EXPERIMENTAL STUDY ON CAVITY EVOLUTION CHARACTERISTICS IN THE WATER-ENTRY PROCESS OF PARALLEL CYLINDERS 1)
Lu Jiaxing, Wei Yingjie2), Wang Cong, Lu Lirui, Xu HaoSchool of Astronautics, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China收稿日期:2018-09-2接受日期:2018-12-29网络出版日期:2019-03-18
| 基金资助: |
Received:2018-09-2Accepted:2018-12-29Online:2019-03-18
作者简介 About authors
2)魏英杰,教授,主要研究方向：水动力学.E-mail：weiyingjie@gmail.com
摘要
运动体并联入水广泛存在于机载射弹灭雷、空投鱼雷饱和攻击等空对海作战方式中,具有极强的工程应用背景.为得到运动体并联入水过程中空泡演化特性,采用基于高速摄像技术的光学测量方法,对圆柱体入水过程开展实验研究.利用图像处理技术对采集的图像序列中的空泡轮廓进行识别提取,通过对比单圆柱体和双圆柱体在不同弗劳德数下的空泡轮廓分析圆柱体并联入水过程的空泡演化特性和弗劳德数对其的影响.实验结果表明：入水空泡整体呈现良好的镜面对称特征,而圆柱体内外侧空泡存在明显的非对称性,当入水时刻的弗劳德数较低时,空泡闭合方式为深闭合,闭合点随弗劳德数增大而后移,当弗劳德数达到临界值时,闭合方式过渡为表面闭合且表面闭合方式下闭合点随弗劳德数增大而前移.在弗劳德数的正激励和环境压力、喷溅回卷负激励作用下,水下不同深度截面上的空泡扩张和空泡中心向外侧偏移量的峰值和时长均随弗劳德数增大呈现先增大后减小趋势,由于不同深度处主导的激励作用不同,故峰值和时长发生转折的弗劳德数临界点不同.
关键词：
Abstract
Water-entry process of parallel moving bodies widely exists in air-to-sea combat modes,such as airborne projectile elimating mines and air-dropped torpedo saturation attack, which has a strong engineering application background. In order to study the cavity evolution characteristics in the water-entry process of parallel cylinders, experimental study on the water-entry process of parallel cylinders is carried out used optical measurement method based on high-speed photography technology. The countor of cavity are identified and extracted with image processing technology. And by comparing the cavity countor between single cylinder and double cylinders with different Froude number at the time of water entry (Fr0), the cavity evolution characteristics in the water-entry process of parallel cylinders and the effect of Fr0 are analyzed. The experimental results show that the whole cavity shows good mirror symmetry, while the inside and outside cavity of the cylinder has obvious asymmetry. When the Fr0 is low, the cavity closure mode is pinch off, and the closure point moves backward with the increase of Fr0. And when Fr0 reaches critical value, the closure mode transits to surface closure and the closure point moves forward with the increase of Fr0 insteadly. Under the positive impact of Fr0 and the negative impact of ambient pressure and splashing and rolling, the peak value and time length of cavity expansion and outward offset of cavity center at different depth increase first and then decrease with the increase of Fr0. Due to the different dominant impact at different depths, the critical points of Fr0 at which the peak and time trends change are different.
Keywords：
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本文引用格式
卢佳兴, 魏英杰, 王聪, 路丽睿, 许昊. 圆柱体并联入水过程空泡演化特性实验研究 1). 力学学报[J], 2019, 51(2): 450-461 DOI:10.6052/0459-1879-18-288
Lu Jiaxing, Wei Yingjie, Wang Cong, Lu Lirui, Xu Hao.
引 言
运动体并联入水是指两个或多个运动体在空间上以并列排布顺序同时或在极短时间间隔内穿越自由水面进入水中的过程. 多体并联入水具有极强的工程应用背景,在水雷的布撒、深水炸弹的释放、机载射弹灭雷以及空投鱼雷、反潜导弹的饱和攻击等方面均有广泛应用. 作为一种典型的跨介质过程,并联入水具有强瞬时和非定常特性,同时涉及到湍动、气/固/液三相耦合流动和气体的可压缩性,加之并联入水过程还存在两运动体间的相互干扰,导致运动体空泡演化特性极为复杂.近年来,对入水问题的研究发展较快,Truscott等[1-2]对旋转球体的垂直入水过程开展实验研究,发现心形喷溅.Liu等[3]开展了微型亲水性球型颗粒的入水实验,得到球形颗粒在不同液体中保持稳定状态的临界入水速度.Peters等[4]基于PIV技术获得了入水空泡闭合点处的空气流速,并发现空气的可压缩性在闭合期间不能忽略.Marston等[5-6]通过高分辨率高速摄像,对入水喷溅问题进行了更进一步的实验研究,研究结果表明,喷溅与撞水物体尺寸、表面张力以及大气压强均存在紧密联系.May等[7-12]基于大量的入水试验给出了不同形状结构体的入水参数与无量纲参数的关系,并进一步给出了运动参数等对空泡演化的影响.随着仿真技术的迅速发展,通过对数值计算得到的入水速度场、密度场的分析,对入水过程空泡扩张、肩部流动分离、空泡闭合回射流以及入水参数对其的影响规律有了进一步的认识[13-16].国内对入水问题的研究也取得了重大的成绩,深刻认识了单圆柱体入水过程中空泡闭合的形成机理,并对并列入水开展了初步研究[17].顾建农等[18]通过实验手段研究了不同头型,不同速度下的水平入水过程中的空泡和弹道演化.路中磊等[19-22]研究了开放空腔入水过程中空泡流动特性.王瑞琦等[23]通过实验与仿真相结合的方法对平头圆柱入水过程中的空泡闭合进行了研究,发现闭合过程中的射流是加速度突变的成因.张珂等[24-25]分别通过仿真和实验的方法对圆盘入水过程的空泡演化特性展开了研究.施红辉等[26-33]对运动体高速入水的多相流动展开了研究.
然而目前大量研究是针对单运动体的入水过程,对并联入水研究较少,国内方面何春涛[34]曾对双回转体垂直并列入水过程进行了初步的研究,给出了空泡演化过程,但并未对此展开分析研究,并联入水空泡相互作用机理尚不明确. 在此背景下,针对小型圆柱体并联入水问题,本工作采用基于高速摄像和图像处理技术的实验方法,研究了并联入水过程中的空泡演化特性及弗劳德数对其的影响规律,为多体并联入水研究奠定基础,为跨介质武器饱和打击提供技术支撑.
1 试验系统与模型参数
本文试验系统由试验水槽、光学测试系统和释放机构三部分组成,如图1所示. 试验水槽采用尺寸为300 mm $\times $300 mm $\times $900 mm的小型水槽,水槽四壁为钢化玻璃,壁厚10 mm,槽底垫有缓冲橡胶垫,防止射弹入水对缸体造成破坏.试验光源采用4组LED灯作为背景光,并用柔光屏对背景光进行柔化,使背景光均匀撒布,以达到良好的拍照效果;采用2 组LED灯作为顶光,以增强空泡内部光照条件,进而增强弹体边界清晰度,便于图片数据的后期处理.弹体运动过程通过Photron FASTCAM SA-X型高速摄像机采集,并通过自编程序对运动轨迹及运动姿态进行提取,以获得弹体运动特性. 相机采集帧率为2000 帧/秒,相机上安装广角镜头,以扩大视野,捕捉更多运动信息.图1
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Fig.1Schematic of the experiment
释放机构由推拉式电磁铁和竖直导轨组成,如图2所示. 其中竖直导轨起导向作用,以确保试验模型入水时保持竖直姿态;推拉式电磁铁通过触发开关控制,共用同一个电信号,以确保触发的同步性. 当电源接通时,电磁铁推拉杆同时收缩,释放模型,模型在重力作用下下落,空气阻力忽略不计,则可以通过控制模型的下落高度控制入水时刻的速度,本文试验模型下落高度可调节范围为0~0.8 m,对应的入水速度范围为0~3.96 m/s,由于电磁铁触发的同步性得到保证,下落过程中受力基本一致,故可以保证接触水面的同步性. 为防止电磁铁收缩引起的支架振动干扰释放过程,导轨和电磁铁分别安装在不同的支架上,导轨支架和电磁铁支架相互独立.
