趙蛟龍,郭百森,孫龍泉,姚熊亮

(1.哈爾濱工程大學(xué)船舶工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001；2.北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076)

細(xì)長體傾斜出水的實驗研究

趙蛟龍1,郭百森2,孫龍泉1,姚熊亮1

(1.哈爾濱工程大學(xué)船舶工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001；2.北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076)

為了獲得細(xì)長體傾斜出水空泡生成、發(fā)展及潰滅過程，基于高速攝像系統(tǒng)對細(xì)長體小傾角傾斜出水過程進(jìn)行了實驗研究。通過對比細(xì)長體垂直及傾斜帶泡出水過程，分析了傾斜出水過程中體現(xiàn)出的新特征及其影響因素。在此基礎(chǔ)上，對不同初始傾角及細(xì)長體頭型對出水軌跡及姿態(tài)的影響規(guī)律進(jìn)行了實驗研究：細(xì)長體姿態(tài)及軌跡變化與其初始傾角并非線性相關(guān)，與肩空泡的閉合位置密切相關(guān)；細(xì)長體頭型變鈍，其水下運動過程穩(wěn)定性增加。

流體力學(xué)；傾斜出水；高速攝像；細(xì)長體；空泡動態(tài)特性；初始傾角；頭型

物體的出水問題廣泛存在于許多工程領(lǐng)域，也一直是流體力學(xué)研究領(lǐng)域的熱點。但因其處于氣、固、液三相交界處，受表面張力、重力、空泡、可壓縮性等多種因素的作用，該問題十分復(fù)雜。關(guān)于求解該問題的物理及數(shù)學(xué)模型均十分復(fù)雜，因此也對該問題開展了大量的數(shù)值模擬和實驗研究。Y.Saito等[1]對圓柱體周圍的空泡生成及對結(jié)構(gòu)的潰滅過程進(jìn)行了實驗研究。P.Y.Liju等[2]運用實驗及BEM方法，對圓柱體以定速穿越水面過程進(jìn)行了研究。T.Sakai等[3]、T.H.Havelock[4]、J.P.Moran[5]均基于一定假設(shè)，對自由液面附近的物體運動進(jìn)行了理論研究，取得了一些很有價值的結(jié)論。T.G.Telste[6]、M.Greenhow等[7-8]針對水平圓柱的出水及入水問題及自由液面的非線性效應(yīng)，進(jìn)行了一系列實驗及理論研究。王一偉等[9]利用FLUENT軟件對航行體的全出水過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到了細(xì)長體周圍空泡形成、發(fā)展及潰滅的演化過程。陳瑋琪等[10-11]基于獨立膨脹理論，建立了物體出入水過程中的非定常空泡形態(tài)計算方法，并與實驗結(jié)果對比，驗證了方法的有效性。羅金玲等[12]分析了3種典型頭形的導(dǎo)彈出水過程中空泡潰滅對彈體的影響。張軍等[13]對鈍頭回轉(zhuǎn)體垂直及傾斜無泡出水的周圍流場進(jìn)行了PIV流場測量。T.T.Truscott[14]基于高速攝像技術(shù)，研究了射彈表面空泡形成機理，并分析了它與初始速度、幾何形狀和攻角的關(guān)系。魏海鵬等[15]、魏英杰等[16]對重力場中潛射導(dǎo)彈垂直發(fā)射過程的空泡流動進(jìn)行了研究。F.Petitpas等[17]對潛射導(dǎo)彈水下高速運動周圍的空化流場進(jìn)行了研究。張忠宇等[18]對小攻角條件下細(xì)長體定常空化形態(tài)進(jìn)行了計算,系統(tǒng)研究了空化數(shù)、頭型、攻角對空泡形態(tài)的影響。同時利用高速攝像機進(jìn)行氣泡類問題的機理性研究也已得到廣泛應(yīng)用，張阿漫等[19]、王詩平等[20]基于高速攝像技術(shù)，對單個/多個氣泡在各類邊界條件下的動力學(xué)特性進(jìn)行了系統(tǒng)的實驗研究，發(fā)現(xiàn)了一系列新的現(xiàn)象。但對出水過程的細(xì)長體空泡流的實驗研究未見出現(xiàn)。由于重力場作用，細(xì)長體、空泡、自由液面之間相互作用的機理十分復(fù)雜，相關(guān)的數(shù)值研究均采取了相應(yīng)的簡化處理，對整個過程進(jìn)行相關(guān)實驗研究具有十分重要的工程價值。

