圆柱壳体低速入水空泡试验研究

段宇 李琪

摘 要：入水冲击问题一直以来是国内外众多学者研究的热点问题，入水冲击过程中的力学响应与空泡发展问题是研究人员研究的重点，文章在试验的基础上，结合高速摄像机对平头、圆锥平头、圆球头三种不同头型圆柱壳体入水过程中的空泡发展过程进行了研究。

关键词：入水冲击；空泡；冲击动力学；高速摄像机

中图分类号：TB114. 2 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2015）32-0061-02

1 概 述

入水冲击现象存在十分普遍，大到飞船返回舱入水降落，小到打水漂的游戏，无不存在着入水冲击问题。入水冲击问题作为涉及固、液、气三者相互耦合的一种复杂的物理过程[1]，在结构物入水冲击的瞬间，会导致周围流体介质的运动；反过来，流体介质对结构又会施加反作用力，特别是在入水冲击初期瞬间，由于过程十分短暂，大约为毫秒量级，故结构物会遭受巨大的冲击载荷，这就涉及到结构入水冲击动力学问题[2]。关于这一问题，国内外学者展开了深入的研究，何春涛等[3]进行了带锥角头型圆柱体垂直与倾斜入水试验，试验中使用了一套可以调整姿态的滑轨用于改变不同的入水角度释放圆柱体，并用高速照相机捕捉了试验图像，比较了2.5 m/s与50 m/s入水速度情况下，带锥角头型圆柱体的入水空泡发展过程，并补充了双弹体同时入水试验，与单个试验物入水试验进行对比，比较其入水空泡发展过程的不同。顾建农等[4]进行了旋转弹头水平入水的试验研究，试验中使用了弹道枪进行发射，入水速度达到 130～400 m/s的高速度，试验进行了普通弹头和圆球弹头两种头型子弹的入水试验，比较分析了两种子弹入水空泡发展规律的不同之处。马庆鹏等[5]进行了球体垂直入水试验，试验中所用球体为标准台球，并采用自由落体的方式进行试验物释放，用高速摄像机记录了这一试验过程，重点分析了空泡产生、发展、闭合和消失过程。得到了入水初始速度对于入水过程中空泡的形成具有很大的影响，如果入水初始速度小于一定值，球体入水将不能产生空泡的结论。张岳青等[6]进行了楔形体垂直入水试验，并用高速摄像机采集了入水过程的动态图像，重点考察了试验过程中的加速度响应，得到了楔形体密闭空腔与加速度响应之间的关系。

本文通过自行设计的试验装置进行了三种不同头型的圆柱壳体的低速入水试验，并用高速摄像机记录了这一过程，通过DIC（Digital Image Correlation）技术对后期图像进行分析，总结归纳出三种不同头型圆柱壳体入水的空泡发展规律。

2 DIC（数字图像相关方法）简介

数字图像相关方法的基本原理是通过图像配准的方法处理材料或结构变形时的图像，从而得到变形过程的位移场和应变场[7]。DIC（数字图像相关方法）又称DSCM（数字散斑相关方法），是目前科学研究中应用最广泛的位移、速度和应变测量方法，通过对比变形前后的图像特征，基于光流法，得到物体的位移场和应变场。一般将物体变形前的图像作为参考图像，变形后的图像作为变形图像，若在参考图像中选取（2M+1）×（2M+1）像素大小的计算子窗口A，子窗口A的中心点为B；变形图像中子窗口移动到了A'，中心点为B'。假设变形前后物体表面的灰度不变或者仅是线性变化，则窗口A的灰度信息在变形图像中是唯一存在的，在变形图像中可以搜索到与窗口A相关系数最大的窗口A'。子窗口A中心点的位移为B'、B位移之差，即（u0，v0） 。窗口中任意一点C距离中心点B（？驻x，？驻y）的位移为（u（x，y），v（x，y））。其在简单应变状态下满足：

u（x，y）=u■+？驻x？着xx+？驻y？着xy，v（x，y）=v0+？驻x？着yx+？驻y？着yy

可求得窗口A的应变信息。改变子窗口选取，取遍整个图像，即可得到整体的应变场[8]。在实际操作过程中，首先在图像中的圆柱壳体上建立散斑区，随机布置种子点，首先进行预计算，可以顺利完成计算的种子点进行保留，无法完成所有图像计算的种子点被删除，设置内部参数结束后，进行图像全场位移与应变计算分析，分析结束后，输出所需方向的位移数据，通过计算得到试验所需的速度数据。

