跨介質(zhì)航行體高速入水空泡壁面運(yùn)動(dòng)特性

李宜果,王聰,武雨嫣,曹偉,盧佳興,何乾坤

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 航天學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150001;2.湖北航天技術(shù)研究院 總體設(shè)計(jì)所,湖北 武漢 430040)

0 引言

跨介質(zhì)航行體高速入水是一種涉及氣、汽、水三相流動(dòng)的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)過(guò)程,具有很強(qiáng)的理論研究意義和工程應(yīng)用價(jià)值,在導(dǎo)彈跨介質(zhì)突防以及反魚雷、反水雷、反蛙人、反潛武器中均有廣泛應(yīng)用。航行體從空氣介質(zhì)高速進(jìn)入水介質(zhì)的過(guò)程伴隨著航行體高速入水運(yùn)動(dòng)撞擊水面所造成的水面噴濺,以及航行體在入水后高速運(yùn)動(dòng)對(duì)周圍流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的擾動(dòng),航行體結(jié)構(gòu)對(duì)流體造成的噴濺和擾動(dòng)與航行體結(jié)構(gòu)之間互相影響,該過(guò)程具有很強(qiáng)的非定常性和非線性。

Worthington和Worthington等基于即時(shí)攝像技術(shù)研究了不同粗糙度性質(zhì)的球體進(jìn)入不同介質(zhì)屬性液體的入水空泡。von Karman基于動(dòng)量守恒原理推導(dǎo)了入水沖擊公式,并指出物體入水過(guò)程不單單是物體向前方液體傳遞動(dòng)能,而是伴隨著物體后部空氣被吸入的過(guò)程。May等和May對(duì)球體入水過(guò)程進(jìn)行了大量試驗(yàn),研究了球體結(jié)構(gòu)參數(shù)(尺寸、比重、表面涂層等)和無(wú)量綱參數(shù)(弗勞德數(shù)、雷諾數(shù)等)對(duì)球體入水過(guò)程流體動(dòng)力、空泡形態(tài)等特性的影響規(guī)律。Logvinovich對(duì)空化和入水等水動(dòng)力學(xué)問(wèn)題進(jìn)行論述,提出了空泡截面獨(dú)立膨脹原理,該原理實(shí)現(xiàn)了對(duì)一個(gè)非定常運(yùn)動(dòng)體截面上空泡壁面運(yùn)動(dòng)特性的理論估計(jì)。隨著仿真技術(shù)的進(jìn)步,學(xué)者們開(kāi)始利用計(jì)算機(jī)仿真方法研究入水問(wèn)題這一復(fù)雜多相流動(dòng)現(xiàn)象。Lee等基于前人的入水試驗(yàn)數(shù)據(jù)提出一種空泡動(dòng)力學(xué)方程,實(shí)現(xiàn)了對(duì)高速入水問(wèn)題空泡形成和潰滅的預(yù)測(cè),并進(jìn)行了理論分析和數(shù)值模擬。Truscott和Truscott等基于大量入水試驗(yàn)研究了不同形狀物體的入水問(wèn)題,分析了球體旋轉(zhuǎn)參數(shù)對(duì)入水空泡形態(tài)演化過(guò)程的影響。在國(guó)內(nèi),對(duì)于入水多相流動(dòng)問(wèn)題的認(rèn)識(shí)也取得了重大進(jìn)展。郝博等基于重疊網(wǎng)格和6自由度動(dòng)網(wǎng)格技術(shù),對(duì)射彈高速入水過(guò)程的空泡、彈道與流體動(dòng)力特性開(kāi)展了數(shù)值模擬研究。史崇鑌等對(duì)一種仿生跨介質(zhì)航行器在波浪環(huán)境下入水時(shí)的空泡特性與流體動(dòng)力特性開(kāi)展了試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究。侯宇等利用高速攝像技術(shù)對(duì)射彈小角度高速入水的彈道特性和噴濺演變開(kāi)展了試驗(yàn)研究。張智豪對(duì)回轉(zhuǎn)體高速入水的砰擊現(xiàn)象和空泡發(fā)展與演變特性開(kāi)展了理論與數(shù)值模擬研究。曹雪潔等利用數(shù)值模擬方法分析了液體可壓縮性對(duì)高速射彈超空泡流動(dòng)的影響,指出在馬赫數(shù)超過(guò)0.5后可壓縮性對(duì)超空泡流產(chǎn)生影響。陳誠(chéng)等對(duì)超空泡航行器在20°入水角的特定條件下傾斜入水過(guò)程沖擊載荷特性開(kāi)展了試驗(yàn)研究。劉富強(qiáng)等對(duì)一種具有嚴(yán)格對(duì)稱性的船模進(jìn)行了數(shù)值模擬,得到了模型在水面滑行工況下的流體動(dòng)力特性。Mehri等基于球體入水試驗(yàn),研究了球體表面溝槽數(shù)和入水速度對(duì)球體動(dòng)力學(xué)參數(shù)的影響?？缃橘|(zhì)航行體以100 m/s以上速度高速入水時(shí)足以發(fā)生自然空化產(chǎn)生超空泡,因此研究跨介質(zhì)航行體入水過(guò)程的流體動(dòng)力和彈道特性離不開(kāi)研究入水空泡的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。夏維學(xué)等根據(jù)圓柱體入水試驗(yàn)獲得了自由液面附近空泡壁面的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,并據(jù)此對(duì)入水空泡的演化階段進(jìn)行了定量劃分,繼而對(duì)圓柱體入水過(guò)程的運(yùn)動(dòng)特性和動(dòng)力特性進(jìn)行了研究。盧佳興等基于高速攝像光學(xué)測(cè)量方法,對(duì)比分析了單圓柱體和雙圓柱體在不同弗勞德數(shù)下的入水空泡演化特性。