图2
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Fig.2Schematic diagram of release mechanism
试验以平头圆柱作为试验射弹模型,如图3所示. 模型直径$D =10$ mm,长$L =60$ mm,模型采用6063铝合金加工,密度为 2.7 g/cm$^{3}$.
图3
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Fig.3Experimental model
2 试验结果分析
2.1 试验图像处理
本文基于MATLAB软件对试验提取的图像进行处理,通过MATLAB软件中的图像灰度值识别、连通域函数、边缘检测算子等对圆柱体及空泡进行识别提取,结果如图4所示. 从图4可以看出,空泡轮廓的识别基本与图像一致,认为提取数据有效.图4
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Fig.4Extraction and recognition of cavity contour
2.2 圆柱体单独入水过程空泡形态分析
本文实验模型选用上文平头圆柱,并使用弗劳德数$Fr$对速度进行无量纲化处理. 弗劳德数定义如下$$ Fr = \dfrac{v}{\sqrt {gl} }$$
式中,v为圆柱体的速度,g为当地重力加速度, 取为9.81 m/s$^{2}$,$l$为圆柱体的特征长度, 取为圆柱体直径$D =0.01$ m. 对应接触水面瞬间圆柱体速度$v_{0}$的弗劳德数记为$Fr_{0}. $圆柱体在入水过程中经历了入水撞击、开空泡、空泡闭合、空泡随动及空泡溃灭5个阶段,具有较强的非定常特性. 图5给出了两种入水速度下的圆柱体入水过程中入水空泡演化过程.
图5
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Fig.5The evolution of water-entry cavity of a single cylinder
入水撞击阶段是指圆柱体接触自由液面瞬间到底面全沾湿的一个极为短暂的过程,具有极强的瞬时性,如图5(a)中$t =0$ ms所示.在入水撞击阶段,圆柱体由于经历了从空气到水两相介质的突变而受到冲击,并通过冲击作用将动能传递给自由液面附近水域,使得自由液面附近水域产生流动,形成了入水空泡与水面喷溅.
开空泡阶段是指由入水撞击所形成的空泡不断敞开的过程,如图5(a)中$t =10$ ms至$t =20$ ms所示,并给出开空泡示意图见图6.
图6
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Fig.6Schematic of the open cavity phase
从图6可以看出,在开空泡阶段,圆柱体的动能不断转化为周围流体的动能,致使流体产生了沿径向远离圆柱体的流动,流动分离点位于圆柱体头部.随着圆柱体入水深度增大,空泡不断拉长,且流动分离点后方已获得动能的流体在惯性作用下继续向外排开,空泡直径也不断增大,空泡轮廓呈扩张状态. 空泡壁面附近流体在向外排开的过程中,其动能逐渐转化为势能,表现为自由液面上抬,形成喷溅.在开空泡过程中,空泡壁面运动速度逐渐减小,喷溅高度不断增大,即水体在不断进行动能向势能的转化,当空泡壁面运动速度减小为零时,喷溅高度达到最大,开空泡阶段完成.
空泡闭合阶段是指空泡壁面受压收缩,导致原本与大气连通的空泡发生闭合的过程. 在开空泡阶段,整个入水空泡壁面向外扩张,周围水体受压,完成动能向势能的转化,转化过程中,空泡壁面向外扩张的速度会发生衰减并逐渐趋于零,随后水体储存的势能释放,回压空泡,空泡壁面向内收缩. 在分析闭合方式时,为便于描述,将入水空泡壁面分为近水面空泡壁面和水下空泡壁面,其中近水面空泡壁面的运动除上述影响外,还受到空气域的环境压强、空气的高速流动、表面张力、静水压力和撞击产生的惯性力等因素的影响. 故近水面空泡壁面的扩张与收缩运动与水下空泡壁面有所差别,根据近水面空泡壁面和水下空泡壁面收缩完成的先后顺序将空泡闭合方式分为深闭合和表面闭合两种方式. 其中深闭合发生在入水速度较小,水下空泡壁面先于近水面空泡壁面完成收缩,闭合点在水下某一位置,如图5(a)中$t =50$ ms所示;表面闭合发生在入水速度较大,近水面空泡壁面先于水下空泡壁面完成收缩,闭合点在近水面处,如图5(b)中$t =10$ ms所示.
闭合完成后,圆柱体头部仍在诱导流动分离,空泡形成了随动,如图5(a)中$t =60$ ms至$t =80$ ms所示. 在空泡随动过程中,空泡闭合位置形成的较高的压力驻点与空泡内的低压区形成逆压梯度,在逆压梯度作用下,高密度的水流体沿圆柱体表面向低压空气区域流动,即向圆柱体头部运动形成了回射流. 回射流撞击空泡壁面,使空泡壁面变得模糊,空泡趋向溃灭.
2.3 圆柱体并联入水过程空泡形态分析
图7给出了圆柱体在$Fr_{0}=4.8$时并联入水与单独入水空泡演化过程对比,并联入水两圆柱体轴线间距会影响空泡间的相互干扰效果,轴线间距越小,干扰越大,在轴线间距小于一定值时,产生的入水空泡内侧壁面会相互碰撞融合,当轴线间距大于一定值时,回转体间干扰作用消失,本文为研究双圆柱体并联入水过程中不同弗劳德数对空泡轮廓干扰规律,轴线间距需满足相互干扰作用明显,且空泡间未发生碰撞融合,取为$\Delta d=2D$,当$Fr_{0}=4.8$时,空泡闭合方式为深闭合.图7
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Fig.7Evolution of single water-entry cavity and parallel water-entry cavities ($Fr_{0}=4.8$)
结合图8的并联入水空泡演化示意图中定义的流体区域对上图进行分析.
图8
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Fig.8Schematic of the evolution of parallel water-entry cavities
从图8可以看出,在并联入水过程中,双圆柱体的整体入水空泡形态在水平方向上关于圆柱体初始位置对称线呈现出了较好的镜面对称特征,但由于圆柱体入水空泡相互影响,每个圆柱体的入水空泡形态关于其中轴线呈现出明显的不对称特征.在开空泡阶段,外侧空泡自由扩张,形成了和单独入水过程较为接近的空泡壁面,而内侧空泡由于相互影响导致发展受限,呈现出不对称性,内侧空泡壁面在向对称线方向扩张过程中挤压内侧流体,受压流体在空泡边界附近形成了相对流动,其动能逐渐转变为势能,表现为内侧区域在水面形成喷溅.两圆柱体内侧流体区域由于空泡壁面限制而不断缩小,流速增大,根据伯努利方程可知,内侧空泡壁面附近流场压力较外侧低,导致在空泡闭合阶段,外侧空泡壁面率先收缩,当外侧空泡壁面运动至圆柱体表面时,由于内侧空泡壁面尚未到达圆柱体表面,故而空泡仍与大气连通,未形成闭合,只有当外侧空泡壁面进一步运动至内侧空泡壁面处时,空泡才完成闭合,并由此导致空泡闭合点相对中轴线向内侧偏移,且空泡闭合时间与单圆柱体入水空泡相比向后延迟.在空泡随动阶段,内侧区域空泡发展受到了与开空泡阶段类似的限制,空泡形态呈现出不对称特性.
