运动体小扰动下入水空泡试验研究

蒋运华,徐胜利,周　杰

(1.哈尔滨工程大学 航天工程系,哈尔滨 150001;2.清华大学 航天航空学院,北京 100084)



运动体小扰动下入水空泡试验研究

蒋运华1,2,徐胜利2,周杰2

(1.哈尔滨工程大学 航天工程系,哈尔滨 150001;2.清华大学 航天航空学院,北京 100084)

针对运动体入水空泡问题,采用模型试验方法,在试验水箱中开展约束和不约束运动体姿态的入水试验。研究了有无扰动下的入水局部空泡与入水超空泡生成、发展下的空泡流动特性。分析了有无扰动下的空泡尺寸与弗劳德数和欧拉数之间的关系,给出了有无扰动下的入水空泡长度的变化规律,探讨了试验获得的各种空泡流动的机理。结果表明:无扰动下入水空泡长度在深水闭合之后有微小增加,有扰动下空泡迎流面的长度比无扰动长度要短,背流面的长度比无扰动长度要长;无扰动时空泡尾部流动对称,有扰动时空泡尾部在背流面出现分裂的2条流动轨迹;对于没有发生深水闭合的空泡,入水扰动主要使得空泡直径增大。

运动体;小扰动;入水空泡;模型试验;流动机理

在船舶海洋工程及航空宇航科学中,运动体入水问题是一个重点的基础科学问题[1]。特别是反潜武器的入水、航天发射后助推器分离返回地面、航天运载器返回地球都有可能落入水域,航空飞行器水面迫降等都涉及运动体入水问题。运动体入水后会产生空化,空化的出现会改变运动体的受力及航行弹道,之后的航行过程中,由于空泡的溃灭会导致运动体的弹道失稳或承受大载荷,特别是运动体入水都带有一定的初始扰动,这使得入水空化问题更加复杂。May和Waugh指出,如果能够控制入水空泡的稳定性便可以保证运动体弹道的稳定性[1-2],因此，入水空泡流动特性是运动体弹道稳定的关键,但对其流动机理还缺乏深入的认识[3]。Worthington观察到了球体入水时产生的喷溅和空泡,他是最早研究入水问题的学者。其后研究者主要针对空投鱼雷入水过程中结构破坏、弹道失稳及跳弹等问题来展开入水的研究。更多的研究是关注入水过程空化演化对运动体载荷特性的影响。随着超空泡减阻技术的发展,入水空泡流问题又得到了国内外学者广泛的关注,主要开展了运动体入水空泡的表面及深水闭合等空泡流基本问题的研究[4-11]。Lee[12]基于能量原理对入水空泡的生成和闭合及溃灭过程进行理论分析,给出了速入水空泡模型。何春涛等[13-14]开展了单个和2个圆柱体的低速入水试验。本文主要研究小扰动和无扰动下运动体入水初期空泡发展过程,针对圆盘空化器运动体有无扰动入水空泡问题,开展约束和不约束运动体姿态的无扰动入水和有扰动入水空泡流试验研究。试验研究了有无扰动下入水局部空泡、空泡正好闭合在运动体尾部及入水超空泡的生成、发展的空泡流动特性。这些问题的研究有助于为运动体入水空泡流下航行姿态稳定性研究提供基础。

1　试验条件及结果

1.1试验运动体及条件

试验运动体如图1所示,为一圆盘空化器、锥柱组合结构运动体,它由头部圆盘空化器、圆锥段和圆柱段组成,试验运动体直径为22mm,头部圆盘空化器直径为20mm,总长为100mm。

图1　试验运动体

试验是在一个宽1.0m,长1.2m,高1.5m的钢化玻璃水箱中完成,入水试验装置方案见图2,水箱底部为15mm厚的橡胶，用于防护底部玻璃板。

图2　入水试验装置方案

1.2垂直入水局部空泡流试验

图3给出了v0=1.215m/s时运动体有无扰动下入水时空泡的发展过程。从图3中可以看出,由于运动体的入水速度很小,所以主要形成入水局部空泡。在局部空泡发生深水闭合之后,即在模型表面闭合之后，由于运动体运动速度下降,环境压力增加,空泡开始发展成云状气泡。从图3(b)中可以看出类似的空泡发展过程,由于空泡较小,入水的初始扰动对空泡流的影响有限,空泡出现的非对称性不明显。