目前針對(duì)航行體高速入水空泡特性的研究大多集中在垂直入水,對(duì)于以不同入水角度高速入水空泡特性的航行體試驗(yàn)研究較少。本文基于高速攝像與圖像識(shí)別技術(shù),通過(guò)開(kāi)展航行體不同入水姿態(tài)角、不同空化數(shù)下的高速入水試驗(yàn),對(duì)比不同工況下自由液面附近位置的空泡壁面運(yùn)動(dòng)規(guī)律,最終得到姿態(tài)角和空化數(shù)雙自變量對(duì)入水空泡特性的聯(lián)合影響規(guī)律,以期為跨介質(zhì)航行體高速入水過(guò)程的流體動(dòng)力和彈道特性研究奠定基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)及方法

1.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

如圖1所示,本文試驗(yàn)系統(tǒng)主要包括動(dòng)力加載裝置、角度調(diào)節(jié)裝置、固定基礎(chǔ)、水箱、發(fā)射控制裝置與攝像系統(tǒng)。動(dòng)力加載裝置為單級(jí)輕氣炮,使用高壓氮?dú)庾鳛閯?dòng)力,角度調(diào)節(jié)裝置主要由鋁型材支架組成,在調(diào)節(jié)角度時(shí),根據(jù)水平尺的示數(shù)反饋,將角度調(diào)節(jié)裝置轉(zhuǎn)動(dòng)到合適的角度并保持該角度,再用螺栓固定在基礎(chǔ)上,固定基礎(chǔ)主要由沖孔鋼架組成,可以保持發(fā)射穩(wěn)定性且便于調(diào)節(jié)角度。試驗(yàn)采用的水箱長(zhǎng)3 m、寬1 m、高1.6 m,底部鋪設(shè)沙袋和木板,對(duì)試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行緩沖減速,以確保試驗(yàn)裝置以及人員的安全。攝像系統(tǒng)采用日本Photron公司生產(chǎn)的FASTCAM SA5型高速相機(jī),水箱與光源之間鋪設(shè)柔光屏以獲取光強(qiáng)均勻的相片背景。發(fā)射控制裝置連接輕氣炮與高速相機(jī),可同步實(shí)現(xiàn)發(fā)射和攝錄。試驗(yàn)環(huán)境溫度為15℃,相對(duì)濕度為70%。

圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental system

1.2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

如圖2所示,試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑閷?shí)心回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu),采用鋁合金材料,該材料具有良好疏水性,模型直徑=19.6 mm,在試驗(yàn)?zāi)Ｐ臀膊块_(kāi)有密封槽,進(jìn)行裝填操作時(shí)安裝密封圈以防止泄氣和提供過(guò)盈量,從而保證順利裝填和發(fā)射。

圖2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ虵ig.2 Experimental model

1.3 工況設(shè)計(jì)

對(duì)每個(gè)工況控制角度、速度兩種變量,基于控制變量法設(shè)計(jì)試驗(yàn)工況,如表1所示。試驗(yàn)入水速度范圍為116～152 m/s,對(duì)應(yīng)空化數(shù)為0.008 5～0.014 7,不考慮液體的可壓縮性。

