段宇 李琪

摘 要：入水沖擊問(wèn)題一直以來(lái)是國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者研究的熱點(diǎn)問(wèn)題，入水沖擊過(guò)程中的力學(xué)響應(yīng)與空泡發(fā)展問(wèn)題是研究人員研究的重點(diǎn)，文章在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合高速攝像機(jī)對(duì)平頭、圓錐平頭、圓球頭三種不同頭型圓柱殼體入水過(guò)程中的空泡發(fā)展過(guò)程進(jìn)行了研究。

關(guān)鍵詞：入水沖擊；空泡；沖擊動(dòng)力學(xué)；高速攝像機(jī)

中圖分類(lèi)號(hào)：TB114. 2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2015）32-0061-02

1 概 述

入水沖擊現(xiàn)象存在十分普遍，大到飛船返回艙入水降落，小到打水漂的游戲，無(wú)不存在著入水沖擊問(wèn)題。入水沖擊問(wèn)題作為涉及固、液、氣三者相互耦合的一種復(fù)雜的物理過(guò)程[1]，在結(jié)構(gòu)物入水沖擊的瞬間，會(huì)導(dǎo)致周?chē)黧w介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)；反過(guò)來(lái)，流體介質(zhì)對(duì)結(jié)構(gòu)又會(huì)施加反作用力，特別是在入水沖擊初期瞬間，由于過(guò)程十分短暫，大約為毫秒量級(jí)，故結(jié)構(gòu)物會(huì)遭受巨大的沖擊載荷，這就涉及到結(jié)構(gòu)入水沖擊動(dòng)力學(xué)問(wèn)題[2]。關(guān)于這一問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者展開(kāi)了深入的研究，何春濤等[3]進(jìn)行了帶錐角頭型圓柱體垂直與傾斜入水試驗(yàn)，試驗(yàn)中使用了一套可以調(diào)整姿態(tài)的滑軌用于改變不同的入水角度釋放圓柱體，并用高速照相機(jī)捕捉了試驗(yàn)圖像，比較了2.5 m/s與50 m/s入水速度情況下，帶錐角頭型圓柱體的入水空泡發(fā)展過(guò)程，并補(bǔ)充了雙彈體同時(shí)入水試驗(yàn)，與單個(gè)試驗(yàn)物入水試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，比較其入水空泡發(fā)展過(guò)程的不同。顧建農(nóng)等[4]進(jìn)行了旋轉(zhuǎn)彈頭水平入水的試驗(yàn)研究，試驗(yàn)中使用了彈道槍進(jìn)行發(fā)射，入水速度達(dá)到 130～400 m/s的高速度，試驗(yàn)進(jìn)行了普通彈頭和圓球彈頭兩種頭型子彈的入水試驗(yàn)，比較分析了兩種子彈入水空泡發(fā)展規(guī)律的不同之處。馬慶鵬等[5]進(jìn)行了球體垂直入水試驗(yàn)，試驗(yàn)中所用球體為標(biāo)準(zhǔn)臺(tái)球，并采用自由落體的方式進(jìn)行試驗(yàn)物釋放，用高速攝像機(jī)記錄了這一試驗(yàn)過(guò)程，重點(diǎn)分析了空泡產(chǎn)生、發(fā)展、閉合和消失過(guò)程。得到了入水初始速度對(duì)于入水過(guò)程中空泡的形成具有很大的影響，如果入水初始速度小于一定值，球體入水將不能產(chǎn)生空泡的結(jié)論。張?jiān)狼嗟萚6]進(jìn)行了楔形體垂直入水試驗(yàn)，并用高速攝像機(jī)采集了入水過(guò)程的動(dòng)態(tài)圖像，重點(diǎn)考察了試驗(yàn)過(guò)程中的加速度響應(yīng)，得到了楔形體密閉空腔與加速度響應(yīng)之間的關(guān)系。