图4给出了v0=1.712m/s时入水空泡的发展,图中显示空泡生成规律与图3相同,与图3 相比,由于该速度比图3的要大,所以形成的入水局部空泡尺寸也要大。

从图4(a)空泡发展来看,深水闭合之后,空泡长度变长,直径变小。主要原因在于,这时的入水空泡是运动体入水时水表面的空气卷入形成的。所以,在空泡闭合于运动体表面之后,由于卷入空泡内气体的弹性作用,在外界压力作用下空泡被压缩。这类似于在密闭弹性气袋中的气体在宽度方向压力增加,气袋长度方向变长的物理机制。

图3　v0=1.215 m/s运动体入水局部空泡发展

图4(b)的空泡发展过程与图4(a)类似。但是,由于入水扰动的存在,空泡出现了新的流动形式。空泡的非对称性使得空泡迎流面的长度变短,背流面的长度变长。同时,空泡尾部流动也不一样,无扰动时空泡尾部流动对称,有扰动时空泡尾部在背流面出现分裂的2条流动轨迹。这类似于空泡在重力作用下2条涡管的流动形式。

图5给出了入水局部空泡下无扰动空泡长度和有扰动下空泡迎流面和背流面长度随时间的变化关系,图中,Lc为空泡长度,L为模型长度。从图中可以看出,对于弗劳德数较小的入水情况,无扰动空泡闭合在运动体表面。因此,空泡长度在持续增加到空泡闭合之后基本保持不变。而在有扰动情况下,空泡背流面的长度有变长的趋势。

图4　v0=1.712 m/s运动体入水局部空泡发展

图5　垂直入水时入水局部空泡长度随时间变化

1.3垂直入水超空泡流试验

图6给出了v0=2.974m/s时入水空泡的发展。图6(a)中入水空泡长度正好为运动体长度,空泡闭合在运动体尾部。空泡的形成与闭合过程与前面2种入水速度空泡发展一致。不同之处在于空泡闭合之后,由于空泡的长度与运动体的长度基本一致,所以空泡尾部出现大量回射流。这些回射流与运动体尾部及空泡相互作用形成大量的云状空泡,且云状空泡不断脱落上浮。

对于图6(b)所示有扰动情况,在同样的入水速度下,空泡流动发生了很大的改变。首先,空泡流出现非对称性,空泡的非对称性使得空泡迎流面的长度变短,闭合在模型表面。空泡的背流面的长度变长,空泡不再闭合在模型尾部,而是在尾部较远处闭合。同时空泡尾部流动也不一样,无扰动时空泡尾部流动对称,有扰动时空泡尾部在背流面出现分裂的2条流动轨迹。这也与图4(b)相类似,它们都类似于空泡在重力作用下2条涡管的流动形式。

图6　v0=2.974 m/s运动体入水超空泡发展

图7给出了v0=3.896m/s时入水空泡的发展。从图7(a)中可以得出与图3(a)、图4(a)和图6(a)相同的空泡生成规律。相对于图3、图4和图6入水空泡的生成,由于该速度比前几种的要大,所以形成的入水空泡尺寸也要大,空泡闭合在运动体尾部之后。从空泡发展来看,深水闭合之后,空泡的发展过程不是很稳定,空泡的尾部存在大量的回射流,不断伴有云状空泡脱落,再上浮。从图7(b)中可以得到与图3(b)、图4(b)和图6(b)类似的流动规律。典型的特征是,在有扰动下的入水空泡尾部背流面出现了分裂的2条流动轨迹,空泡尾部被运动体模型尾部划破。

图8给出了v0=4.431m/s时入水空泡的发展。从图8(a)中可以得出与图3、图4、图6和图7相同的空泡生成规律。相对于图3、图4、图6和图7,由于入水速度较大,在图8中还没有发生空泡深水闭合。从图中可以看出,空泡形成之后,水表面对空泡的影响区域非常有限。在持续发展过程中,空泡的尾部有较长的一段空泡都在变细,这一区域将是空泡深水闭合区。超空泡在深水闭合之后,空泡的长度会有一个较大的聚减。