与圆柱体单独入水相似,并联入水过程尾空腔穿越圆柱体尾部尖端时,亦会形成尾空泡,与单独入水尾空泡形成于头部空泡闭合之后不同,在并联入水过程中,内侧壁面由于泡内外压差较小故基本不发生收缩运动,而外侧壁面在泡内外压差作用下向内侧收缩直至圆柱体外侧壁面,入水空泡外侧壁面分为开放空腔外侧壁面和随体肩空泡外侧壁面,如图7中$t=50$ ms所示,同样肩空泡闭合位置形成的高压与空泡内部的低压形成逆压梯度,由此形成的回射流向前运动剪切空泡,空泡逐步溃灭. 开放空腔外壁面继续在泡内外压差作用下收缩经过圆柱体轴线直至开放空腔内侧壁面,至此尾空泡形成. 在入水空泡外侧壁面闭合至圆柱体外表面瞬间,产生向内侧的冲击力使圆柱体向内侧发生偏转,破坏了空泡内侧壁面的稳定,同时由于闭合点的偏离及尾空腔回射流中心点偏离,使得尾空泡与和尾空腔之间的回射流空管被迅速拉断,共同导致空泡内壁面发生破碎,并在与外侧闭合点相同横截面位置处发生闭合,并在回射流作用下逐步溃灭.
为进一步说明圆柱体并联入水过程空泡演化特性, 用式(1)和式(2)定义空泡无量纲半径$\tilde {r}$和无量纲入水深度$\tilde {h}$
其中,$R$为圆柱体半径,r为空泡实际半径,$h$为实际入水深度,D为圆柱体直径.图9给出了圆柱体在$Fr_{0}=4.8$的整个 入水过程中4个典型时刻并联入水空泡外侧与单独入水空泡的无量纲轮廓的对比.从图中可以看出,两圆柱体外侧区域空泡轮廓基本一致,同时两圆柱体外侧区域空泡轮廓与单独入水空泡轮廓基本一致,表明两圆柱体并联入水对外侧空泡演化的影响较小.此外,从图9中$t =70$ ms可以看出,完成闭合后的并联入水空泡无量纲长度较单独入水短.
图9
新窗口打开|下载原图ZIP|生成PPT图9圆柱体并联入水空泡外侧轮廓与单独入水空泡轮廓 ($Fr_{0}=4.8$)
Fig.9The outline of water-entry cavities of single cylinder and parallel cylinders ($Fr_{0}=4.8$)
图10给出了圆柱体在$Fr_{0}=4.8$时并联入水过程空泡外侧无量纲轮廓与内侧无量纲轮廓对比,由图可知,并联入水过程单个空泡形态呈现出明显的不对称性. 在开空泡阶段,内侧空泡发展受到制约,其半径小于外侧空泡,如图中$t =10$ ms和$t =30$ ms所示. 在空泡闭合过程中,外侧空泡在环境压力作用下泄气收缩,而内侧空泡由于该区域流场压力较低仍存在小幅度的扩张. 在空泡完成闭合后,空泡形成随动,内侧空泡半径相对外侧较小.
图10
新窗口打开|下载原图ZIP|生成PPT图10圆柱体并联入水过程圆柱体两侧空泡轮廓($Fr_{0}=4.8$)
Fig.10The cavity outline on both sides of the parallel water-entry cylinders ($Fr_{0}=4.8$)
2.4 弗劳德数对双空泡形态演化影响
表1给出了不同弗劳德数下并联入水过程中相同深度处的采集图像序列, 表中" $\cdot$ "表示空泡闭合点位置.Table 1
表1
表1不同弗劳德数下并联入水过程中空泡
Table 1
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图11和图12给出了双圆柱体不同弗劳德数下相同深度处空泡内外侧的无量纲轮廓曲线,由于双空泡的对称性图中只给出一个圆柱体的空泡轮廓. 从图11可以发现,随 $Fr_{0}$增大,空泡闭合方式由深闭合向表面闭合过渡,在$Fr_{0}$由4.8增大至6.1过程中,空泡闭合方式为深闭合,随$ Fr_{0}$增大空泡闭合点相对圆柱体后移,在$Fr_{0}$继续增加至9.9过程中,闭合方式转变为表面闭合,在$Fr_{0}=7.3$时空泡闭合点在近水面附近,随弗劳德数增大闭合点相对圆柱体前移.出现这种现象的原因是深闭合方式下,$Fr_{0}$越大,传递给周围流体的能量越大,空泡壁面扩张时间延长,进而导致闭合时间延迟,且$Fr_{0}$大,完成闭合的时间内航行体下落距离会增大,共同导致闭合点相对圆柱体后移;而表面闭合方式下,随$Fr_{0}$增大,一方面导致航行体下落距离增大,闭合点后移,另一方面入水能量增大,近水面空泡壁面回卷收缩加快,空泡会较早的完成闭合,闭合点前移,但前移幅度大于后移幅度,故表现为$Fr_{0}$增大,闭合点前移. 继续观察图12,发现在入水深度为2.5D,5D, 7.5D, 10D位置,不同$Fr_{0}$下空泡内侧轮廓非常接近,仅存在微幅的增大.原因是由于并联入水过程中,圆柱体内侧流域压力较低,内侧空泡壁面收缩幅度较小,即内侧空泡壁面受空泡闭合影响较弱,使得内侧空泡未呈现与外侧空泡类似的闭合轮廓,其半径只是随$Fr_{0}$增大而略有增长.
图11
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Fig.11The outer contour of the cavity at the same depth with different $Fr_{0}$
图12
新窗口打开|下载原图ZIP|生成PPT图12不同$Fr_{0}$下相同深度处空泡内侧轮廓
Fig.12The inner contour of the cavity at the same depth with different $Fr_{0}$
图13给出了$Fr_{0}$对不同深度处空泡演化的影响,H为水下深度. 从图中可以看出,随$Fr_{0}$增大,闭合方式从深闭合向表面闭合过渡,空泡截面直径的峰值与演化的时程范围均呈现出先增大后减小的趋势,转折点在各个深度有所不同.$Fr_{0}$越大,空泡向外扩张的惯性越大,故弗劳德数对空泡扩张具有正激励作用,而环境压力阻碍空泡的扩张,促进空泡闭合,同样喷溅回卷也对空泡表面闭合有促进作用,一旦空泡发生闭合,在表面张力作用下空泡的扩张就会受到抑制,所以环境压力和喷溅回卷对空泡扩张的作用方式为负激励. 在$ Fr_{0}=4.8$和$Fr_{0}=6.1$时,闭合方式为深闭合,深闭合情况下,对空泡扩张的主要负激励作用为环境压力,在相同深度处,环境压力相同,而弗劳德数增大,传递给流体的动能增大,即空泡壁面向外扩张的惯性力增大,故同一深度处空泡直径峰值随弗劳德数增大而增大. 当$Fr_{0}=7.3$时,空泡闭合方式处在深闭合向表面闭合的过渡阶段,空泡先发生表面闭合,随后转换为深闭合,如图14所示,在$H=2 D$深度处,空泡直径扩张受到表面闭合的抑制,因而其直径小于$Fr_{0}=6.1$时的空泡直径,但在该弗劳德数下,尚未形成稳定的表面闭合,表面闭合在完成的瞬间被两回转体内侧区域射流冲破,闭合方式转换为深闭合,在深度$H=4D$和$H=6D$处的空泡扩张主要受环境压力的抑制,因此其空泡直径峰值变化规律遵循深闭合情况下的变化规律, $Fr_{0}$越大,空泡直径越大当$Fr_{0} =8.6$时与$Fr_{0}=7.3$存在类似的表面闭合不稳定情况,只是其影响延伸至$H=4D$处.当$Fr_{0}=9.9$时,形成了稳定的表面闭合,其空泡直径演化在所有深度位置均受到表面闭合的抑制. 观察$H=2D$水深下$Fr_{0}$为7.3,8.6和9.9时的空泡演化发现,在表面闭合为主要抑制空泡扩张的因素时,随$Fr_{0}$增大空泡直径峰值反而减小,说明表面闭合的负激励作用强于入水速度的正激励作用.