表1 試驗(yàn)工況Tab.1 Experimental cases

1.4 數(shù)據(jù)處理方法

基于圖像識(shí)別技術(shù)對(duì)攝像系統(tǒng)捕獲的相片進(jìn)行處理分析,具體流程如下:

1 在每個(gè)工況中選擇典型時(shí)刻的圖片作為樣本,考慮到數(shù)據(jù)的批處理以及擬合的完整性,每個(gè)工況樣本1的時(shí)刻選擇為試驗(yàn)?zāi)Ｐ皖^部接觸自由液面的時(shí)刻,每個(gè)工況共選取6個(gè)樣本。由于水箱下方的防護(hù)裝置阻礙了光線反射,當(dāng)模型進(jìn)入相機(jī)視野中防護(hù)裝置部分后,其空泡特性已難以辨認(rèn),因此每個(gè)工況樣本6的時(shí)刻選擇為試驗(yàn)?zāi)Ｐ皖^部投影在柔性光屏最下方的時(shí)刻。本文定義坐標(biāo)系、入水速度、入水姿態(tài)角如圖3(a)所示。

2 分析每個(gè)樣本的像素灰度值,在每一個(gè)感興趣的像素行向量(采樣平面)中,利用程序?qū)ふ壹右匀斯?fù)檢,找到空泡兩側(cè)輪廓附近灰度梯度最大的點(diǎn),將這兩點(diǎn)分別視為空泡背流側(cè)壁面點(diǎn)、空泡迎流側(cè)壁面點(diǎn),如圖3(c)所示。將背流側(cè)(左側(cè))和迎流側(cè)(右側(cè))所有的空泡壁面點(diǎn)按照最小二乘法進(jìn)行多項(xiàng)式擬合,在閉合點(diǎn)附近的采樣平面相對(duì)取得密集些,這是因?yàn)殚]合點(diǎn)附近空泡輪廓較為復(fù)雜,多項(xiàng)式擬合誤差較大,所以采用加密插值的方法繪制閉合點(diǎn)附近的空泡輪廓,如圖3(f)所示,可以看到利用本文中插值與擬合方法提取的空泡輪廓與實(shí)際輪廓基本一致,故認(rèn)為提取方法有效。

圖3 空泡輪廓的識(shí)別提取Fig.3 Recognition and extraction of cavity contour

3 對(duì)每一個(gè)工況重復(fù)步驟2,最后在閉合點(diǎn)深度和3深度下,截取每個(gè)工況中所有樣本的空泡壁面點(diǎn),將每個(gè)工況樣本2的空泡左側(cè)壁面點(diǎn)位移記為,每個(gè)工況樣本2的空泡右側(cè)壁面點(diǎn)位移記為,每個(gè)工況樣本2后的空泡左側(cè)壁面點(diǎn)位移記為,每個(gè)工況樣本2后的空泡右側(cè)壁面點(diǎn)位＞0.95,不滿足該擬合優(yōu)度的工況中對(duì)相應(yīng)空泡壁面點(diǎn)予以剔除。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

移記為,相應(yīng)地,空泡左(右)側(cè)壁面點(diǎn)速度記為(),每個(gè)工況樣本2所處時(shí)刻記為。對(duì)比各工況之間無(wú)量綱相對(duì)位移(-)和(-)在不同深度下隨著無(wú)量綱相對(duì)時(shí)間(-)的演化,對(duì)工況樣本2～工況樣本6的空泡壁面點(diǎn)進(jìn)行擬合,得到空泡壁面的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,再取極值位移進(jìn)行曲面擬合。所有工況對(duì)空泡壁面點(diǎn)的擬合優(yōu)度

2.1 典型高速入水空泡形態(tài)演化特性

為了系統(tǒng)分析跨介質(zhì)超空泡航行體高速入水過(guò)程,選取工況9(姿態(tài)角75°、入水速度133 m/s)和工況4(姿態(tài)角90°、入水速度124 m/s)來(lái)表明典型高速入水過(guò)程中的空泡形態(tài)演化特性。試驗(yàn)?zāi)Ｐ透咚俅┰綒?水界面,在夾帶空氣、擾動(dòng)水域的同時(shí)發(fā)生空化效應(yīng)形成蒸汽空泡,整個(gè)過(guò)程呈現(xiàn)復(fù)雜而有規(guī)律的演化特性,如圖4(a)所示。