本文通過(guò)自行設(shè)計(jì)的試驗(yàn)裝置進(jìn)行了三種不同頭型的圓柱殼體的低速入水試驗(yàn)，并用高速攝像機(jī)記錄了這一過(guò)程，通過(guò)DIC（Digital Image Correlation）技術(shù)對(duì)后期圖像進(jìn)行分析，總結(jié)歸納出三種不同頭型圓柱殼體入水的空泡發(fā)展規(guī)律。

2 DIC（數(shù)字圖像相關(guān)方法）簡(jiǎn)介

數(shù)字圖像相關(guān)方法的基本原理是通過(guò)圖像配準(zhǔn)的方法處理材料或結(jié)構(gòu)變形時(shí)的圖像，從而得到變形過(guò)程的位移場(chǎng)和應(yīng)變場(chǎng)[7]。DIC（數(shù)字圖像相關(guān)方法）又稱(chēng)DSCM（數(shù)字散斑相關(guān)方法），是目前科學(xué)研究中應(yīng)用最廣泛的位移、速度和應(yīng)變測(cè)量方法，通過(guò)對(duì)比變形前后的圖像特征，基于光流法，得到物體的位移場(chǎng)和應(yīng)變場(chǎng)。一般將物體變形前的圖像作為參考圖像，變形后的圖像作為變形圖像，若在參考圖像中選?。?M+1）×（2M+1）像素大小的計(jì)算子窗口A，子窗口A的中心點(diǎn)為B；變形圖像中子窗口移動(dòng)到了A'，中心點(diǎn)為B'。假設(shè)變形前后物體表面的灰度不變或者僅是線性變化，則窗口A的灰度信息在變形圖像中是唯一存在的，在變形圖像中可以搜索到與窗口A相關(guān)系數(shù)最大的窗口A'。子窗口A中心點(diǎn)的位移為B'、B位移之差，即（u0，v0） 。窗口中任意一點(diǎn)C距離中心點(diǎn)B（？駐x，？駐y）的位移為（u（x，y），v（x，y））。其在簡(jiǎn)單應(yīng)變狀態(tài)下滿(mǎn)足：

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

可求得窗口A的應(yīng)變信息。改變子窗口選取，取遍整個(gè)圖像，即可得到整體的應(yīng)變場(chǎng)[8]。在實(shí)際操作過(guò)程中，首先在圖像中的圓柱殼體上建立散斑區(qū)，隨機(jī)布置種子點(diǎn)，首先進(jìn)行預(yù)計(jì)算，可以順利完成計(jì)算的種子點(diǎn)進(jìn)行保留，無(wú)法完成所有圖像計(jì)算的種子點(diǎn)被刪除，設(shè)置內(nèi)部參數(shù)結(jié)束后，進(jìn)行圖像全場(chǎng)位移與應(yīng)變計(jì)算分析，分析結(jié)束后，輸出所需方向的位移數(shù)據(jù)，通過(guò)計(jì)算得到試驗(yàn)所需的速度數(shù)據(jù)。