本文中，基于高速攝影技術(shù)對細(xì)長體傾斜出水過程進(jìn)行實驗研究，以獲得與細(xì)長體垂直過程不同的空泡生成、發(fā)展、潰滅等運動動態(tài)特性。同時通過實驗對比，分析初始傾角及細(xì)長體頭型對細(xì)長體傾斜出水運動動態(tài)特性及空泡運動過程的影響；得到具體的細(xì)長體小傾角傾斜出水過程的實驗數(shù)據(jù)，通過分析實驗結(jié)果得到一些規(guī)律，以期為細(xì)長體出水過程研究提供參考。

1 實驗原理

圖1 實驗裝置圖Fig.1 Experimental setup

實驗設(shè)備由4部分構(gòu)成：實驗水箱箱體及發(fā)射筒、重力彈射裝置、高速攝像及分析系統(tǒng)、照明系統(tǒng)，如圖1所示。高速攝像及分析系統(tǒng)為PhantomV12.1，可進(jìn)行拍攝速率為103s-1的拍攝及數(shù)據(jù)分析；發(fā)射水箱為60 cm×60 cm×60 cm的不銹鋼方形體，箱體兩側(cè)各開尺寸為20 cm×30 cm的觀察窗，用來進(jìn)行照明及攝像，觀察窗材質(zhì)為厚5 mm的透明有機玻璃板，光源側(cè)有機玻璃板外布置一個相同大小的毛玻璃，以獲得平行光源。水箱支撐架材料為方形鋁型材，整個支架尺寸為59 cm×59 cm×65 cm。

發(fā)射箱底部為發(fā)射筒，發(fā)射筒直徑略大于模型直徑。發(fā)射筒底部為一個可上下運動的撐桿。動力球從A處運動至B處，撞擊撐桿末端，撐桿向上運動給予細(xì)長體初始運動速度，向上運動沖破發(fā)射筒口鋁箔，完成整個發(fā)射過程。細(xì)長體發(fā)射過程為干發(fā)射。發(fā)射水箱內(nèi)水來源為自然水源，靜置48 h，并用明礬去除水中雜質(zhì)氣體后進(jìn)行實驗。

通過控制撞錘的初始位置可改變細(xì)長體的發(fā)射速度，通過在撐桿頂端安置不同傾角的斜圓柱控制傾斜發(fā)射的角度。

2 工況設(shè)置

圖2 細(xì)長體出水示意圖Fig.2 Water-exit of slender body

采用單一變量法，控制初始傾角、初始速度、不同頭型為單一變量，對整個出水過程中空泡的發(fā)展過程進(jìn)行研究。由于動力源與摩擦等損耗的不確定性，細(xì)長體的初始速度并不能絕對定量控制。但本文中對機理類問題進(jìn)行探究，定性控制變量即能得到出水過程中空泡的動力特性變化規(guī)律，因此利用本裝置開展細(xì)長體傾斜出水的實驗研究。

如圖2所示，初始條件下發(fā)射筒頂部距水面20 cm，初始時刻釋放發(fā)射錘，發(fā)射錘撞擊撐桿細(xì)長體向上運動，細(xì)長體開始運動，頭部出筒時刻細(xì)長體頭部沿z向的速度為初始速度v0，通過改變發(fā)射錘的初始位置控制細(xì)長體的初始發(fā)射速度。在A處細(xì)長體完全出筒，此時的細(xì)長體軸線方向與z向夾角為初始俯仰角；在C處細(xì)長體完全出水，選取此時的細(xì)長體軸線方向與z向夾角為出水俯仰角。細(xì)長體從初始運動開始到位置C處，為整個運動過程。

針對定水深條件下細(xì)長體出水過程進(jìn)行研究，3種細(xì)長體模型如圖2所示，3種模型長度為12 cm、半徑為1 cm，自上而下3種模型的頭型的剖面傾角分別為90°、120°、180°。

3 結(jié)果及分析

3.1 細(xì)長體傾斜出水現(xiàn)象及空泡形態(tài)