3 试验过程

本文试验在西北工业大学水动力模型实验室的滑轨入水平台上进行，整个入水平台由20号钢制成，稳定性良好，该入水平台可以控制实验模型入水速度，入水轨迹角度和入水姿态角度。通过调节两个钢架底座之间的距离，可以改变入水轨道的高度，进而改变入水轨迹角，通过调节释放系统中试验物的姿态改变入水的姿态角，将高弹力压簧以及载物滑块串在钢管轨道上，通过转动丝杠来压缩弹簧，利用将弹簧释放瞬间的弹性势能转化为载物滑块的动能，通过改变弹簧的压缩量来改变结构物入水的速度。在平台上部放置载物滑块，滑块壳体中各用螺栓固定四个滑轮，与钢管导轨组成滚动摩擦，减少摩擦力以减少动能损失，滑块在弹簧作用下弹射，运动到轨道末端时，由于滑块遮挡住光电门导致开关闭合，加持结构物的电磁铁开始工作，从而将滑块上的结构物释放。试验过程中，运用高速摄像机拍摄结构体入水的过程，记录入水姿态及运动过程。试验中所用的水箱由玻璃钢制成，长3 m，宽1 m，高1 m，壁厚0.2 m，试验所用圆柱壳体长45 mm，直径45 mm，壁厚5 mm。材质均为铝。试验中所使用的高速摄像机是由Vision Research公司生产的Phantom-v711产品，为了获得高质量的图像，需要合理选取摄影过程中的时间和空间分辨率，本文选取1 000帧/s的拍摄速度以及1 280×800像素分辨率。由于冲击动力学试验过程历时十分短暂，拍摄过程中需保证曝光时间极短，则必须以强光源照射，本文选用了2个型号为AFT-HLS100W的LED光源灯作为辅助光源进行照射。

4 试验结果

从高速摄像机记录的试验图像中可以看出：①平头圆柱壳体和圆锥平头圆柱壳体入水后速度明显小于圆球头圆柱壳体，即二者入水后，液体介质对于其的阻力大于圆球头圆柱壳体，致使其具有较大的与运动方向相反的加速度。②平头圆柱壳体入水后出现翻滚现象，圆锥平头圆柱壳体也存在此现象，但是较平头圆柱壳体缓和，而圆球头圆柱壳体则是直接径直入水。这是由于前两种头型圆柱壳体所受阻力较大，且受力不均匀，导致其运动方向发生改变，而圆球头圆柱壳体头部较为光滑，水体对其作用力基本均沿其法线方向指向头部球心，故其运动方向并未发生改变，仅仅是速度降低。③平头圆柱壳体入水后溅起水花很大，且入水后形成的空泡轨迹很长，圆锥平头圆柱壳体入水后激起水花大小介于平头圆柱壳体和圆球头圆柱壳体之间，空泡轨迹较长，圆球头圆柱壳体入水后溅起水花较小，入水后形成的空泡轨迹较短，且轨迹基本成一条直线。

5 结 论

①进行了平头、圆锥平头、圆球头三种不同头型的圆柱壳体入水试验，并通过高速摄像机记录了入水过程中的空泡发展历程。②通过DIC（数字图像相关技术）得到了试验物入水的速度和加速度变化。③通过试验图像得出了三种不同头型的圆柱壳体入水空泡发展规律，从图像可以看出，平头圆柱壳体在入水后所受的阻力最大，速度下降最快，且空泡轨迹最长，圆锥平头圆柱壳体次之，圆球头圆柱壳体入水后受到水的阻力最小，运动方向基本不变，空泡发展轨迹基本成一条直线。

参考文献

[1] 秦洪德，赵林岳，申静.入水冲击问题综述[J].哈尔滨工业大学学报，2011，（S1）.

[2] 王永虎，石秀华.入水冲击问题研究的现状与进展[J].爆炸与冲击，20

08，（3）.

[3] 何春涛，王聪，何乾坤，等.圆柱体低速入水空泡试验研究[J].物理学

报， 2012，（13）.

[4] 顾建农，张志宏，王冲，等.旋转弹头水平入水空泡及弹道的实验研究

[J].兵工学报，2012，（5）.

[5] 马庆鹏，何春涛，王聪，等.球体垂直入水空泡实验研究[J].爆炸与冲

击，2014，（2）.

[6] 张岳青，徐绯，金思雅，等.楔形体入水冲击响应的试验研究及应[J].

机械强度，2015，（2）.

[7] 周晓峰.基于散斑数字图像相关的平面全场应变测量方法及应用

[D].广州：华南理工大学，2012.

[8] 章超.数字图像相关方法在动态测试中的应用[D].合肥：中国科学技 术大学，2014.