≤<09時(shí)會(huì)出現(xiàn)明顯的空泡壁面波動(dòng)現(xiàn)象,這種波動(dòng)的發(fā)生會(huì)顯著影響空泡的穩(wěn)定性。圖11給出了典型情況下(=06,=36°,=18)的空泡壁面波動(dòng)的形成過程。入水后在一定時(shí)間內(nèi)形成的空泡壁面并未發(fā)生明顯的波動(dòng),如圖11(a)。而此后由于射流不斷噴出,氣體在頭部沿空泡壁面回流出現(xiàn)較小的空氣核,空氣核迅速成長為孤立的附壁氣泡,如圖11(b)。由于空泡內(nèi)存在回流的氣體,氣泡隨氣體回流運(yùn)動(dòng)形成游移的附壁氣泡群,如圖11(c)。隨著航行體與回流的氣體進(jìn)一步運(yùn)動(dòng),游移的氣泡群由于空泡內(nèi)部壓力變化和氣液剪切作用發(fā)生潰滅,如圖11(e),并在空泡壁面不斷形成波動(dòng)。隨著航行體的運(yùn)動(dòng),波動(dòng)逐漸沿氣體回流方向傳遞,直到波動(dòng)停止,如圖11(h)。

圖11 小噴氣系數(shù)下空泡壁面波動(dòng)形成過程

由于在運(yùn)動(dòng)過程中一直存在射流噴出,這種波動(dòng)會(huì)一直跟隨入水空泡的發(fā)展,嚴(yán)重影響空泡的穩(wěn)定發(fā)展。這種波動(dòng)現(xiàn)象與JIANG等的研究類似,通過對(duì)射流長度進(jìn)行頻譜分析,發(fā)現(xiàn)頻譜表現(xiàn)的一般特征與HWANG等的射流撞擊實(shí)驗(yàn)中氣液界面的振蕩相似。HWANG等對(duì)空泡深度和氣體射流內(nèi)部的壓力波動(dòng)進(jìn)行了譜密度分析,表明空泡深度與氣體射流中的湍流波動(dòng)之間存在聯(lián)系,同時(shí)根據(jù)JIANG等的頻譜分析,認(rèn)為射流長度的波動(dòng)也可能與駐點(diǎn)附近的氣射流湍流波動(dòng)有關(guān),而射流長度的波動(dòng)會(huì)顯著影響氣核和壁面波動(dòng)特性。

2.3.2 空泡直徑

航行體穿越氣液界面后,空泡直徑?jīng)Q定氣射流形成的空泡能否有效包裹航行體而產(chǎn)生緩沖減阻效果,因此以為參考監(jiān)測入水過程空泡直徑的變化顯得很有必要。圖12給出了空泡直徑隨時(shí)間的變化情況。圖中可以看出空泡直徑隨時(shí)間變化呈先增加后減小的趨勢。根據(jù)的定義,在初始時(shí)刻航行體到達(dá)自由液面時(shí)開口空泡已經(jīng)形成,航行體進(jìn)一步運(yùn)動(dòng)后射流動(dòng)量增加,氣體增多,使開口空泡進(jìn)一步擴(kuò)張,因此開始空泡直徑呈現(xiàn)增長趨勢。待航行體頭部穿越自由液面后,射流繼續(xù)加速液體前進(jìn),形成較為穩(wěn)定的空泡形態(tài)。但隨著運(yùn)動(dòng)的進(jìn)一步發(fā)展,空泡直徑的擴(kuò)張速度小于航行體的運(yùn)動(dòng)速度,空泡直徑開始出現(xiàn)下降趨勢,如圖12插圖所示。通過插圖也可以明顯地看出空泡直徑的變化狀態(tài),但在入水后期即便是環(huán)境壓力逐步增大,空泡直徑減小的趨勢也不太明顯,基本穩(wěn)定在約3倍空化器直徑,這和射流壓力、空泡內(nèi)壓有顯著的關(guān)系。

圖12 空泡直徑隨時(shí)間的變化(插圖為對(duì)應(yīng)的空泡狀態(tài))

圖13給出了不同入水角度下,航行體處于一定運(yùn)動(dòng)時(shí)刻(=15 ms)空泡直徑隨噴氣系數(shù)的變化。很明顯,在某一入水角度下空泡直徑隨噴氣系數(shù)呈線性增加,但不同入水角度間其線性關(guān)系幾乎一致,這也說明入水角度對(duì)空泡直徑影響有限。

