蔣運華,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)

?

運動體小擾動下入水空泡試驗研究

蔣運華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)

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

運動體;小擾動;入水空泡;模型試驗;流動機理

在船舶海洋工程及航空宇航科學(xué)中,運動體入水問題是一個重點的基礎(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動體入水問題。運動體入水后會產(chǎn)生空化,空化的出現(xiàn)會改變運動體的受力及航行彈道,之后的航行過程中,由于空泡的潰滅會導(dǎo)致運動體的彈道失穩(wěn)或承受大載荷,特別是運動體入水都帶有一定的初始擾動,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)定性便可以保證運動體彈道的穩(wěn)定性[1-2],因此，入水空泡流動特性是運動體彈道穩(wěn)定的關(guān)鍵,但對其流動機理還缺乏深入的認識[3]。Worthington觀察到了球體入水時產(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空投魚雷入水過程中結(jié)構(gòu)破壞、彈道失穩(wěn)及跳彈等問題來展開入水的研究。更多的研究是關(guān)注入水過程空化演化對運動體載荷特性的影響。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內(nèi)外學(xué)者廣泛的關(guān)注,主要開展了運動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]基于能量原理對入水空泡的生成和閉合及潰滅過程進行理論分析,給出了速入水空泡模型。何春濤等[13-14]開展了單個和2個圓柱體的低速入水試驗。本文主要研究小擾動和無擾動下運動體入水初期空泡發(fā)展過程,針對圓盤空化器運動體有無擾動入水空泡問題,開展約束和不約束運動體姿態(tài)的無擾動入水和有擾動入水空泡流試驗研究。試驗研究了有無擾動下入水局部空泡、空泡正好閉合在運動體尾部及入水超空泡的生成、發(fā)展的空泡流動特性。這些問題的研究有助于為運動體入水空泡流下航行姿態(tài)穩(wěn)定性研究提供基礎(chǔ)。

1　試驗條件及結(jié)果

1.1試驗運動體及條件

試驗運動體如圖1所示,為一圓盤空化器、錐柱組合結(jié)構(gòu)運動體,它由頭部圓盤空化器、圓錐段和圓柱段組成,試驗運動體直徑為22mm,頭部圓盤空化器直徑為20mm,總長為100mm。

圖1　試驗運動體

試驗是在一個寬1.0m,長1.2m,高1.5m的鋼化玻璃水箱中完成,入水試驗裝置方案見圖2,水箱底部為15mm厚的橡膠，用于防護底部玻璃板。

圖2　入水試驗裝置方案

1.2垂直入水局部空泡流試驗

圖3給出了v0=1.215m/s時運動體有無擾動下入水時空泡的發(fā)展過程。從圖3中可以看出,由于運動體的入水速度很小,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，由于運動體運動速度下降,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)展過程,由于空泡較小,入水的初始擾動對空泡流的影響有限,空泡出現(xiàn)的非對稱性不明顯。

圖4給出了v0=1.712m/s時入水空泡的發(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)展來看,深水閉合之后,空泡長度變長,直徑變小。主要原因在于,這時的入水空泡是運動體入水時水表面的空氣卷入形成的。所以,在空泡閉合于運動體表面之后,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,氣袋長度方向變長的物理機制。

圖3　v0=1.215 m/s運動體入水局部空泡發(fā)展

圖4(b)的空泡發(fā)展過程與圖4(a)類似。但是,由于入水?dāng)_動的存在,空泡出現(xiàn)了新的流動形式?？张莸姆菍ΨQ性使得空泡迎流面的長度變短,背流面的長度變長。同時,空泡尾部流動也不一樣,無擾動時空泡尾部流動對稱,有擾動時空泡尾部在背流面出現(xiàn)分裂的2條流動軌跡。這類似于空泡在重力作用下2條渦管的流動形式。

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

圖4　v0=1.712 m/s運動體入水局部空泡發(fā)展

圖5　垂直入水時入水局部空泡長度隨時間變化

1.3垂直入水超空泡流試驗

圖6給出了v0=2.974m/s時入水空泡的發(fā)展。圖6(a)中入水空泡長度正好為運動體長度,空泡閉合在運動體尾部?？张莸男纬膳c閉合過程與前面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,由于空泡的長度與運動體的長度基本一致,所以空泡尾部出現(xiàn)大量回射流。這些回射流與運動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。