豎直圓柱傾斜出水過程表現(xiàn)出與垂直出水不同的現(xiàn)象，為展現(xiàn)整個過程中的不同特點，圖3給出了相同水深、相同初始速度條件下，豎直出水與傾斜出水下的出水過程。

如圖3(a)所示，細(xì)長體的垂直出水過程中在肩部與尾部均產(chǎn)生隨體空泡，肩部空泡與尾部空泡在細(xì)長體整個水下運動過程中不斷發(fā)展，同時尾空泡有明顯的脫落現(xiàn)象。在40 ms時，肩空泡的后部存在一個透光度度較低的區(qū)域，由肩空泡尾部的回射流對泡體的沖擊造成。

在61 ms時可明顯看出，細(xì)長體后部形成類似尾跡的球形空泡。在細(xì)長體上升過程中流場靜壓力變小，氣泡內(nèi)部氣體外泄使泡內(nèi)壓力變小，氣泡壁在周圍流場靜壓作用下重新閉合。在細(xì)長體水下運動過程中，上述過程不斷發(fā)生，形成周期性的外泄-閉合-外泄-閉合的脈動過程，整個脈動外泄過程將在尾空泡后部流體中形成一連串小氣泡尾跡現(xiàn)象。這個現(xiàn)象在物體入水過程中已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)存在[10-21]，本文中證明在細(xì)長體帶泡出水過程中也存在類似的現(xiàn)象。

細(xì)長體穿越水面過程中，肩空泡與大氣聯(lián)通，空泡潰滅產(chǎn)生的射流沖擊細(xì)長體表面，加劇了空泡的潰滅過程，產(chǎn)生劇烈的噴濺現(xiàn)象，水珠噴濺速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于細(xì)長體運動速度。姿態(tài)并未產(chǎn)生明顯的變化，這說明垂直出水過程中細(xì)長體周向所受載荷并沒有明顯的差別。但潰滅載荷可能會對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞，在結(jié)構(gòu)設(shè)計中需對出水過程特別注意。

如圖3(b)所示，細(xì)長體傾斜出水過程與垂直出水過程相比，空泡發(fā)展過程明顯不同。為方便分析，規(guī)定傾斜出水過程的細(xì)長體距水面較遠(yuǎn)一側(cè)為背流面(上圖中為細(xì)長體右側(cè))，另一側(cè)為迎流面。

細(xì)長體傾斜水下運動過程中，肩空泡產(chǎn)生時即有明顯的左右不對稱現(xiàn)象，迎、背流面空泡長度與厚度差距均顯著增大，同時肩空泡背流面長度明顯增長。隨著細(xì)長體向上運動，肩空泡的不對稱性越來越明顯。與垂直出水過程相比，背流面的肩空泡體現(xiàn)出更明顯的脫落特性，迎流面空泡形態(tài)則較穩(wěn)定。肩空泡脫落的氣團(tuán)向下運動，對尾空泡的形態(tài)產(chǎn)生影響，背流面的尾空泡形狀產(chǎn)生明顯的畸變，空泡附近的流動情況更復(fù)雜，尾空泡后部不再形成清晰的球形空泡尾跡現(xiàn)象。尾空泡軸向與細(xì)長體軸向方向相同，未有偏角。

圖3 細(xì)長體垂直和傾斜出水過程的形態(tài)Fig.3 Dynamic features of vertical and oblique water-exit of slender body

細(xì)長體傾斜穿越水面過程也表現(xiàn)出與垂直出水不同的特征，自由液面噴濺高度比垂直出水高，背流面空泡潰滅強度比迎流面略強，細(xì)長體的出水姿態(tài)有明顯的改變。細(xì)長體出水過程中噴濺的水花高度更高。細(xì)長體俯仰角從完全出筒時的4.65°增加至出水時的10.97°。圖4為細(xì)長體垂向速度變化曲線。

由圖4可以看出，隨著水深的減小，細(xì)長體所受阻力逐漸減小，減速運動的加速度逐漸減小。相比垂直出水，細(xì)長體傾斜出水狀態(tài)下速度下降較快。初始傾角會對細(xì)長體的整個水下運動過程產(chǎn)生明顯的影響。

圖4 垂直和傾斜與出水過程的速度Fig.4 Velocities of vertical and oblique water-exit of slender body