圖4 典型高速入水過(guò)程Fig.4 Typical high-speed water-entry process

典型高速入水過(guò)程各階段分析如下。

2.1.1 入水撞擊階段

在入水撞擊階段(為0～0.3 ms),試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛷目諝饨橘|(zhì)高速運(yùn)動(dòng)到水介質(zhì),這種跨介質(zhì)突變帶來(lái)的沖擊一方面使得試驗(yàn)?zāi)Ｐ捅旧淼膭?dòng)能傳遞給觸水點(diǎn)自由液面附近的水域,另一方面試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮诳諝饨橘|(zhì)中的高速運(yùn)動(dòng)也會(huì)擠壓一部分模型頭部前方的空氣進(jìn)入自由液面以下。當(dāng)短暫的入水撞擊結(jié)束之后,氣、汽、水多相流動(dòng)開(kāi)始形成(=0.3 ms),并在自由液面以上出現(xiàn)了不對(duì)稱的噴濺環(huán),噴濺環(huán)呈現(xiàn)不對(duì)稱性的原因是:自由液面的迎流側(cè)空間相對(duì)背流側(cè)較為寬敞,且模型水平速度分量使得迎流側(cè)噴濺更遠(yuǎn)。試驗(yàn)?zāi)Ｐ痛怪备咚偃胨鐖D4(b)所示,此時(shí)形成的噴濺環(huán)和三相漏斗都近似對(duì)稱,表明此時(shí)背流側(cè)和迎流側(cè)受到的附帶空氣、空化蒸汽和水介質(zhì)勢(shì)能作用較為一致,此時(shí)不對(duì)稱性誤差是試驗(yàn)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集與處理所造成的。從圖4中可以總結(jié)出三相流動(dòng)的影響因素,即模型高速運(yùn)動(dòng)的附帶空氣主導(dǎo)氣相流動(dòng),模型接觸水介質(zhì)發(fā)生空化效應(yīng)形成的入水空泡主導(dǎo)汽相流動(dòng),由模型動(dòng)能轉(zhuǎn)化而來(lái)的水介質(zhì)勢(shì)能主導(dǎo)水相流動(dòng),如圖5所示。

圖5 高速入水三相流動(dòng)示意圖Fig.5 Schematic diagram of three-phase flow in high-speed water entry

2.1.2 開(kāi)空泡階段

在開(kāi)空泡階段(為0.3～4.8 ms),模型繼續(xù)向前高速運(yùn)動(dòng),一方面空化效應(yīng)產(chǎn)生的入水空泡在被不斷拉長(zhǎng),另一方面部分空氣會(huì)被高速運(yùn)動(dòng)的模型吸入空泡內(nèi)。在該階段,模型對(duì)自由液面水介質(zhì)的動(dòng)能傳遞作用使得自由液面水介質(zhì)儲(chǔ)存勢(shì)能并以噴濺環(huán)的形式釋放。同時(shí),在自由液面附近由于模型動(dòng)能傳遞作用和空化效應(yīng)形成的空泡發(fā)生閉合(=1.8 ms),稱為表面閉合,但是表面閉合的空泡高度非常小。在模型完全進(jìn)入自由液面以下后,空泡繼續(xù)保持與大氣相連通, 在自由液面和模型尾部入水空泡之間的位置出現(xiàn)了漏斗狀結(jié)構(gòu),這是因?yàn)槟Ｐ臀膊繆A帶空氣在自由液面以下形成氣相射流,同時(shí)在該漏斗狀結(jié)構(gòu)的壁面上附著有蒸汽空泡和水相介質(zhì),因此該漏斗狀結(jié)構(gòu)的成分是氣、汽、水三相混合物。隨著模型繼續(xù)運(yùn)動(dòng),入水空泡不斷被拉長(zhǎng),直到漏斗狀結(jié)構(gòu)與入水空泡發(fā)生分離,入水空泡發(fā)生深閉合(=4.8 ms),即發(fā)生拉脫現(xiàn)象,此時(shí)開(kāi)空泡階段結(jié)束,入水空泡與大氣之間的聯(lián)系被切斷。