图13
新窗口打开|下载原图ZIP|生成PPT图13$Fr_{0}$对不同深度处空泡演化的影响
Fig.13Influence of $Fr_{0}$ on evolution of countor at different depths
图14
新窗口打开|下载原图ZIP|生成PPT图14表面闭合情况下共存的两种空泡闭合方式
Fig.14Coexistence of two types of cavity closure under unstable surface closure
6mm 为研究双空泡的不对称性,定义空泡各截面中心偏离值$\Delta c$为
式中,$d_{\rm double} $ 为双圆柱入水过程中某截面上的空泡直径,$d_{\rm single} $为单圆柱入水过程中该截面上的空泡直径,并定义双圆柱入水空泡中心在单圆柱入水空泡中心的内侧时为正,如图15所示.
图15
新窗口打开|下载原图ZIP|生成PPT图15中心偏离值定义
Fig.15Definition of deviation value of center
图16给出了在水下截面上$Fr_{0}$对最大中心偏离值演化的影响曲线,从图中可以看出,各个弗劳德数下,最大中心偏离值随入水深度增大先向外侧偏移,随后偏移量逐渐减小至零,在发生深闭合的工况下,偏移量还会继续向内侧增大.这是由于内侧空泡相互挤压发展受限,在入水过程中改变量很小,故中心偏离值与外侧空泡轮廓发展趋势一致,开空泡阶段,空泡外侧轮廓向外扩张,随后受压收缩,在发生深闭合位置,外侧轮廓持续向内收缩至内侧空泡壁面附近,导致空泡中心偏向内侧,如图17所示.
图16
新窗口打开|下载原图ZIP|生成PPT图16弗劳德数对空泡最大中心偏离值影响
Fig.16Influence of $Fr_{0}$ on maximum deviation value of center
图17
新窗口打开|下载原图ZIP|生成PPT图17空泡中心变化
Fig.17Change of cavity center
继续分析发现,随入水弗劳德数增大,在闭合方式从深闭合向表面闭合过渡的过程中,空泡截面中心向外侧偏离值的最大值亦呈现出先增大后减小的趋势. 该现象与表面闭合对空泡演化的影响具有密切关系.结合图13,深闭合情况下,空泡直径随速度增大而增大,发生表面闭合后,空泡直径随速度增大而减小,而由图12可发现,不同入水速度下,内侧区域空泡半径差值很小,因而导致了空泡截面中心向外侧偏离值的最大值先增大后减小.
3 结 论
本文在圆柱体入水背景下,基于高速摄像技术和图像识别技术,开展了单圆柱体和双圆柱体在$\Delta d=2 D$的空间间隔下的入水实验,入水时刻弗劳德数变化范围为4.8~9.9,通过对识别提取的空泡轮廓进行分析,得到如下结论：(1)双圆柱体并联入水过程中,整体入水空泡关于对称线呈现良好的镜面对称特征,而单个圆柱体内外侧的空泡发展存在明显的非对称性,内侧空泡壁面由于相互挤压限制发展较小,外侧空泡轮廓与单圆柱体入水空泡轮廓一致,相较内侧发展较大.
(2)给出弗劳德数对空泡闭合方式的影响.在弗劳德数较低时,空泡闭合方式为深闭合,闭合点随弗劳德数增加而后移;当$Fr_{0}=7.3$时,深闭合与表面闭合同时存在,随弗劳德数增加逐渐过渡为表面闭合,且闭合点前移.
(3)给出了各弗劳德数下水下不同深度截面上空泡演化特性.在弗劳德数的正激励和环境压力、喷溅回卷负激励作用下,空泡扩张的峰值和时长均随弗劳德数增大呈现先增大后减小趋势,由于不同深度处主导的激励作用不同,故峰值和时长发生转折的弗劳德数的临界点不同.
(4)给出了各弗劳德数下空泡最大中心偏离值的变化.开空泡阶段,空泡中心向外侧偏移,空泡闭合阶段,空泡中心转而向内侧偏移,最大偏移量变化的峰值随弗劳德数增加先增大后减小.
后续工作将继续开展在$Fr_{0}=4.8$时不同轴线间距下的入水试验,获得入水间距对空泡轮廓的影响规律,进而给出轴线间距与空泡相互干扰效果之间的关系.
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The penetration behaviour of a hydrophilic particle impacting on a gas–liquid interface was studied both experimentally and mathematically. The aim of this study was to determine the critical impact velocity below which a falling hydrophilic particle would remain on a horizontal liquid surface. A model to predict the critical velocity has been developed based on energy balance of both the particle and liquid volume in the vicinity of the impact zone. The model also includes the effect of hydrophobicitiy (contact angle) of the particle as well as the change in potential energy of the impacted liquid. Experiments were performed using spherical glass beads of diameter 0.97–1.6602mm, and using liquids with varying density (1000–118202kg/m), viscosity (1.002–4.79602mPa02s) and surface tension (50.31–87.4202mN/m). High speed video camera was used to obtain the particle impact velocity, cavity profile and velocity of the three-phase contact line (TPCL) at the critical conditions. The TPCL line velocity and cavity profile were used as inputs for the model. The fitted advancing contact angle was employed in the model. It was found that the model was in good agreement with the experimental observations, and the fitted advancing contact angle agreed with the combined molecular-hydrodynamic model well.
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We experimentally study the airflow in a collapsing cavity created by the impact of a circular disc on a water surface. We measure the air velocity in the collapsing neck in two ways: Directly, by means of employing particle image velocimetry of smoke injected into the cavity and indirectly, by determining the time rate of change of the volume of the cavity at pinch-off and deducing the air flow in the neck under the assumption that the air is incompressible. We compare our experiments to boundary integral simulations and show that close to the moment of pinch-off, compressibility of the air starts to play a crucial role in the behavior of the cavity. Finally, we measure how the air flow rate at pinch-off depends on the Froude number and explain the observed dependence using a theoretical model of the cavity collapse.
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We report results from an experimental study of cavity formation during the impact of superhydrophobic spheres onto water. Using a simple splash-guard mechanism, we block the spray emerging during initial contact from closing thus eliminating the phenomenon known as u2018surface sealu2019, which typically occurs at Froude numbers $mathit{Fr}= V_{0}^{2}/(gR_{0}) = O(100)$ . As such, we are able to observe the evolution of a smooth cavity in a more extended parameter space than has been achieved in previous studies. Furthermore, by systematically varying the tank size and sphere diameter, we examine the influence of increasing wall effects on these guarded impact cavities and note the formation of surface undulations with wavelength $lambda =O(10)~ mathrm{cm}$ and acoustic waves $lambda _{a}=O(D_{0})$ along the cavity interface, which produce multiple pinch-off points. Acoustic waves are initiated by pressure perturbations, which themselves are generated by the primary cavity pinch-off. Using high-speed particle image velocimetry (PIV) techniques we study the bulk fluid flow for the most constrained geometry and show the larger undulations ( $lambda =O (10~ mathrm{cm}$ )) have a fixed nature with respect to the lab frame. We show that previously deduced scalings for the normalized (primary) pinch-off location (ratio of pinch-off depth to sphere depth at pinch-off time), $H_{p}/H = 1/2$ , and pinch-off time, $tau propto (R_{0}/g)^{1/2}$ , do not hold for these extended cavities in the presence of strong wall effects (sphere-to-tank diameter ratio), $epsilon = D_{0}/D_{tank} gtrsim 1/16$ . Instead, we find multiple distinct regimes for values of $H_{p}/H$ as the observed undulations are induced above the first pinch-off point as the impact speed increases. We also report observations of u2018kinkedu2019 pinch-off points and the suppression of downward facing jets in the presence of wall effects. Surprisingly, upward facing jets emanating from first cavity pinch-off points evolve into a u2018flatu2019 structure at high impact speeds, both in the presence and absence of wall effects.