3.2 初始傾角對空泡形態(tài)的影響

在相同初始速度的條件下，改變細(xì)長體的初始傾角，對細(xì)長體的傾斜出水過程進(jìn)行實驗研究。實驗結(jié)果見表1，其中σ為空泡數(shù)。圖5為不同傾角下細(xì)長體出水過程。

由圖5可知，不同初始傾角對細(xì)長體出水過程存在影響。在整個細(xì)長體水下運動過程中，隨著初始傾角的增大，肩空泡的迎、背流面的長度差從0.81 cm(α=3.4°)增加到0.86 cm(α=4.65°)，最后增加到1.1 cm(α=7.32°)。細(xì)長體肩部空泡不對稱性加劇，背流面出現(xiàn)空泡脫落現(xiàn)象的時間也有所提前，當(dāng)α=7.32°、v=6.19 m/s時，細(xì)長體出筒初期肩空泡即發(fā)生明顯的片狀脫落現(xiàn)象。隨著細(xì)長體初始傾角增大，尾泡的長度從3.1 cm增加到6.1 cm，半徑呈現(xiàn)出先增大后減小的變化過程。

表1 不同初始傾角細(xì)長體傾斜出水過程的傾角Table 1 Inclination angle of oblique water-exit of slender body at different initial inclination angles

圖5 不同傾角下細(xì)長體傾斜出水過程的形態(tài)Fig.5 Dynamic features of oblique water-exit of slender body at different initial inclination angles

初始傾角對細(xì)長體空泡的形狀也產(chǎn)生影響，以具有清晰邊界的細(xì)長體肩空泡迎流面的長度作為比較對象，隨著初始傾角的增加，空泡迎流面的長度有所減小。細(xì)長體穿越水面過程中，初始傾角增大，空泡潰滅射流不對稱性變得更加劇烈，當(dāng)α=7.32°、v=6.19 m/s時，細(xì)長體迎流面已經(jīng)沒有明顯的潰滅沖擊射流，相對應(yīng)背流面的沖擊區(qū)域與強度均有所增加。由于空泡潰滅過程會產(chǎn)生一個瞬時的高壓，這種壓力作用在細(xì)長體表面可能破壞了結(jié)構(gòu)?？张莸拈L度及射流的分布區(qū)域，直接決定了承受沖擊載荷的結(jié)構(gòu)位置，在細(xì)長體結(jié)構(gòu)強度設(shè)計過程中需考慮初始傾角的影響。

圖6～7給出了不同初始傾角下的細(xì)長體出水過程速度及水下運動軌跡變化曲線。

由圖6可知，細(xì)長體速度變化趨勢相似，隨著初始傾角的增加，細(xì)長體垂向所受的阻力逐漸增加。肩部空泡在水平方向的剖面面積增大，使細(xì)長體的垂直運動方向所受阻力增加。

由圖7可得，垂向位移在100 mm范圍內(nèi)，細(xì)長體運動軌跡變化趨勢比較陡峭，這是細(xì)長體受到發(fā)射筒的約束，導(dǎo)致在橫向位移小。α=4.65°的橫向位移比α=7.32°的大，初始運動速度對軌跡有一定的影響，同時由于運動軌跡為細(xì)長體頭部的位移，受到細(xì)長體轉(zhuǎn)動的影響。當(dāng)α=4.65°時，出水細(xì)長體俯仰角αf=10.97°，當(dāng)α=7.32°時，αf=10.20°，前者的細(xì)長體轉(zhuǎn)動速度為后者的2.2倍；當(dāng)α=3.40°時，αf=4.09°，轉(zhuǎn)動速度對頭部軌跡影響不大。在平動與轉(zhuǎn)動的綜合影響下，造成了上述情況。初始傾斜角度影響細(xì)長體周圍空泡的發(fā)展過程，最終影響細(xì)長體的平動速度與旋轉(zhuǎn)速度：細(xì)長體的初始傾角增大，垂向減速運動加速度增大；但對細(xì)長體旋轉(zhuǎn)角速度變化的影響并不是線性的。尾空泡的一部分跟隨細(xì)長體通過水氣交界面，出水后劇烈的潰滅，潰滅沖擊造成細(xì)長體的頭部運動軌跡存在一個明顯的回轉(zhuǎn)。