3 試驗(yàn)過(guò)程

本文試驗(yàn)在西北工業(yè)大學(xué)水動(dòng)力模型實(shí)驗(yàn)室的滑軌入水平臺(tái)上進(jìn)行，整個(gè)入水平臺(tái)由20號(hào)鋼制成，穩(wěn)定性良好，該入水平臺(tái)可以控制實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ腿胨俣龋胨壽E角度和入水姿態(tài)角度。通過(guò)調(diào)節(jié)兩個(gè)鋼架底座之間的距離，可以改變?nèi)胨壍赖母叨?，進(jìn)而改變?nèi)胨壽E角，通過(guò)調(diào)節(jié)釋放系統(tǒng)中試驗(yàn)物的姿態(tài)改變?nèi)胨淖藨B(tài)角，將高彈力壓簧以及載物滑塊串在鋼管軌道上，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)絲杠來(lái)壓縮彈簧，利用將彈簧釋放瞬間的彈性勢(shì)能轉(zhuǎn)化為載物滑塊的動(dòng)能，通過(guò)改變彈簧的壓縮量來(lái)改變結(jié)構(gòu)物入水的速度。在平臺(tái)上部放置載物滑塊，滑塊殼體中各用螺栓固定四個(gè)滑輪，與鋼管導(dǎo)軌組成滾動(dòng)摩擦，減少摩擦力以減少動(dòng)能損失，滑塊在彈簧作用下彈射，運(yùn)動(dòng)到軌道末端時(shí)，由于滑塊遮擋住光電門(mén)導(dǎo)致開(kāi)關(guān)閉合，加持結(jié)構(gòu)物的電磁鐵開(kāi)始工作，從而將滑塊上的結(jié)構(gòu)物釋放。試驗(yàn)過(guò)程中，運(yùn)用高速攝像機(jī)拍攝結(jié)構(gòu)體入水的過(guò)程，記錄入水姿態(tài)及運(yùn)動(dòng)過(guò)程。試驗(yàn)中所用的水箱由玻璃鋼制成，長(zhǎng)3 m，寬1 m，高1 m，壁厚0.2 m，試驗(yàn)所用圓柱殼體長(zhǎng)45 mm，直徑45 mm，壁厚5 mm。材質(zhì)均為鋁。試驗(yàn)中所使用的高速攝像機(jī)是由Vision Research公司生產(chǎn)的Phantom-v711產(chǎn)品，為了獲得高質(zhì)量的圖像，需要合理選取攝影過(guò)程中的時(shí)間和空間分辨率，本文選取1 000幀/s的拍攝速度以及1 280×800像素分辨率。由于沖擊動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)過(guò)程歷時(shí)十分短暫，拍攝過(guò)程中需保證曝光時(shí)間極短，則必須以強(qiáng)光源照射，本文選用了2個(gè)型號(hào)為AFT-HLS100W的LED光源燈作為輔助光源進(jìn)行照射。

4 試驗(yàn)結(jié)果

從高速攝像機(jī)記錄的試驗(yàn)圖像中可以看出：①平頭圓柱殼體和圓錐平頭圓柱殼體入水后速度明顯小于圓球頭圓柱殼體，即二者入水后，液體介質(zhì)對(duì)于其的阻力大于圓球頭圓柱殼體，致使其具有較大的與運(yùn)動(dòng)方向相反的加速度。②平頭圓柱殼體入水后出現(xiàn)翻滾現(xiàn)象，圓錐平頭圓柱殼體也存在此現(xiàn)象，但是較平頭圓柱殼體緩和，而圓球頭圓柱殼體則是直接徑直入水。這是由于前兩種頭型圓柱殼體所受阻力較大，且受力不均勻，導(dǎo)致其運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生改變，而圓球頭圓柱殼體頭部較為光滑，水體對(duì)其作用力基本均沿其法線方向指向頭部球心，故其運(yùn)動(dòng)方向并未發(fā)生改變，僅僅是速度降低。③平頭圓柱殼體入水后濺起水花很大，且入水后形成的空泡軌跡很長(zhǎng)，圓錐平頭圓柱殼體入水后激起水花大小介于平頭圓柱殼體和圓球頭圓柱殼體之間，空泡軌跡較長(zhǎng)，圓球頭圓柱殼體入水后濺起水花較小，入水后形成的空泡軌跡較短，且軌跡基本成一條直線。

5 結(jié) 論

①進(jìn)行了平頭、圓錐平頭、圓球頭三種不同頭型的圓柱殼體入水試驗(yàn)，并通過(guò)高速攝像機(jī)記錄了入水過(guò)程中的空泡發(fā)展歷程。②通過(guò)DIC（數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)）得到了試驗(yàn)物入水的速度和加速度變化。③通過(guò)試驗(yàn)圖像得出了三種不同頭型的圓柱殼體入水空泡發(fā)展規(guī)律，從圖像可以看出，平頭圓柱殼體在入水后所受的阻力最大，速度下降最快，且空泡軌跡最長(zhǎng)，圓錐平頭圓柱殼體次之，圓球頭圓柱殼體入水后受到水的阻力最小，運(yùn)動(dòng)方向基本不變，空泡發(fā)展軌跡基本成一條直線。

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