2.1.3 空泡潰滅階段

在空泡潰滅階段(為4.8～12.0 ms),試驗(yàn)?zāi)Ｐ屠^續(xù)向前運(yùn)動(dòng)并最終撞擊防護(hù)裝置減速至靜止?fàn)顟B(tài)。在空泡深閉合后,空泡的潰滅大體呈現(xiàn)從上至下的順序,這是因?yàn)槟Ｐ皖^部截面在每一時(shí)刻都會(huì)抵達(dá)一個(gè)與上一時(shí)刻不同的截面,模型的高速運(yùn)動(dòng)使得模型動(dòng)能在模型頭部截面上二維傳遞,正是該傳遞過(guò)程形成的連續(xù)空泡截面組成了空泡、包圍了試驗(yàn)?zāi)Ｐ?使模型頭部越先到達(dá)的截面,其動(dòng)能被耗散至不足以支撐該截面空泡的時(shí)間就越早,即潰滅發(fā)生得越早,整體空泡形態(tài)呈現(xiàn)從上至下潰滅的順序。當(dāng)空泡潰滅之后,空泡尾部會(huì)由于強(qiáng)烈回射流形成高壓區(qū),使得水蒸汽發(fā)生凝結(jié),在空泡尾部形成汽-水混合物,因此空泡尾部相對(duì)于空泡其他部分會(huì)顯得較為不透明。汽-水混合物不會(huì)始終粘連在空泡尾部,它會(huì)隨著空泡不斷潰滅、新的汽-水混合物不斷形成而逐漸脫離空泡尾部(=9.9 ms)。以此類推,新的汽-水混合物也會(huì)脫離空泡尾部(=12 ms),因此,汽-水混合物呈現(xiàn)出交替脫離的特性。汽-水混合物交替脫離形成尾跡旋渦,尾跡旋渦具有明顯的振蕩特性,并且越早形成的尾跡旋渦,其振蕩幅值越大。隨著時(shí)間的推移,旋渦能量逐漸耗散,尾跡旋渦逐漸消散,由于旋渦完全消散耗時(shí)相對(duì)較長(zhǎng),只截取到能觀測(cè)到汽-水混合物二次脫離為止。由于試驗(yàn)條件的限制,模型的水下彈道長(zhǎng)度較短,并未出現(xiàn)明顯的彈道失穩(wěn)現(xiàn)象,也沒(méi)有明顯的尾拍滑行現(xiàn)象。

2.2 空化數(shù)對(duì)高速入水空泡形態(tài)影響

本文使用空化數(shù)對(duì)入水速度進(jìn)行無(wú)量綱處理,空化數(shù)定義為

選取工況1～工況5,即試驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵?0姿態(tài)角、分別以0.008 8、0.010 7、0.011 7、0.012 8、0.013 9的空化數(shù)入水過(guò)程分析空化數(shù)對(duì)高速入水空泡形態(tài)的影響,各工況發(fā)生深閉合的深度位置分別為1.68、1.72、1.71、1.73、1.79。圖6所示為姿態(tài)角為90時(shí)空泡左側(cè)壁面運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

圖6 姿態(tài)角為90°時(shí)空泡左側(cè)壁面運(yùn)動(dòng)規(guī)律Fig.6 Motion characteristics of the left side of cavity wall with attitude angle of 90°

從圖6(a)中可以發(fā)現(xiàn),在閉合點(diǎn)處空泡左側(cè)壁面先向左側(cè)擴(kuò)張,達(dá)到一個(gè)極值位移后再向右側(cè)收縮,隨著空化數(shù)增大,空泡左側(cè)壁面極值位移先減小后增大。影響空泡壁面擴(kuò)張的因素包括空化效應(yīng)和吸氣效應(yīng),前者主要包括模型頭部發(fā)生空化形成蒸汽空泡以及模型本身動(dòng)能轉(zhuǎn)化為水介質(zhì)的勢(shì)能,對(duì)空泡擴(kuò)張起到正激勵(lì)作用,后者主要為模型尾部低壓區(qū)對(duì)其周圍的擾動(dòng),對(duì)空泡擴(kuò)張起到負(fù)激勵(lì)作用。在每種工況下,兩種效應(yīng)同時(shí)存在,因此極值位移出現(xiàn)變化的原因在于兩種效應(yīng)主導(dǎo)的時(shí)機(jī)不同,在空化數(shù)為0.008 8～0.012 8時(shí),空泡左側(cè)壁面的極值位移減小,表明此時(shí)負(fù)激勵(lì)主導(dǎo),空化數(shù)為0.012 8～0.013 9時(shí),空泡左側(cè)壁面的極值位移增大,此時(shí)正激勵(lì)主導(dǎo)。

在圖6(c)、圖6(d)中,3深度處空泡左側(cè)壁面的極值位移和達(dá)到極值位移的無(wú)量綱時(shí)間都隨著空化數(shù)增大而減小,表明在深度3時(shí)入水空泡已經(jīng)與閉合點(diǎn)間拉開(kāi)了一定距離,其受閉合點(diǎn)深度處的氣相流動(dòng)影響十分有限。