圖6 不同初始傾角出水過程的速度Fig.6 Velocities of oblique water-exit of slender body at different initial inclination angles

圖7 不同初始傾角出水過程頭部運動軌跡Fig.7 Trajectory of oblique water-exit of slender body at different initial inclination angles

3.3 頭部形狀對空泡形態(tài)的影響

細(xì)長體頭部形狀對細(xì)長體周圍流體的擾動，會對整個細(xì)長體的整個出水過程造成影響，本節(jié)中主要探究細(xì)長體頭部形狀對細(xì)長體空化出水的影響規(guī)律。圖8為不同頭型細(xì)長體出水過程。

由圖8可知，隨著細(xì)長體頭型變鈍，細(xì)長體肩部空泡的初始均勻度提高。與其他頭型出水過程相比，180°頭型下的細(xì)長體肩部空泡在形成初期迎、背流面尺寸相當(dāng)，未見明顯區(qū)別，肩空泡繼續(xù)發(fā)展后尾部發(fā)生大片脫落，表面產(chǎn)生明顯的褶皺現(xiàn)象，穿越水面過程水花噴濺高度下降，說明空泡潰滅強度下降。

圖9～10給出了不同頭型下的細(xì)長體出水過程速度及水下運動軌跡變化曲線。

由圖9可知，初始傾角相同的情況下，細(xì)長體頭型越鈍，整個水下運動過程中速度變化越快，說明其受到的阻力越大。

由圖10可知，從細(xì)長體的頭部運動軌跡可以看出，在細(xì)長體穿越水面過程中，其運動軌跡存在明顯的變化，這是由于空泡潰滅沖擊力引起的。這種突變的趨勢隨著細(xì)長體頭部形狀的變鈍而變得舒緩。同時與圖7中α=4.65°比較，細(xì)長體初始速度增大，細(xì)長體肩部空泡長度變長，閉合位置靠后距離重心距離增加，空泡末端的回射流造成細(xì)長體發(fā)生更明顯的偏轉(zhuǎn)，初始速度的增大使細(xì)長體橫向位移變大，水下運動軌跡變化劇烈。

由表2可知，初始傾角相同的情況下，細(xì)長體頭型越鈍，整個水下運動過程中旋轉(zhuǎn)角速度越小，即運動穩(wěn)定性越好，這種特性在超空泡領(lǐng)域也得到了應(yīng)用。頭型與圓盤空化器的機理相同，細(xì)長體頭部可形成穩(wěn)定的空泡，細(xì)長體的速度繼續(xù)增大即可形成覆蓋整個物體的超空泡，超空泡的產(chǎn)生可明顯減小航行體水下運動過程所受的阻力。但同時，細(xì)長體頭部變鈍，其整個水下運動過程中頭部的水動力狀況惡化，因此在細(xì)長體頭型設(shè)計中，需要根據(jù)實際工程需要，綜合權(quán)衡確定最優(yōu)形式。

圖8 不同頭型下細(xì)長體傾斜出水過程的形態(tài)Fig.8 Dynamic features of oblique water-exit of slender bodies with different head shapes

圖9 不同頭型出水過程的速度Fig.9 Velocities of oblique water-exit of slender bodies with different head shapes

圖10 不同頭型出水過程頭部運動軌跡Fig.10 Trajectory of oblique water-exit of slender bodies with different head shapes

表2 不同頭型細(xì)長體傾斜出水過程的傾角Table 2 Inclination angles of oblique water-exit of slender bodies with different head shapes

4 結(jié) 論

對細(xì)長體傾斜出水過程的動力學(xué)過程進(jìn)行了實驗研究，揭示了細(xì)長體傾斜出水過程中的局部空泡生長機理及發(fā)展變化特性。通過對實驗結(jié)果的分析，得到如下結(jié)論。

(1)細(xì)長體水下運動過程中，隨著周圍壓力與尾空泡內(nèi)部壓力的不斷變化，尾泡表現(xiàn)出周期性的外泄-閉合-外泄-閉合的脈動過程，整個脈動外泄過程將在尾空泡后部流體中形成一連串小氣泡尾跡現(xiàn)象。

(2)傾斜出水過程中，細(xì)長體所受阻力比垂直出水的大?？张莸纳L及潰滅均呈現(xiàn)出不對稱特征，這個情況的出現(xiàn)將極大改變細(xì)長體的出水姿態(tài)及軌跡。