图7　v0=3.896 m/s运动体入水超空泡发展

图8　v0=4.431 m/s运动体入水超空泡发展

图8(b)中空泡流出现非对称性,空泡的非对称性使得空泡的迎流面长度变短,闭合在模型表面;扰动的存在使得空泡的宽度在未发生深水闭合之前变得很宽。但是在入水空泡尾部背流面没有出现分裂的2条流动轨迹,主要原因在于空泡还未发生深水闭合,空泡的尾部流动还受水表面的空气影响。

图9、图10给出了所有实验速度下有无扰动的空泡长度、直径与弗劳德数及欧拉数之间的关系,并将无扰动下的参数进行拟合,图中,Dc为空泡最大直径。分析入水参数,结果表明:运动体入水空泡流动特性主要受弗劳德数与欧拉数2个无量纲参数的影响。图中无扰动数据显示入水空泡长度随着弗劳德数的增加而增加。空泡的直径随着弗劳德数的增加而变大,但是没有空泡长度受到的影响大。空泡长度随欧拉数的增大而减小,而空泡直径受欧拉数的影响较小。所以空泡直径主要受空化器直径的影响,而空泡的长度主要受空化器直径和入水速度的影响。对于图中有扰动的数据,可以看出扰动对空泡直径影响不大。扰动对空泡长度的影响主要体现在空泡平均长度变短,空泡背流面长度比无扰动下的长度要长,迎流面的空泡长度要比无扰动下的长度要短。

图9　入水空泡尺寸与弗劳德数的关系

图10　入水空泡尺寸与欧拉数的关系

图11给出了入水超空泡随时间的变化关系。图11中当Fr=6.39时,由于空泡正好闭合在航行尾部(见图6(a)),所以空泡长度增加到一定之后,空泡闭合且尾部的云状空泡脱落,导致空泡长度下降很快。当Fr=8.38时,空泡在运动体尾部近水面一定距离范围内闭合(见图7(a))。所以空泡深水闭合之后空泡长度维持不变,在后期由于环境压力和空泡内气体弹性作用,空泡长度还有增加,但是空泡直径变小(见图7(a))。这类似于在密闭弹性气袋中的气体在宽度方向压力增加,气袋长度方向变长的物理机制。对于有扰动下的空泡长度,背流面和迎流面的尺寸相差很大。较大的扰动下空泡的长度尺寸会变短,这主要由于扰动下的入水姿态改变,导致阻力增大,即入水的速度下降变大,所以空泡的总体长度变短。

图11　垂直入水时入水超空泡长度随时间变化

2　结论

运动体入水扰动在入水过程中不可避免,由于入水过程中有空泡的生成,所以有扰动下的运动体入水空泡流动机理是运动体入水弹道稳定的关键。针对圆盘空化器运动体有无扰动下入水空泡问题,开展约束和不约束运动体姿态的试验研究。试验研究了有无扰动下入水局部空泡与入水超空泡的生成、发展下的空泡流动特性,得出以下几点结论:

①由于气体弹性作用,无扰动入水局部空泡长度在深水闭合之后有微小增加,入水扰动对局部空泡影响有限。

②当空泡长度与运动体长度相当时,空泡极易形成回射流与运动体相互作用进而改变尾部流动形式。有扰动下的入水空泡尾部背流面分裂2条很长的流动轨迹。

③扰动对空泡长度影响主要体现在,空泡平均长度变短,空泡背流面长度比无扰动下的长度要长,迎流面的空泡长度要比无扰动下的长度要短。对于没有发生深水闭合的空泡,扰动主要改变空泡的直径,使空泡直径变大。

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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

博士后科学基金面上项目(2014M560954);国家自然科学基金项目(51409071)

蒋运华(1984- ),男,博士后,研究方向为空化流动。E-mail:jiangyunhua211@163.com。

徐胜利(1965- ),男,教授,研究方向为流体力学。E-mail:slxu@mail.tsinghua.edu.cn。

TJ63

A

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