各工況下空泡左側(cè)壁面擴(kuò)張速度在衰減至0 m/s之前有一個(gè)相對(duì)較集中的交點(diǎn),該點(diǎn)的意義可以理解為:在各工況下,自該深度開(kāi)始生成空泡的時(shí)刻起,經(jīng)過(guò)相同無(wú)量綱時(shí)間后,該深度空泡左側(cè)擴(kuò)張速度相等。圖7所示為姿態(tài)角為90°時(shí)空泡左側(cè)壁面運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

圖7 姿態(tài)角為90°時(shí)空泡右側(cè)壁面運(yùn)動(dòng)規(guī)律Fig.7 Motion characteristics of the right side of cavity wall with attitude angle of 90°

從圖7(a)中可以看到:空泡右側(cè)壁面與空泡左側(cè)壁面的位移曲線相反,呈現(xiàn)先向右側(cè)擴(kuò)張?jiān)傧蜃髠?cè)收縮的趨勢(shì),與空泡左側(cè)壁面的位移曲線較為對(duì)稱;隨著空化數(shù)的增大,空泡右側(cè)壁面的極值位移先減小后增大,表明空泡右側(cè)位移與左側(cè)位移類似,先負(fù)激勵(lì)主導(dǎo)、后正激勵(lì)主導(dǎo),不同之處在于,極值位移在空化數(shù)為0.008 8～0.011 7時(shí)減小、在空化數(shù)為0.011 7～0.013 9時(shí)增大,表明左右兩側(cè)空泡極值位移的空化數(shù)駐點(diǎn)不同,即左側(cè)空泡的空化數(shù)駐點(diǎn)為0.012 8,而右側(cè)空泡的空化數(shù)駐點(diǎn)為0.011 7,這是因?yàn)樵陂]合點(diǎn)處多相流動(dòng)較為復(fù)雜,氣、汽、水組成的漏斗狀三相混合物導(dǎo)致原本對(duì)稱的空泡深閉合極易受擾動(dòng),在高速入水工況下擾動(dòng)迅速被放大,因此出現(xiàn)了誤差范圍內(nèi)左右兩側(cè)空化數(shù)駐點(diǎn)不對(duì)稱的現(xiàn)象。如圖7(c)所示,在深度為3時(shí),空泡右側(cè)壁面的極值位移隨著空化數(shù)增大而減小,與空泡左側(cè)壁面幾乎完全對(duì)稱,進(jìn)一步表明隨著深度增加,空泡運(yùn)動(dòng)受到閉合點(diǎn)氣相流動(dòng)的影響減小,在3深度以下時(shí)吸氣效應(yīng)相對(duì)于空化效應(yīng)可忽略。

2.3 姿態(tài)角對(duì)高速入水空泡形態(tài)影響

本文初始姿態(tài)角定義為初始入水時(shí)模型軸線與水平面的夾角。選取工況1、工況6、工況11、工況16,即試驗(yàn)?zāi)Ｐ头謩e以90°、75°、60°、45°姿態(tài)角、0.008 5～0.008 8的空化數(shù)入水過(guò)程,分析姿態(tài)角對(duì)高速入水空泡形態(tài)影響。圖8所示為空化數(shù)為0.008 5～0.008 8時(shí)空泡左側(cè)壁面運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

從圖8(a)中可以看出,閉合點(diǎn)處背流側(cè)空泡壁面均呈現(xiàn)先擴(kuò)張后收縮的趨勢(shì),最終90°、75°和60°工況的相對(duì)位移均轉(zhuǎn)為正,而45°工況收縮最慢。背流側(cè)空泡壁面極值位移先減小后增大,表明在90°～75°姿態(tài)角下,吸氣效應(yīng)負(fù)激勵(lì)主導(dǎo),在75°～45°姿態(tài)角下,空化效應(yīng)正激勵(lì)主導(dǎo)。對(duì)比圖8(a)和圖8(c)可發(fā)現(xiàn),相對(duì)于閉合點(diǎn)深度,3深度處背流側(cè)空泡壁面極值位移普遍較大,且姿態(tài)角越小,極值位移的增幅越大,表明在深閉合位置以下時(shí),姿態(tài)角越小,吸氣效應(yīng)負(fù)激勵(lì)效果相對(duì)空化效應(yīng)正激勵(lì)效果越弱。該結(jié)論也可通過(guò)對(duì)比圖8(b)和圖8(d)來(lái)解釋,閉合點(diǎn)深度處背流側(cè)空泡壁面的速度時(shí)間曲線變化無(wú)序,而3深度處背流側(cè)空泡壁面的速度時(shí)間曲線均呈近似線性關(guān)系。