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We present results from an experimental study of the impact of conical shaped bodies into a pool of liquid. By varying the cone angle, impact speed and liquid physical properties, we examine a broad parameter space and seek to find conditions when self-similarity can be observed during this phenomena. We use high-speed imaging to capture the early-time motion of the liquid ejecta which emanates from the tip of the cone and travels up along the cone surface. Surprisingly, we find that the detachment of the ejecta can be simply described by air entrainment relationships derived from coating experiments.
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http://link.aip.org/link/JAPIAU/v19/i12/p1109/s1&Agg=doi
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Investigations, carried out principally on the vertical water entry of steel spheres, are described. Graphs show the effect of several experimental parameters on the time and place of occurrence of various events in the life of the cavity which accompanies the entry. These parameters include the density and pressure of the atmosphere above the water, and the velocity, size, and nose shape of the missile. Froude‐scaling is found to be a good first approximation in describing cavity behavior, and some improvement is effected by the pressure‐density scaling of the atmosphere above the water. The energy lost by a missile during the open‐cavity phase of its water entry is found to be used up principally in the formation of the cavity, and the cavity shape is not dependent on the nose shape of the missile for a given drag force.
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http://arc.aiaa.org/doi/abs/10.2514/3.62851
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A circular disc hitting a water surface creates an impact crater which after collapse leads to a vigorous jet. Upon impact an axisymmetric air cavity forms and eventually pinches off in a single point halfway down the cavity. Two fast sharp-pointed jets are observed shooting up- and downwards from the closure location, which by then has turned into a stagnation point surrounded by a locally hyperbolic flow pattern. This flow, however, is not the mechanism feeding the jets. Using high-speed imaging and numerical simulations we show that jetting is fed by the local flow around the base of the jet, which is forced by the colliding cavity walls. We show how the well-known theory of a collapsing void (using a line of sinks on the symmetry axis) can be continued beyond pinch-off to obtain a new and quantitative model for jet formation which agrees well with numerical and experimental data.
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In this paper, a nonlinear boundary element method is developed for investigating the air cavity formation during the high speed water entry of wedges. A novel technique is introduced to remove the saw-tooth instability of the free surface profile, which is often encountered in solving violent free surface flow problems by boundary element methods. This technique applies to both the equally spaced grids and the non-equally spaced grids, and is demonstrated to be quite efficient and practical by numerical simulations. When the flow reaches the knuckle of the wedge, separation will occur. The authors develop a purely numerical method to simulate the non-viscous flow separation. This nonlinear BEM has been verified by comparisons with similarity solutions. We also compare the numerical results with experimental results.
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The two-dimensional water entry of a rigid symmetric body with account for cavity formation on the body surface is studied. Initially the liquid is at rest and occupies the lower half plane. The...
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61A 3D numerical approach is presented to simulate the solid-liquid interaction.61The free surface interface is tracked using the VOF method.61The no slip boundary condition is exerted by increasing the viscosity.61The effect of diameter on the cylinder motion is studied numerically.
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针对入水空泡生成机理和发展过程,以及影响入水空泡发展的复杂因素等开展入水试验研究.通过垂直和倾斜两种方式入水试验研究,分析了入水过程中的一系列流动现象,以及空泡的生成、发展和闭合,同时通过对比试验结果得出了空泡闭合方式与入水速度之间的关系;在此基础之上开展了多弹体入水试验,分析了串列和并列入水时空泡的生成和相互之间的影响,以及对运动体本身稳定性的影响.