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

圖6　v0=2.974 m/s運動體入水超空泡發(fā)展

圖7給出了v0=3.896m/s時入水空泡的發(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,空泡閉合在運動體尾部之后。從空泡發(fā)展來看,深水閉合之后,空泡的發(fā)展過程不是很穩(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)類似的流動規(guī)律。典型的特征是,在有擾動下的入水空泡尾部背流面出現(xiàn)了分裂的2條流動軌跡,空泡尾部被運動體模型尾部劃破。

圖8給出了v0=4.431m/s時入水空泡的發(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,水表面對空泡的影響區(qū)域非常有限。在持續(xù)發(fā)展過程中,空泡的尾部有較長的一段空泡都在變細,這一區(qū)域?qū)⑹强张萆钏]合區(qū)。超空泡在深水閉合之后,空泡的長度會有一個較大的聚減。

圖7　v0=3.896 m/s運動體入水超空泡發(fā)展

圖8　v0=4.431 m/s運動體入水超空泡發(fā)展

圖8(b)中空泡流出現(xiàn)非對稱性,空泡的非對稱性使得空泡的迎流面長度變短,閉合在模型表面;擾動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,空泡的尾部流動還受水表面的空氣影響。

圖9、圖10給出了所有實驗速度下有無擾動的空泡長度、直徑與弗勞德數(shù)及歐拉數(shù)之間的關(guān)系,并將無擾動下的參數(shù)進行擬合,圖中,Dc為空泡最大直徑。分析入水參數(shù),結(jié)果表明:運動體入水空泡流動特性主要受弗勞德數(shù)與歐拉數(shù)2個無量綱參數(shù)的影響。圖中無擾動數(shù)據(jù)顯示入水空泡長度隨著弗勞德數(shù)的增加而增加?？张莸闹睆诫S著弗勞德數(shù)的增加而變大,但是沒有空泡長度受到的影響大。空泡長度隨歐拉數(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,而空泡的長度主要受空化器直徑和入水速度的影響。對于圖中有擾動的數(shù)據(jù),可以看出擾動對空泡直徑影響不大。擾動對空泡長度的影響主要體現(xiàn)在空泡平均長度變短,空泡背流面長度比無擾動下的長度要長,迎流面的空泡長度要比無擾動下的長度要短。

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間的變化關(guān)系。圖11中當(dāng)Fr=6.39時,由于空泡正好閉合在航行尾部(見圖6(a)),所以空泡長度增加到一定之后,空泡閉合且尾部的云狀空泡脫落,導(dǎo)致空泡長度下降很快。當(dāng)Fr=8.38時,空泡在運動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,氣袋長度方向變長的物理機制。對于有擾動下的空泡長度,背流面和迎流面的尺寸相差很大。較大的擾動下空泡的長度尺寸會變短,這主要由于擾動下的入水姿態(tài)改變,導(dǎo)致阻力增大,即入水的速度下降變大,所以空泡的總體長度變短。

圖11　垂直入水時入水超空泡長度隨時間變化

2　結(jié)論

運動體入水?dāng)_動在入水過程中不可避免,由于入水過程中有空泡的生成,所以有擾動下的運動體入水空泡流動機理是運動體入水彈道穩(wěn)定的關(guān)鍵。針對圓盤空化器運動體有無擾動下入水空泡問題,開展約束和不約束運動體姿態(tài)的試驗研究。試驗研究了有無擾動下入水局部空泡與入水超空泡的生成、發(fā)展下的空泡流動特性,得出以下幾點結(jié)論:

①由于氣體彈性作用,無擾動入水局部空泡長度在深水閉合之后有微小增加,入水?dāng)_動對局部空泡影響有限。

②當(dāng)空泡長度與運動體長度相當(dāng)時,空泡極易形成回射流與運動體相互作用進而改變尾部流動形式。有擾動下的入水空泡尾部背流面分裂2條很長的流動軌跡。

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

[1]MAYA.Waterentryandthecavityrunningbehaviorofmissiles,AD-A020 429[R].1975.

[2]WAUGHJG.Hydroballisticsmodeling,AD-A007 529[R].1975.

[3]邱海強,袁緒龍,王亞東,等.回轉(zhuǎn)體高速垂直入水沖擊載荷和空泡形態(tài)仿真[J].魚雷技術(shù),2013,21(3):161-164.