圖8 空化數(shù)為0.008 5～0.008 8時(shí)空泡左側(cè)壁面運(yùn)動(dòng)規(guī)律Fig.8 Motion characteristics of the left side of cavity wall with cavitation number of 0.008 5-0.008 8

圖9所示為空化數(shù)為0.008 5～0.008 8時(shí)空泡右側(cè)壁面運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

從圖9(a)和圖9(c)中可發(fā)現(xiàn),迎流側(cè)空泡壁面極值位移在閉合點(diǎn)和3深度處均隨姿態(tài)角減小而增大,結(jié)合圖9(b)和圖9(d)可發(fā)現(xiàn),無(wú)論是在閉合點(diǎn)深度還是3深度,在90°、75°姿態(tài)角下的迎流側(cè)空泡壁面相對(duì)于60°、45°姿態(tài)角下的迎流側(cè)空泡壁面都具有較低的擴(kuò)張初速度、較短的達(dá)到極值位移所用的無(wú)量綱時(shí)間以及較高的收縮速度,不僅表明正激勵(lì)主導(dǎo)迎流側(cè)空泡壁面極值位移,還表明姿態(tài)角越小,模型水平速度分量越大,其對(duì)迎流側(cè)水域傳遞的動(dòng)能越大,因此造成的正激勵(lì)效果越強(qiáng)。

圖9 空化數(shù)為0.008 5～0.008 8時(shí)空泡右側(cè)壁面運(yùn)動(dòng)規(guī)律Fig.9 Motion characteristics of the right side of cavity wall with cavitation number of 0.008 5-0.008 8

2.4 姿態(tài)角和空化數(shù)對(duì)高速入水空泡形態(tài)影響聯(lián)合分析

將20個(gè)試驗(yàn)工況所得數(shù)據(jù)匯總,將姿態(tài)角和空化數(shù)作為自變量,利用曲面擬合的方法,聯(lián)合分析雙自變量對(duì)空泡運(yùn)動(dòng)規(guī)律的影響。

圖10展示了背流側(cè)極值位移與姿態(tài)角和空化數(shù)的關(guān)系。由圖10可見(jiàn):閉合點(diǎn)深度處背流側(cè)空泡壁面的極值位移大約在(,)為(0.009,45°)或(0.014,55°)時(shí)達(dá)到最大值,在空化數(shù)為0.011～0.013的空間內(nèi)閉合點(diǎn)處背流側(cè)極值位移較為穩(wěn)定;3深度處背流側(cè)空泡壁面極值位移關(guān)于=0.012平面近似對(duì)稱,在=50°平面上出現(xiàn)了2個(gè)峰值點(diǎn),分別位于空化數(shù)取值0.008和0.014;閉合點(diǎn)深度與3深度處背流側(cè)空泡壁面極值位移的共同點(diǎn)是在空化數(shù)為0.011～0.013的空間內(nèi)較為穩(wěn)定且對(duì)稱,可以看到極值位移在取值90°～75°的空間內(nèi)規(guī)律性較弱,在取值75°～45°的空間內(nèi)規(guī)律性較強(qiáng),這是因?yàn)榍罢呤俏鼩庑?yīng)負(fù)激勵(lì)主導(dǎo),該過(guò)程較為復(fù)雜,后者是空化效應(yīng)正激勵(lì)主導(dǎo),在一定空化數(shù)范圍內(nèi)可以認(rèn)為與空化數(shù)線性相關(guān)。但在取值75°～45°空間內(nèi)也有負(fù)激勵(lì)主導(dǎo)的局部范圍,即在取值0.0085～0.0120的空間內(nèi)吸氣效應(yīng)負(fù)激勵(lì)主導(dǎo),在取值0.0120～0.0145空間內(nèi)空化效應(yīng)正激勵(lì)主導(dǎo),因此出現(xiàn)了空化數(shù)為0.011～0.013空間內(nèi)的局部穩(wěn)定,形成了關(guān)于=0.012平面近似對(duì)稱的曲面。

圖10 背流側(cè)極值位移與雙自變量的關(guān)系Fig.10 Relationship between the extreme displacement on downstream side and the dual independent variables