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针对入水空泡生成机理和发展过程,以及影响入水空泡发展的复杂因素等开展入水试验研究.通过垂直和倾斜两种方式入水试验研究,分析了入水过程中的一系列流动现象,以及空泡的生成、发展和闭合,同时通过对比试验结果得出了空泡闭合方式与入水速度之间的关系;在此基础之上开展了多弹体入水试验,分析了串列和并列入水时空泡的生成和相互之间的影响,以及对运动体本身稳定性的影响.
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利用数字式高速录像机实验研究了头部为半球形的弹头与手枪普通制式弹头在两个水深、6种速度下水平入水时的空泡及弹道特征。实验结果表明，弹头形状对弹头空泡与入水弹道的稳定性有着重要影响。半球形弹头表现出较好的弹道稳定性，而普通制式弹头的弹道不稳定，呈现出特有的藕节形空泡。在一定的速度范围内，弹头入水的速度衰减规律具有一定的相似性，表现出极强的速度衰减特性。建立了弹头水中速度衰减规律的数学预报模型，并与实验结果进行了比较，理论与实验结果符合得较好。
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利用数字式高速录像机实验研究了头部为半球形的弹头与手枪普通制式弹头在两个水深、6种速度下水平入水时的空泡及弹道特征。实验结果表明，弹头形状对弹头空泡与入水弹道的稳定性有着重要影响。半球形弹头表现出较好的弹道稳定性，而普通制式弹头的弹道不稳定，呈现出特有的藕节形空泡。在一定的速度范围内，弹头入水的速度衰减规律具有一定的相似性，表现出极强的速度衰减特性。建立了弹头水中速度衰减规律的数学预报模型，并与实验结果进行了比较，理论与实验结果符合得较好。
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<p>基于高速摄像方法, 针对入水空泡流动特征和机理, 进行了开放腔体圆柱壳垂直入水实验研究. 通过对实验现象的观测, 发现开放腔体圆柱壳入水运动会形成波动流动和云化流动两种流动方式, 结合影像数据, 分别描述了两种流动状态下的空泡形态特征, 并获得了空泡波动参数的变化规律; 对比不同入水速度实验, 分析了入水速度对入水空泡流动方式和流动参数的影响; 依据流体力学基本理论, 分析了入水空泡波动和云化现象的形成机理. 结果表明: 随入水速度增加, 入水空泡依次呈现波动和云化两种流动状态, 波动频率与入水速度无关, 闭合发生时间随入水速度增加而减小, 与Froude数呈线性关系; 入水导致开放空腔内部气体涨缩, 引起开放端压力场和速度场周期性扰动, 空泡截面扩展程度出现差异, 形成空泡波动现象; 空泡闭合后尾部形成回射流, 回射流触及空泡壁面引起壁面流动转捩, 形成空泡云化现象.</p>
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<p>基于高速摄像方法, 针对入水空泡流动特征和机理, 进行了开放腔体圆柱壳垂直入水实验研究. 通过对实验现象的观测, 发现开放腔体圆柱壳入水运动会形成波动流动和云化流动两种流动方式, 结合影像数据, 分别描述了两种流动状态下的空泡形态特征, 并获得了空泡波动参数的变化规律; 对比不同入水速度实验, 分析了入水速度对入水空泡流动方式和流动参数的影响; 依据流体力学基本理论, 分析了入水空泡波动和云化现象的形成机理. 结果表明: 随入水速度增加, 入水空泡依次呈现波动和云化两种流动状态, 波动频率与入水速度无关, 闭合发生时间随入水速度增加而减小, 与Froude数呈线性关系; 入水导致开放空腔内部气体涨缩, 引起开放端压力场和速度场周期性扰动, 空泡截面扩展程度出现差异, 形成空泡波动现象; 空泡闭合后尾部形成回射流, 回射流触及空泡壁面引起壁面流动转捩, 形成空泡云化现象.</p>
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<p>采用高速摄像实验和数值计算相结合的方法,对开放空腔壳体入水过程中空腔内气体涨缩对入水空泡的扰动机理和扰动作用下空泡局部失稳特征开展研究.基于实验观测结果,对比开放空腔和封闭空腔两种壳体入水空泡形态差异性,获得开放空腔壳体入水空泡波动特征,并根据能量守恒定律和能量转化关系,定性分析空腔自激扰动机理和扰动引起的空泡波动机理.基于数值计算结果,结合实验观测到的空泡阶段性局部失稳现象,定量分析空泡局部的结构性失稳特征和流动性失稳特征,并参照边界层理论和漩涡理论,揭示了空泡局部失稳机理.结果表明：入水冲击压缩空腔气体形成扰动源,对流场结构形成周期性扰动,导致空泡波动；撞水前空腔气体经冲击压缩密度升高,导致入水后气体首次膨胀阶段部分气体外泄,改变分离点流动,空泡局部结构失稳；空泡壁面流动具有类边界层流动特性,波动形态空泡形成多级回流现象,并逐级作用在空泡凹陷位置,使局部掺混区厚度增加,产生涡旋、转捩流动,空泡局部云化失稳；空泡逐级在波谷位置闭合、脱落,伴随大尺度漩涡生成,脱落过程形成拟序结构流场,漩涡导致脱落空泡迅速溃灭,但不会对附着空泡的流动产生影响.</p>
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<p>采用高速摄像实验和数值计算相结合的方法,对开放空腔壳体入水过程中空腔内气体涨缩对入水空泡的扰动机理和扰动作用下空泡局部失稳特征开展研究.基于实验观测结果,对比开放空腔和封闭空腔两种壳体入水空泡形态差异性,获得开放空腔壳体入水空泡波动特征,并根据能量守恒定律和能量转化关系,定性分析空腔自激扰动机理和扰动引起的空泡波动机理.基于数值计算结果,结合实验观测到的空泡阶段性局部失稳现象,定量分析空泡局部的结构性失稳特征和流动性失稳特征,并参照边界层理论和漩涡理论,揭示了空泡局部失稳机理.结果表明：入水冲击压缩空腔气体形成扰动源,对流场结构形成周期性扰动,导致空泡波动；撞水前空腔气体经冲击压缩密度升高,导致入水后气体首次膨胀阶段部分气体外泄,改变分离点流动,空泡局部结构失稳；空泡壁面流动具有类边界层流动特性,波动形态空泡形成多级回流现象,并逐级作用在空泡凹陷位置,使局部掺混区厚度增加,产生涡旋、转捩流动,空泡局部云化失稳；空泡逐级在波谷位置闭合、脱落,伴随大尺度漩涡生成,脱落过程形成拟序结构流场,漩涡导致脱落空泡迅速溃灭,但不会对附着空泡的流动产生影响.</p>
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基于混合介质雷诺平均Navier-Stokes方程,对开放空腔壳体垂直入水运动过程开展了数值研究,得到了压力场、速度场分布,空泡波动、闭合特征,空腔气体涨缩规律,以及流体动力变化规律,并分析了空腔结构在入水运动过程中对流场结构和流体动力的影响。结果表明:液体随气体涨缩同步进出开放端;开放端局部形成波动的压力源和周期性的压力场、速度场分布;入水空泡呈现波动形态,其扩展程度与开放端液体流速相关;空泡内形成气体漩涡,随空腔涨缩往返进出空泡,对空泡闭合具有抑制作用;流体动力呈波动变化规律,频率与气体涨缩频率一致,幅值与气体涨缩程度成正比。开放空腔结构在入水过程中空腔内气体发生涨缩运动,对流场结构和流体动力产生周期性扰动作用,在一定程度上可以减缓冲击、维持空泡及运动的稳定性。
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基于混合介质雷诺平均Navier-Stokes方程,对开放空腔壳体垂直入水运动过程开展了数值研究,得到了压力场、速度场分布,空泡波动、闭合特征,空腔气体涨缩规律,以及流体动力变化规律,并分析了空腔结构在入水运动过程中对流场结构和流体动力的影响。结果表明:液体随气体涨缩同步进出开放端;开放端局部形成波动的压力源和周期性的压力场、速度场分布;入水空泡呈现波动形态,其扩展程度与开放端液体流速相关;空泡内形成气体漩涡,随空腔涨缩往返进出空泡,对空泡闭合具有抑制作用;流体动力呈波动变化规律,频率与气体涨缩频率一致,幅值与气体涨缩程度成正比。开放空腔结构在入水过程中空腔内气体发生涨缩运动,对流场结构和流体动力产生周期性扰动作用,在一定程度上可以减缓冲击、维持空泡及运动的稳定性。
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基于高速摄像试验方法,研究了开放空腔壳体的倾斜入水运动特性,重点分析了开放空腔结构引起的空泡流动特征和壳体运动规律.通过试验数据分析了开放空腔内气体运动将引起独特的空泡流动和阶段性的运动规律,探讨了初始入水速度、入水姿态对入水弹道和空泡形态等运动特征的影响.结果表明:开放空腔壳体入水空泡出现阶段波动演化现象,并先后经历两次闭合;入水空泡演化改变流体动力分布,直接影响壳体运动方式,进而改变水下弹道特征;空腔内部形成相对独立流场环境和开放端周期性流动,在重力作用下液体对空腔内下侧壁面作用力较大,加剧壳体偏转,从而改变入水运动过程的稳定性;随着入水速度的增大,空泡波动特征逐渐明显,闭合时间延迟,非对称深闭合引起的横向位移减小,但偏转角度与入水速度无关;随着初始姿态倾角减小,空泡波动程度减弱、闭合时间延迟,偏转角速度增大,闭合引起的横向位移增大.
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基于高速摄像试验方法,研究了开放空腔壳体的倾斜入水运动特性,重点分析了开放空腔结构引起的空泡流动特征和壳体运动规律.通过试验数据分析了开放空腔内气体运动将引起独特的空泡流动和阶段性的运动规律,探讨了初始入水速度、入水姿态对入水弹道和空泡形态等运动特征的影响.结果表明:开放空腔壳体入水空泡出现阶段波动演化现象,并先后经历两次闭合;入水空泡演化改变流体动力分布,直接影响壳体运动方式,进而改变水下弹道特征;空腔内部形成相对独立流场环境和开放端周期性流动,在重力作用下液体对空腔内下侧壁面作用力较大,加剧壳体偏转,从而改变入水运动过程的稳定性;随着入水速度的增大,空泡波动特征逐渐明显,闭合时间延迟,非对称深闭合引起的横向位移减小,但偏转角度与入水速度无关;随着初始姿态倾角减小,空泡波动程度减弱、闭合时间延迟,偏转角速度增大,闭合引起的横向位移增大.
