趙成功，王 聰，魏英杰，張孝石

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)航天學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

細(xì)長(zhǎng)體水下運(yùn)動(dòng)空化流場(chǎng)及彈道特性實(shí)驗(yàn)*

趙成功，王 聰，魏英杰，張孝石

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)航天學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

為了研究細(xì)長(zhǎng)體水下高速運(yùn)動(dòng)時(shí)空泡的產(chǎn)生、閉合及脫落特性，及影響細(xì)長(zhǎng)體空泡形態(tài)及彈道特性的復(fù)雜因素等，初步開(kāi)展了細(xì)長(zhǎng)體模型水下高速運(yùn)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)研究，分析了不同初始空化數(shù)下細(xì)長(zhǎng)體模型在水中高速運(yùn)動(dòng)的一系列流動(dòng)現(xiàn)象，重點(diǎn)研究了空泡的發(fā)展、閉合、尾部回射流和尾部脫落特性，以及軸對(duì)稱細(xì)長(zhǎng)體模型彈道特性與空泡形態(tài)變化之間的關(guān)系和轉(zhuǎn)動(dòng)特性隨時(shí)間的變化歷程等。結(jié)果表明：細(xì)長(zhǎng)體水下高速運(yùn)動(dòng)時(shí)形成超空泡，空泡頭部光滑透明，尾部凝結(jié)有汽水混合物且有交替脫落的含氣漩渦；初始空化數(shù)對(duì)細(xì)長(zhǎng)體的速度衰減有所影響；受初始擾動(dòng)影響，細(xì)長(zhǎng)體水下運(yùn)動(dòng)伴隨有繞頭部的轉(zhuǎn)動(dòng)且初始擾動(dòng)影響細(xì)長(zhǎng)體俯仰角隨時(shí)間的變化歷程。

多相流；汽化；湍流；細(xì)長(zhǎng)體；空泡

細(xì)長(zhǎng)體在水下高速運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)伴隨一系列復(fù)雜的流動(dòng)現(xiàn)象，其表面附近的水會(huì)因低壓而發(fā)生空化現(xiàn)象，當(dāng)速度足夠高時(shí)就會(huì)形成完全包裹細(xì)長(zhǎng)體的超空泡。超空泡的形成使細(xì)長(zhǎng)體在水下運(yùn)動(dòng)時(shí)的阻力明顯減小，從而可大幅度提高細(xì)長(zhǎng)體的水下運(yùn)動(dòng)速度[2]。物體在水下高速運(yùn)動(dòng)時(shí)空泡的存在對(duì)物體的流體動(dòng)力特性、結(jié)構(gòu)本身和彈道穩(wěn)定性等都有重要影響[2]，且由于空泡的存在導(dǎo)致的流體動(dòng)力特性與通常的水下運(yùn)動(dòng)體的流體動(dòng)力特性不同，需要深入研究。

P.R.Garabedian[3]等開(kāi)展了軸對(duì)稱空泡的理論計(jì)算工作；R.Rand等[4]、S.S.Kulkarni等[5]開(kāi)展了水下超空泡射彈的沖擊動(dòng)力學(xué)問(wèn)題計(jì)算；A.D.Vasin等[6]對(duì)亞聲速可壓縮流動(dòng)中圓盤(pán)空化器產(chǎn)生的軸對(duì)稱空泡開(kāi)展了計(jì)算研究；A.May等[7]將研究焦點(diǎn)集中于物體入水時(shí)的空泡變化過(guò)程和影響因素的實(shí)驗(yàn)與理論計(jì)算；M.Ruzzene等[8]研究過(guò)水下射彈的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等相關(guān)問(wèn)題。何春濤等[9]開(kāi)展了入水空泡特性的試驗(yàn)研究；熊天紅等[10]對(duì)水下超空泡射彈的空泡形態(tài)開(kāi)展了數(shù)值研究；楊傳武等[11]研究了超空泡水下航行體的動(dòng)力學(xué)性能；張志宏等[12]研究了水下亞音速細(xì)長(zhǎng)錐形射彈超空泡形態(tài)的計(jì)算方法和壓縮性對(duì)超空化流動(dòng)的影響。近年來(lái)，隨著高速攝像技術(shù)的飛速發(fā)展，采用高速攝像的試驗(yàn)手段為水下運(yùn)動(dòng)物體的流場(chǎng)特性研究和彈道特性研究提供了更加有效的方法和途徑，包括研究汽油噴濺燃燒、入水現(xiàn)象和超空泡流動(dòng)等。在超空泡研究方面，J.D.Hrubes[13]運(yùn)用高速攝像試驗(yàn)技術(shù)初步研究了水下運(yùn)動(dòng)體的空泡形態(tài)特性；P.Fabien等[14]等通過(guò)高速攝像試驗(yàn)技術(shù)初步開(kāi)展了球形彈丸水下運(yùn)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)研究。

本文中針對(duì)細(xì)長(zhǎng)體模型開(kāi)展水下運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)研究，重點(diǎn)研究空泡的形態(tài)發(fā)展、尾部閉合和脫落特性等；分析不同初始空化數(shù)下細(xì)長(zhǎng)體模型的彈道特性、空泡形態(tài)及轉(zhuǎn)動(dòng)特性隨時(shí)間的變化歷程。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及模型參數(shù)