圖11展示了迎流側(cè)極值位移與姿態(tài)角和空化數(shù)的關(guān)系。由圖11可見(jiàn):由于迎流側(cè)的空泡運(yùn)動(dòng)主要受到正激勵(lì)的影響,正激勵(lì)主要是與空化數(shù)相關(guān)的空化效應(yīng)造成,因此在空化數(shù)小于0.01空間內(nèi),閉合點(diǎn)深度處迎流側(cè)空泡壁面極值位移在每一個(gè)姿態(tài)角平面上與空化數(shù)呈近似線性關(guān)系,而空化數(shù)大于0.01空間內(nèi)的變化較不明顯;3深度處迎流側(cè)空泡壁面極值位移的全域空間與閉合點(diǎn)深度處迎流側(cè)空泡壁面極值位移在＜0.01空間內(nèi)的變化趨勢(shì)較為相似,這是因?yàn)槭苷?lì)主導(dǎo)影響的迎流側(cè)空泡壁面獲得了大部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化而來(lái)的勢(shì)能,在同一個(gè)姿態(tài)角平面上,與速度相關(guān)的空化數(shù)成為主導(dǎo)因素。

圖11 迎流側(cè)極值位移與雙自變量的關(guān)系Fig.11 Relationship between the extreme displacement on upstream side and the dual independent variables

綜合圖10和圖11可以發(fā)現(xiàn),在取值45°～60°空間內(nèi),迎流側(cè)、背流側(cè)極值位移的規(guī)律性較強(qiáng)。

3 結(jié)論

本文基于高速攝像技術(shù)開(kāi)展了回轉(zhuǎn)體試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮诓煌藨B(tài)角和不同空化數(shù)下的高速入水試驗(yàn),通過(guò)對(duì)圖像的提取處理,分析了背流側(cè)和迎流側(cè)空泡壁面在閉合點(diǎn)深度和3深度位置的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,對(duì)背流側(cè)和迎流側(cè)空泡壁面在閉合點(diǎn)深度和3深度位置的極值位移與姿態(tài)角和空化數(shù)雙自變量關(guān)系進(jìn)行了曲面擬合。得到以下主要結(jié)論:

1)獲得了航行體高速入水過(guò)程中撞擊、流動(dòng)形成、開(kāi)空泡、閉合、潰滅5個(gè)階段的噴濺和空泡形態(tài)演化特性。垂直入水產(chǎn)生的噴濺環(huán)和三相漏斗近似對(duì)稱,而傾斜入水的噴濺環(huán)呈現(xiàn)迎流側(cè)大于背流側(cè)的特征,自由液面至閉合點(diǎn)之間的氣、汽、水三相混合物與入水空泡之間發(fā)生拉脫現(xiàn)象是空泡深閉合的特征,自由液面以上表面閉合高度遠(yuǎn)低于自由液面以下深閉合深度。

2)得到了單自變量時(shí)背流側(cè)和迎流側(cè)空泡壁面在閉合點(diǎn)深度和3深度位置的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。姿態(tài)角為90°時(shí),背流側(cè)和迎流側(cè)空泡壁面的相對(duì)位移近似對(duì)稱;空化數(shù)為0.008 5～0.008 8時(shí),正激勵(lì)主導(dǎo)迎流側(cè)空泡壁面極值位移,且姿態(tài)角越小,試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛣?dòng)能向迎流側(cè)水介質(zhì)勢(shì)能轉(zhuǎn)化的程度越劇烈,因此正激勵(lì)效果越強(qiáng)。在3深度位置以下時(shí),吸氣效應(yīng)負(fù)激勵(lì)效果相對(duì)空化效應(yīng)正激勵(lì)效果可以忽略。

圖12 工況1～工況5試驗(yàn)現(xiàn)象圖片F(xiàn)ig.12 Photos of experimental phenomena of Cases 1-5

圖13 工況1、工況6、工況11、工況16試驗(yàn)現(xiàn)象圖片F(xiàn)ig.13 Photos of experimental phenomena of Cases 1,6,11,and 16

3)得到了背流側(cè)和迎流側(cè)空泡壁面在閉合點(diǎn)深度和3深度位置的極值位移與姿態(tài)角和空化數(shù)雙自變量的擬合曲面。閉合點(diǎn)處背流側(cè)空泡壁面極值位移最大值在(,)=(0.009,45°)或(0.014,55°)處,3深度處背流側(cè)空泡壁面極值位移關(guān)于=0.012平面近似對(duì)稱,閉合點(diǎn)處迎流側(cè)空泡壁面極值位移在＜0.01的空間內(nèi)以及3深度處迎流側(cè)空泡壁面極值位移在全域空間內(nèi)與空化數(shù)呈近似線性關(guān)系。