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用高速摄像机记录了平头弹丸低速垂直入水过程中空泡的形成、发展和深闭合、表面闭合等现象,通过动网格数值计算方法,对深闭合空泡和表面闭合空泡进行数值模拟,利用UDF自定义函数输出了表面闭合情况下弹丸的位移、速度、加速度。研究结果表明:弹丸入水过程中,液面上方水幕的闭合会产生向上与向下的两股射流,并且向下的射流在运动过程中与弹丸尾部会产生撞击,弹丸加速度产生突跃性的变化。
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用高速摄像机记录了平头弹丸低速垂直入水过程中空泡的形成、发展和深闭合、表面闭合等现象,通过动网格数值计算方法,对深闭合空泡和表面闭合空泡进行数值模拟,利用UDF自定义函数输出了表面闭合情况下弹丸的位移、速度、加速度。研究结果表明:弹丸入水过程中,液面上方水幕的闭合会产生向上与向下的两股射流,并且向下的射流在运动过程中与弹丸尾部会产生撞击,弹丸加速度产生突跃性的变化。
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采用单相格子Boltzmann模型进行了物体垂直入水问题的研究.该模型适用于大密度比的气液两相流动,其特点是忽略了系统中气相对液相的动力学影响.模拟了圆盘垂直等速入水过程,给出了入水过程中空泡与自由面的变化规律,研究了圆盘入水空泡相对闭合深度与Froude数之间的关系.数值模拟结果与相关的实验结果吻合良好,验证了格子Boltzmann方法(LBM:Lattice Boltzmann Method)模拟物体入水问题的可行性.
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采用单相格子Boltzmann模型进行了物体垂直入水问题的研究.该模型适用于大密度比的气液两相流动,其特点是忽略了系统中气相对液相的动力学影响.模拟了圆盘垂直等速入水过程,给出了入水过程中空泡与自由面的变化规律,研究了圆盘入水空泡相对闭合深度与Froude数之间的关系.数值模拟结果与相关的实验结果吻合良好,验证了格子Boltzmann方法(LBM:Lattice Boltzmann Method)模拟物体入水问题的可行性.
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针对圆盘空化器航行体入水空泡问题,开展约束航行体姿态的实验研究。实验研究了入水局部空泡、空泡正好闭合在航行体尾部及入水超空泡的生成、发展与倾斜入水下的空泡流动特性。分析了空泡尺寸与弗劳德数和欧拉数之间的关系,给出了入水空泡长度的变化规律,探讨了实验获得各种空泡流动形式的流动机理。结果表明,入水局部空泡长度在深水闭合之后有微小增加,空泡最终以云状空泡形式脱落溃灭。当空泡正好闭合在航行体尾部时空泡极易形成回射流与航行体及空泡尾部相互作用,影响空泡尾部流动形式。入水超空泡有较好的稳定性。倾斜入水空泡易受重力影响,空泡尾部上飘,导致航行体尾部与空泡的相互作用下的空泡拉断。倾斜入水空泡内气体弹性效应更加明显,空泡壁面出现波形,空泡长度发生振荡。
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针对圆盘空化器航行体入水空泡问题,开展约束航行体姿态的实验研究。实验研究了入水局部空泡、空泡正好闭合在航行体尾部及入水超空泡的生成、发展与倾斜入水下的空泡流动特性。分析了空泡尺寸与弗劳德数和欧拉数之间的关系,给出了入水空泡长度的变化规律,探讨了实验获得各种空泡流动形式的流动机理。结果表明,入水局部空泡长度在深水闭合之后有微小增加,空泡最终以云状空泡形式脱落溃灭。当空泡正好闭合在航行体尾部时空泡极易形成回射流与航行体及空泡尾部相互作用,影响空泡尾部流动形式。入水超空泡有较好的稳定性。倾斜入水空泡易受重力影响,空泡尾部上飘,导致航行体尾部与空泡的相互作用下的空泡拉断。倾斜入水空泡内气体弹性效应更加明显,空泡壁面出现波形,空泡长度发生振荡。
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介绍了几种不同工况下高速细长体入水过程的实验研究工作. 用高速摄影仪实时记录了细长体高速入水时与自由液面之间的瞬态相互冲击作用, 清晰地观察了细长体高速入水后诱导生成的水中空泡流的形态及其演化过程. 具体分析了几种工况下高速细长体入水瞬间自由面的波动特性和细长体入水后运动的不稳定性. 从实时记录的照片中,测量出相邻2帧图片之间的细长体的位移差之后, 计算出细长体在入水过程中以及在水中的瞬时速度. 通过分析物体速度的变化趋势, 了解了超空泡流动的复杂过程.
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介绍了几种不同工况下高速细长体入水过程的实验研究工作. 用高速摄影仪实时记录了细长体高速入水时与自由液面之间的瞬态相互冲击作用, 清晰地观察了细长体高速入水后诱导生成的水中空泡流的形态及其演化过程. 具体分析了几种工况下高速细长体入水瞬间自由面的波动特性和细长体入水后运动的不稳定性. 从实时记录的照片中,测量出相邻2帧图片之间的细长体的位移差之后, 计算出细长体在入水过程中以及在水中的瞬时速度. 通过分析物体速度的变化趋势, 了解了超空泡流动的复杂过程.
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使用Fluent 14.0 软件并选择VOF多相流模型,模拟了高速射弹入水过程.以直径为6.0 mm、长径比为12.0的圆柱体为射弹模型,分别计算了平头、圆头和尖头圆柱体射弹以100.0 m/s速度入水的超空泡流场.将入水超空泡形状的模拟计算结果,与Logvinovich半经验公式的计算结果进行对比发现:前半部分的空泡形状相互吻合,但后部空泡形状尺寸大于半经验公式的计算结果,这可能是因为入水空泡会夹带空气进入的缘故.另外对3种头型射弹的超空泡的相图作了对比分析,研究发现:尖头射弹产生的超空泡中夹杂的空气量最多,而平头射弹次之,圆头射弹最少;圆头射弹产生的超空泡中夹杂的空气体积分数最大,而尖头射弹次之,平头射弹最小.针对圆头圆柱体射弹,还计算了500.0、900.0 m/s和1500.0 m/s入水速度下的超空泡流场,并进行了相关对比分析.
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使用Fluent 14.0 软件并选择VOF多相流模型,模拟了高速射弹入水过程.以直径为6.0 mm、长径比为12.0的圆柱体为射弹模型,分别计算了平头、圆头和尖头圆柱体射弹以100.0 m/s速度入水的超空泡流场.将入水超空泡形状的模拟计算结果,与Logvinovich半经验公式的计算结果进行对比发现:前半部分的空泡形状相互吻合,但后部空泡形状尺寸大于半经验公式的计算结果,这可能是因为入水空泡会夹带空气进入的缘故.另外对3种头型射弹的超空泡的相图作了对比分析,研究发现:尖头射弹产生的超空泡中夹杂的空气量最多,而平头射弹次之,圆头射弹最少;圆头射弹产生的超空泡中夹杂的空气体积分数最大,而尖头射弹次之,平头射弹最小.针对圆头圆柱体射弹,还计算了500.0、900.0 m/s和1500.0 m/s入水速度下的超空泡流场,并进行了相关对比分析.