QIUHai-qiang,YUANXu-long,WANGYa-dong,etal.Simulationonimpactloadandcavityshapeinhighspeedverticalwaterentryforanaxisymmetricbody[J].TorpedoTechnology,2013,21(3):161-164.(inChinese)

[4]楊衡,張阿漫,龔小超,等.不同頭型彈體低速入水空泡試驗研究[J].哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報,2014,35(9):1 060-1 066.

YANGHeng,ZHANGA-man,GONGXiao-chao,etal.Experimentalstudyofthecavityoflowspeedwaterentryofdifferentheadshapeprojectiles[J].JournalofHarbinEngineeringUniversity,2014,35(9):1 060-1 066.(inChinese)

[5]安偉光,蔣運華,安海.運動體高速入水非定常過程研究[J].工程力學(xué),2011,28(3):251-256.

ANWei-guang,JIANGYun-hua,ANHai.Studyoftheunsteadyprocessforvehiclehigh-speedwaterentry[J].EngineeringMechanics,2011,28(3):251-256.(inChinese)

[6]LOGVINOVICHGV,YAKIMOVYL.Highvelocityentryofbodyintoaliquid[C]//ProceedingsoftheIUTAMSymposiuminLeningrad.Moscow:NaukaPublishingHouse,1973.

[7]SAVCHENKOYN,SEMENENKOVN,PUTILINSI.Unsteadysupercavitatedmotionofbodies[J].InternationalJournalofFluidMechanicsResearch,2000,27(1):109-137.

[8]劉樺,李家春,何友聲,等.“十一五”水動力學(xué)發(fā)展規(guī)劃的建議[J].力學(xué)進展,2007,37(1):142-147.

LIUHua,LIJia-chun,HEYou-sheng,etal.Suggestionontheresearchframeprogrammeonhydrodynamicsfortheeleventhfiveyearplan[J].AdvancesinMechanics,2007,37(1):142-147.(inChinese)

[9]陳學(xué)農(nóng),何友聲.平頭物體三維帶空泡人水的數(shù)值模擬[J].力學(xué)學(xué)報,1990,22(2):129-138

CHENXue-nong,HEYou-sheng.Numericalsimulationof3Dwaterentryofabluntcylinderwithaventilatedcavity[J].ChineseJournalofTheoreticalandAppliedMechanics,1990,22(2):129-138.(inChinese)

[10]葉取源.用E-L方法計算圓平頭物體垂直入水空泡的面閉合和深閉合問題[J].應(yīng)用力學(xué)學(xué)報,1990,7(4):17-25.

YEQu-yuan.Numericalsimulationofcavitysurfaceclosureanddeepclosureduringverticalwaterentryofdisk-headbodieswithE-Lmethod[J].ChineseJournalofAppliedMechanics,1990,7(4):17-25.(inChinese)

[11]WANGYi-wei,HUANGChen-guang,WEIYan-peng,etal.Thesheddingphenomenoncausedbytheinteractionbetweenre-entryjetandairinjectionoftheventilatedpartialcavitation[C]//Proceedingsofthe8thInternationalSymposiumonCavitation,Singapore:ResearchPublishing,2012:13-16.

[12]LEEM,LONGORIARG,WILSONDE.Cavitydynamicsinhigh-speedwaterentry[J].Phys.Fluids,1997,8(3):540-550.

[13]何春濤,王聰,何乾坤,等.圓柱體低速入水空泡試驗研究[J].物理學(xué)報,2012,61(13):1-8.

HEChun-taoWANGCong,HEQian-kun,etal.Low-speedwaterentryofcylindricalprojectile[J].ActaPhysicaSinica,2012,61(13):1-8.(inChinese)

[14]何春濤,王聰,魏英杰,等.圓柱體垂直入水空泡形態(tài)試驗[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報,2012,38(11):1 542-1 546.

HEChun-tao,WANGCong,WEIYing-jie,etal.Verticalwaterentrycavityofcylinderbody[J].JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronautics,2012,38(11):1 542-1 546.(inChinese)

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)基金面上項目(2014M560954);國家自然科學(xué)基金項目(51409071)

蔣運華(1984- ),男,博士后,研究方向為空化流動。E-mail:jiangyunhua211@163.com。

徐勝利(1965- ),男,教授,研究方向為流體力學(xué)。E-mail:slxu@mail.tsinghua.edu.cn。

TJ63

A

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