(3)細(xì)長體傾斜出水過程中，隨著初始傾角的增加，空泡形態(tài)不對稱性及潰滅沖擊載荷均呈增大趨勢；細(xì)長體的旋轉(zhuǎn)角速度及出水軌跡并非呈現(xiàn)線性變化，與細(xì)長體空泡閉合的位置有一定的關(guān)系。

(4)細(xì)長體頭型變鈍，細(xì)長體所受阻力增加，其周圍形成的空泡對稱性增強，同時其潰滅強度均有所減弱，這對細(xì)長體出水過程彈道穩(wěn)定性有利。

[1] Saito Y, Sato K. Cavitation bubble collapse and impact in the wake of a circular cylinder[C]∥Proceeding of the Fifth International Symposium on Cavitation (CAV2003). Osaka, Japan, 2003:1-6.

[2] Liju P Y, Machane R, Cartellier A. Surge effect during the water exit of an axisymmetric body traveling normal to a plane interface: Experiments and BEM simulation[J]. Experiments in Fluids, 2001,31(3):241-248.

[3] Sakai T, Husimi Y, Hatoyama M. On the resistance experienced by a body moving in an incompressible perfect fluid towards its surface[J]. Proceeding Report Society, Japan, 1933,15:4-11.

[4] Havelock T H. The wave resistance of a cylinder started from rest[J]. The quarterly Journal of Mechanics and Applied Mathematics, 1949,2(3):325-334.

[5] Moran J P. The vertical water-exit and water-entry of slender symmetric bodies[J]. Journal of the Aerospace Sciences, 1961,28(10):803-812.

[6] Telste J G. Inviscid flow about a cylinder rising to a free-surface[J]. Journal of Fluid Mechanics, 1987,182:149-168.

[7] Greenhow M, Lin W M. Nonlinear-free surface effects: Experiments and theory[R]. Cambridge, Massachusetts: Department of Ocean Engineering, Massachusetts Institute of Technology, 1983.

[8] Greenhow M. Water-entry and -exit of a horizontal circular cylinder[J]. Apply Ocean Research, 1988,10(4):191-198.

[9] 王一偉，黃晨光，杜特專，等.航行體垂直出水載荷與空泡潰滅機理分析[J].力學(xué)學(xué)報，2012，44(1)：39-48. Wang Yiwei, Huang Chenguang, Du Tezhuan, et al. Mechanism analysis about cavitation collapse load of underwater vehicles in a vertical launching process[J]. Chinese Journal of Theoretical and Aplied Mechanics, 2012,44(1):39-48.

[10] 陳瑋琪，王寶壽，顏開，等.空化器出水非定常垂直空泡的研究[J].力學(xué)學(xué)報，2013，45(1)：76-82. Chen Weiqi, Wang Baoshou, Yan Kai, et al. Study on the unsteady vertical cavity of the exit-water cavitor[J]. Chinese Journal of Theoretical and Applied Mechanics, 2013,45(1):76-82.

[11] 陳瑋琪，王寶壽，顏開，等.物體垂直出入水的非定?？张輸?shù)學(xué)模型[J].應(yīng)用數(shù)學(xué)與力學(xué)，2013，34(11)：1130-1140. Chen Weiqi, Wang Baoshou, Yan Kai, et al. Model of the unsteady vertical water-entry and water-exit cavities[J]. Applied Mathematics and Mechanics, 2013,34(11):1130-1140.

[12] 羅金玲，何海波．潛射導(dǎo)彈的空化特性研究[J]．戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈技術(shù)，2004(3)：14-17. Luo Jinling, He Haibo. Research on cavitation for under-water launching missile[J]. Tactical Missile Technology, 2004(3):14-17.

[13] 張軍，李英浩，金朋壽.垂直及斜出水流場的二維及三維TR-PIV試驗[J].船舶力學(xué)，2005，9(2)：9-17. Zhang Jun, Lee Y H, Kim B S. 2D and 3D time-resolved PIV experiments on flow field around vertical and inclined water-exit body[J]. Journal of Ship Mechanics, 2005,9(2):9-17.