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对4种不同头型的钝体、以不同初始速度在小倾斜角度和垂直状态下入水,所产生的空泡流进行了的实验观察,分析了不同工况下空泡产生和发展的特性。实验结果表明:对于倾斜入水及垂直入水,圆台头和平头(即空化器均为圆盘)实验体均能形成较稳定的入水弹道;初始入水速度较低时,空泡的闭合方式为深闭合;初始入水速度较高时,空泡的闭合方式为表面闭合,且运动速度衰减得更快。测量得知,钝体倾斜入水产生的空泡的前部外形轮廓与Logvinovich的半经验公式给出的结果相吻合。在垂直入水的情况下,调查了物体头部对空泡的起始点位置及其形态的影响。
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对4种不同头型的钝体、以不同初始速度在小倾斜角度和垂直状态下入水,所产生的空泡流进行了的实验观察,分析了不同工况下空泡产生和发展的特性。实验结果表明:对于倾斜入水及垂直入水,圆台头和平头(即空化器均为圆盘)实验体均能形成较稳定的入水弹道;初始入水速度较低时,空泡的闭合方式为深闭合;初始入水速度较高时,空泡的闭合方式为表面闭合,且运动速度衰减得更快。测量得知,钝体倾斜入水产生的空泡的前部外形轮廓与Logvinovich的半经验公式给出的结果相吻合。在垂直入水的情况下,调查了物体头部对空泡的起始点位置及其形态的影响。
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采用高速摄影技术观察高速细长体倾斜入水后超空泡气液两相流形态发展变化过程并对其结果进行研究。分析48mm长的细长体在50m/s左右的入水速度工况下,分别以几种不同入射角度进入水中后相关的流体动力学特性过程。实验结果表明,当细长体倾斜入水时,其与水自由面接触产生的力矩改变了细长体的初始运动方向,使其偏转并产生有多重褶皱的非规则空泡体,细长体尾部也更容易在入水时与产生的空泡边界接触而打断超空泡,致使部分超空泡留在近自由面处。根据速度拟合曲线,验证了细长体倾斜入水情况下依旧有超空泡减阻作用。
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采用高速摄影技术观察高速细长体倾斜入水后超空泡气液两相流形态发展变化过程并对其结果进行研究。分析48mm长的细长体在50m/s左右的入水速度工况下,分别以几种不同入射角度进入水中后相关的流体动力学特性过程。实验结果表明,当细长体倾斜入水时,其与水自由面接触产生的力矩改变了细长体的初始运动方向,使其偏转并产生有多重褶皱的非规则空泡体,细长体尾部也更容易在入水时与产生的空泡边界接触而打断超空泡,致使部分超空泡留在近自由面处。根据速度拟合曲线,验证了细长体倾斜入水情况下依旧有超空泡减阻作用。
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通过模型高速入水实验，利用高速摄像机拍摄了弹体入水过程和空泡形态演变过程，得到了4种头部外形模型的弹道曲线，并分析了头型、入水角、入水速度对水下弹道的影响。研究结果表明：椭圆斜截头弹体由于其特殊的头部更容易产生偏向水面的弯曲弹道，而其他3种弹体在一定速度内弹道比较稳定，基本趋于直线，虽然在有些工况下弹道发生了偏转，这是由于弹体加工过程中结构误差等造成的弹道不稳定性；入水角对弹道影响比较显著，小的入水角条件下弹体迅速向水面偏转，而入水角增大到一定程度时弹道向缸体底部偏转。所得结论可为高速入水武器的研究提供参考。
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通过模型高速入水实验，利用高速摄像机拍摄了弹体入水过程和空泡形态演变过程，得到了4种头部外形模型的弹道曲线，并分析了头型、入水角、入水速度对水下弹道的影响。研究结果表明：椭圆斜截头弹体由于其特殊的头部更容易产生偏向水面的弯曲弹道，而其他3种弹体在一定速度内弹道比较稳定，基本趋于直线，虽然在有些工况下弹道发生了偏转，这是由于弹体加工过程中结构误差等造成的弹道不稳定性；入水角对弹道影响比较显著，小的入水角条件下弹体迅速向水面偏转，而入水角增大到一定程度时弹道向缸体底部偏转。所得结论可为高速入水武器的研究提供参考。
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研究入水问题对导弹和鱼雷等的外形设计和弹道设计问题。水中兵器在入水初期要遭受巨大的冲击载荷形成入水空泡,而高速入水时自然空泡与入水空泡同时存在,造成高速入水载荷预测和空泡形态的预测变得十分困难。为解决上述问题,采用软件FLUENT框架,利用动网格技术和UDF方法实现了柱体高速入水流场的数值仿真,利用三相Mixture模型,建立了柱体回转体高速入水冲击的数值模拟方法,并研究了50~100m/s速度范围内入水冲击载荷特性与形成机理以及入水空泡发展规律,得到了速度对入水冲击载荷与空泡特性的影响规律。
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研究入水问题对导弹和鱼雷等的外形设计和弹道设计问题。水中兵器在入水初期要遭受巨大的冲击载荷形成入水空泡,而高速入水时自然空泡与入水空泡同时存在,造成高速入水载荷预测和空泡形态的预测变得十分困难。为解决上述问题,采用软件FLUENT框架,利用动网格技术和UDF方法实现了柱体高速入水流场的数值仿真,利用三相Mixture模型,建立了柱体回转体高速入水冲击的数值模拟方法,并研究了50~100m/s速度范围内入水冲击载荷特性与形成机理以及入水空泡发展规律,得到了速度对入水冲击载荷与空泡特性的影响规律。
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回转体入水问题对导弹、鱼雷等的外形和弹道设计有着深远影响。本文利用商业软件 FLUENT 6.3,结合动网格技术和用户自定义函数(UDF),使用混合物(MIXTURE)模型对平头、锥头和圆头回转体在速度为50~150 m/s 时的入水过程进行了仿真试验,探究速度和头型对其入水冲击载荷和空泡形态的影响。试验结果表明,回转体高速入水冲击载荷峰值发生在入水初期,且速度增大时,回转体冲击载荷、空泡直径和长度亦随之增大,在速度相同的情况下,回转体冲击载荷、空泡直径和长度按平头、锥头、圆头的次序依次减小。
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回转体入水问题对导弹、鱼雷等的外形和弹道设计有着深远影响。本文利用商业软件 FLUENT 6.3,结合动网格技术和用户自定义函数(UDF),使用混合物(MIXTURE)模型对平头、锥头和圆头回转体在速度为50~150 m/s 时的入水过程进行了仿真试验,探究速度和头型对其入水冲击载荷和空泡形态的影响。试验结果表明,回转体高速入水冲击载荷峰值发生在入水初期,且速度增大时,回转体冲击载荷、空泡直径和长度亦随之增大,在速度相同的情况下,回转体冲击载荷、空泡直径和长度按平头、锥头、圆头的次序依次减小。
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采用商用CFD软件 FLUENT 6.3,建立了求解带自然空化的水、气、汽三相流场,用UDF来解算并控制导弹运动,实现了考虑自然空化和弹体多自由度运动响应的高速入水非定常流场数值 计算。多相流模型采用Mixture模型,湍流模型采用标准k-ε模型,压力速度耦合方式和离散方法分别为SIMPLE和Standard,动网格更新方 式采用Layering方式。内嵌的UDF可以实时输出弹体受力和运动参数。采用流场-弹道耦合算法数值模拟了回转体外形导弹以20°入水角入水时的高速 入水流场,分析并获得了推力对入水空泡和自然空泡的产生、变化发展过程以及弹体流体动力的影响规律。
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采用商用CFD软件 FLUENT 6.3,建立了求解带自然空化的水、气、汽三相流场,用UDF来解算并控制导弹运动,实现了考虑自然空化和弹体多自由度运动响应的高速入水非定常流场数值 计算。多相流模型采用Mixture模型,湍流模型采用标准k-ε模型,压力速度耦合方式和离散方法分别为SIMPLE和Standard,动网格更新方 式采用Layering方式。内嵌的UDF可以实时输出弹体受力和运动参数。采用流场-弹道耦合算法数值模拟了回转体外形导弹以20°入水角入水时的高速 入水流场,分析并获得了推力对入水空泡和自然空泡的产生、变化发展过程以及弹体流体动力的影响规律。
[本文引用: 1]
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