圖13 空泡直徑隨噴氣系數(shù)的變化

2.3.3 射流長度

對(duì)氣射流協(xié)助入水而言,航行體穿透自由液面之后空泡和射流穩(wěn)定發(fā)展是協(xié)助入水的關(guān)鍵,而射流長度影響航行體能否穩(wěn)定排開入水前方液體形成有效的降載減阻空泡。圖14給出了射流長度隨時(shí)間變化趨勢?？梢娚淞鏖L度隨著航行體的運(yùn)動(dòng)逐漸減小,這可以通過運(yùn)動(dòng)過程中壓力平衡的觀點(diǎn)來解釋,在入水過程中,航行體速度由于射流的反向作用力逐漸減小,同時(shí)隨著穿透深度的加深,環(huán)境壓力逐漸變大。根據(jù)BANKS等提出的駐點(diǎn)壓力分析法,可知在入水運(yùn)動(dòng)過程中空泡最深處的靜壓=。靜壓隨著模型的運(yùn)動(dòng)逐漸增大,在噴氣系數(shù)不變的情況下要維持射流駐點(diǎn)處的動(dòng)壓來平衡逐漸增大的靜壓,則射流駐點(diǎn)處的速度就需要增大,根據(jù)湍動(dòng)自由射流軸線速度分布規(guī)律,這樣就要求射流長度減少。

圖14 射流長度隨時(shí)間的變化

到運(yùn)動(dòng)后期運(yùn)動(dòng)射流長度和空泡直徑一樣,均衰減不顯著。隨著航行體穿透深度的增加,射流長度發(fā)生變化會(huì)引起駐點(diǎn)處速度的變化。為了解射流在穿透過程中駐點(diǎn)處速度的脈動(dòng)變化,圖15分別給出了=14,=45°,=18條件下航行體運(yùn)動(dòng)至=15 ms時(shí)刻之后駐點(diǎn)處射流速度和空泡直徑徑向擴(kuò)張速度隨時(shí)間的變化情況。駐點(diǎn)處射流速度由式(2)計(jì)算,空泡直徑徑向擴(kuò)張速度根據(jù)實(shí)驗(yàn)圖像提取的空泡直徑對(duì)時(shí)間的變化率確定。在穿透深度較小時(shí),隨著穿透深度的增加,駐點(diǎn)處射流軸線速度逐漸增大,且表現(xiàn)出脈動(dòng)變化。在圖16中,速度功率譜密度整體顯示出減少的趨勢,但在()=168 Hz時(shí)出現(xiàn)一個(gè)極小值。空泡直徑徑向擴(kuò)張速度同樣顯示在穿透后期處于周期性脈動(dòng)變化,如圖15所示。通過頻譜圖可以看出,空泡直徑擴(kuò)張速度功率譜密度和射流駐點(diǎn)處速度功率譜密度高度相似,且均出現(xiàn)了一個(gè)極小值,而且出現(xiàn)極小值時(shí)兩者的頻率很相近(()=168 Hz,()=124 Hz)。因此,可以認(rèn)為在入水穿透后期,空泡直徑和射流長度不僅受環(huán)境壓力的影響,還和湍動(dòng)射流脈動(dòng)有關(guān)。

圖15 射流駐點(diǎn)處速度和空泡直徑徑向擴(kuò)張速度與時(shí)間的關(guān)系

圖16 射流駐點(diǎn)處速度和空泡直徑徑向擴(kuò)張速度相對(duì)應(yīng)的功率譜密度

圖17給出了噴氣系數(shù)對(duì)射流長度的影響,同樣考慮的是航行體在=15 ms時(shí)刻的情況。圖中可明顯看出射流長度隨噴氣系數(shù)的增加仍然呈線性增加,并且在不同角度下其關(guān)系也基本一致。因此,入水角度對(duì)射流長度的影響也不太顯著。

圖17 射流長度隨噴氣系數(shù)的變化

3 結(jié)論

本文研究了向前噴氣協(xié)助航行體入水通氣空泡多相流動(dòng)特性,進(jìn)行了不同噴氣量、不同入水角度的向前噴氣入水實(shí)驗(yàn)。分析了入水過程中射流穿透水面初生空泡的形態(tài)及空泡的發(fā)展,探討了不同噴氣量、入水角度對(duì)空泡形態(tài)、射流長度等的影響。主要結(jié)論如下:

①噴氣入水與直接入水相比,入水初期存在液面振蕩和空泡“湮滅”等現(xiàn)象;入水后由于K-H不穩(wěn)定空泡壁面出現(xiàn)波動(dòng)。

②噴氣入水形成空泡流動(dòng)過程存在3個(gè)區(qū)域轉(zhuǎn)變,分別是液面振蕩區(qū)、過渡區(qū)和空泡生成區(qū)。這些區(qū)域的形成與航行體位置有關(guān)。

③入水初期,開口空泡深度隨航行體高度的減小而增加;直徑隨航行體高度的減小先增大后減小;噴氣系數(shù)與開口空泡深度、直徑呈線性關(guān)系,且對(duì)開口空泡直徑的影響相比于開口空泡深度更為敏感。

④航行體穿越液面入水后,空泡直徑和射流長度在入水運(yùn)動(dòng)過程中均逐漸減小,但后期衰減不明顯,這些變化不僅受環(huán)境壓力的影響,還和湍動(dòng)射流脈動(dòng)有關(guān)。空泡直徑和射流長度隨噴氣系數(shù)呈線性增加,入水角度對(duì)空泡直徑和射流長度的影響有限。