[14] Truscott T T. Cavity dynamics of water entry for spheres and ballistic projectiles[D]. Massachusetts: Massachusetts Institute of Technology, 2009.

[15] 魏海鵬,郭鳳美,權(quán)曉波.潛射導(dǎo)彈表面空化特性研究[J].宇航學(xué)報，2007,28(6)：1506-1509. Wei Haipeng, Guo Fengmei, Quan Xiaobo. Research on cavitation of submarine launched missile’s surface[J]. Journal of Astronautics, 2007,28(6):1506-1509.

[16] 魏英杰,閔景新,王聰,等.潛射導(dǎo)彈垂直發(fā)射過程空化特性研究[J].工程力學(xué),2009,26(7):251-256. Wei Yingjie, Min Jingxin, Wang Cong, et al. Research on cavitation of vertical launch submarine missile[J]. Engineering Mechanics, 2009,26(7):251-256.

[17] Petitpas F, Massoni A, Saurel R. Diffuse interface model for high speed cavitating underwater systems[J]. International Journal of Multiphase Flow, 2009,35(8):747-759.

[18] 張忠宇,姚熊亮,張阿漫.小攻角下三維細(xì)長體定?？栈螒B(tài)研究[J].物理學(xué)報,2013,62(20):204701. Zhang Zhongyu, Yao Xiongliang, Zhang Aman. Cavitation shape of the three-dimensional slender at a small attack angle in a steady flow[J]. Acta Physica Sinica, 2013,60(20):204710.

[19] 張阿漫,王詩平,白兆宏,等.不同環(huán)境下氣泡脈動特性實驗研究[J].力學(xué)學(xué)報,2011,43(1):71-83. Zhang Aman, Wang Shiping, Bai Zhaohong, et al. Experimental study on bubble pulse features under different circumstances [J]. Chinese Journal of Theoretical and Applied Mechanics, 2011,43(1):71-83.

[20] 王詩平,張阿漫,劉云龍,等.圓形破口附近氣泡動態(tài)特性實驗研究[J].物理學(xué)報,2013,62(6):064703. Wang Shiping, Zhang Aman, Liu Yunlong, et al. Experimental research on bubble dynamics near circular hole of plate[J]. Acta Physica Sinica, 2013,62(6):064703.

[21] 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)：134701. He Chuntao, Wang Cong, He Qiankun, et al. Low speed water-entry of cylindrical projectile[J]. Acta Physica Sinica, 2012,61(13):134701.

(責(zé)任編輯 丁 峰)

Experimental study on oblique water-exit of slender bodies

Zhao Jiaolong1, Guo Baisen2, Sun Longquan1, Yao Xiongliang1

(1.CollegeofShipbuildingEngineering,HarbinEngineeringUniversity,Harbin150001,Heilongjiang,China;2.BeijingInstituteofAstronauticsSystemEngineering,Beijing100076,China)

Experimental studies of the oblique water-exit of slender bodies are conducted using high-speed camera technology to capture the whole process for exploring the mechanism of the formation, development and collapse of the cavity and examining the factors that affect the cavity evolution. By comparing the process of the vertical and oblique water-exit of slender bodies, this paper analyzes how the initial inclination angle bear on the cavity evolution and the new features that are found during the formation, development and pinch-off of the cavity. The dependence of the slender body’s water-exit trajectory and posture on the initial inclination angle and head shape is also discussed, illustrating that the trajectory and posture have a nonlinear relationship with the initial inclination angle, but are closely relevant to the shoulder cavity’s closed position. The blunt head shape will increase the stability of the cavity and change the dynamics of the body.

fluid mechanics; oblique water-exit; high-speed camera technology; slender body; cavity dynamic characteristic; initial inclination angle; head shape

10.11883/1001-1455(2016)01-0113-08

2014-06-09； < class="emphasis_bold">修回日期：2014-09-03

2014-09-03

國家自然科學(xué)基金項目(51279038);黑龍江省博士后科研啟動基金項目(LBH-Q11136)

趙蛟龍(1989— )，男，博士研究生;

孫龍泉,zhaojiaolong039@sina.com。

O352;O359 <國標(biāo)學(xué)科代碼：1302514 class="emphasis_bold"> 國標(biāo)學(xué)科代碼：1302514 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A國標(biāo)學(xué)科代碼：1302514

A