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

軸對(duì)稱細(xì)長(zhǎng)體水下運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示，主要包括發(fā)射系統(tǒng)、開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)水槽、保護(hù)和回收系統(tǒng)以及外部測(cè)試系統(tǒng)。其中，開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)水槽尺寸為1.2 m×1.2 m×10 m，頂部開(kāi)口，兩側(cè)采用較高強(qiáng)度的鋼化玻璃，底部和其余側(cè)壁由鋼板及相應(yīng)支架組成；發(fā)射系統(tǒng)主要包括高壓氣瓶、輕氣炮、發(fā)射管、高壓管路系統(tǒng)及觸發(fā)開(kāi)關(guān)；保護(hù)及回收系統(tǒng)包括多層鋼絲網(wǎng)和回收池等；外部測(cè)試系統(tǒng)包括高速攝像系統(tǒng)、照明系統(tǒng)及炮口激光測(cè)速系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及細(xì)長(zhǎng)體模型實(shí)物見(jiàn)圖2所示。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中采用自來(lái)水水源，水深1. 1 m，水溫11 ℃，為了保持清澈的水質(zhì)以使拍攝效果較好，實(shí)驗(yàn)前對(duì)水槽進(jìn)行清潔處理。

圖1 細(xì)長(zhǎng)體水下運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic of experimental facility of slender body underwater movement

圖2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及細(xì)長(zhǎng)體Fig.2 Experimental facility and slender body

1.2 測(cè)試系統(tǒng)

圖3 測(cè)試系統(tǒng)示意圖Fig.3 Schematic of measurement

細(xì)長(zhǎng)體水下高速運(yùn)動(dòng)過(guò)程伴隨空泡擺動(dòng)、閉合、脫落等復(fù)雜現(xiàn)象，且空泡壁面和細(xì)長(zhǎng)體彈道特性極易受到外界因素的影響，因此目前還很難通過(guò)普通測(cè)試技術(shù)和手段獲得空泡特性及彈道特性，對(duì)細(xì)長(zhǎng)體水下運(yùn)動(dòng)空泡特性及彈道特性的實(shí)驗(yàn)研究大多采用高速攝像技術(shù)。本實(shí)驗(yàn)中采用FASTCAM SA6高速相機(jī)，幀頻為5 000 s-1。高速拍攝過(guò)程對(duì)光源要求較高，實(shí)驗(yàn)中采用6×1 300 W的鹵鎢燈在視場(chǎng)背側(cè)和上方進(jìn)行照射并通過(guò)毛玻璃進(jìn)行均勻處理。水槽在對(duì)準(zhǔn)發(fā)射管的地方有一開(kāi)孔，開(kāi)孔通過(guò)適配器及耐壓薄膜進(jìn)行防漏處理，細(xì)長(zhǎng)體通過(guò)輕氣炮發(fā)射后，沿著發(fā)射管穿過(guò)耐壓薄膜進(jìn)入水中運(yùn)動(dòng)，在發(fā)射管的管口處裝有激光測(cè)速儀測(cè)量細(xì)長(zhǎng)體的出口速度。輕氣炮的電磁閥觸發(fā)裝置與高速相機(jī)的觸發(fā)裝置通過(guò)控制器進(jìn)行時(shí)序控制，以保證高速相機(jī)能夠捕捉到細(xì)長(zhǎng)體運(yùn)動(dòng)。測(cè)試系統(tǒng)示意圖如圖3所示。實(shí)驗(yàn)中高速相機(jī)的拍攝視場(chǎng)為1.2 m×0.8 m，其中沿模型水平運(yùn)動(dòng)方向?yàn)?.2 m。

1.3 模型參數(shù)

實(shí)驗(yàn)中采用的細(xì)長(zhǎng)體模型為平頭錐柱結(jié)合體，長(zhǎng)度為170 mm，頭部直徑d=4 mm，柱段直徑d=10 mm，錐段半錐角為4°，材料為Q235鋼，如圖4所示。

圖4 細(xì)長(zhǎng)體實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ虵ig.4 Experimental model of slender body

實(shí)驗(yàn)主要流程：首先將細(xì)長(zhǎng)體模型裝入適配器內(nèi)并置于發(fā)射管底部，然后向輕氣炮的內(nèi)外氣室分別注入高壓氮?dú)?，通過(guò)調(diào)節(jié)內(nèi)外氣室壓力及二者壓力差使模型獲得不同的發(fā)射速度，通過(guò)安裝于炮口的激光測(cè)速儀可以測(cè)得模型的出口速度。在發(fā)射模型的同時(shí)，觸發(fā)高速攝像系統(tǒng)開(kāi)始工作，記錄模型運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

結(jié)果分析中所采用的坐標(biāo)系如圖1中的xOy坐標(biāo)系所示，細(xì)長(zhǎng)體運(yùn)動(dòng)方向?yàn)閤軸正向，垂直向下為y軸正向，細(xì)長(zhǎng)體模型進(jìn)入視場(chǎng)時(shí)刻為初始時(shí)刻t=0 ms，此時(shí)的速度作為細(xì)長(zhǎng)體模型水下運(yùn)動(dòng)的初始速度，對(duì)應(yīng)的空化數(shù)為初始空化數(shù)(空化數(shù)σ=2(p∞-pv)/(ρv2)，其中p∞為流場(chǎng)遠(yuǎn)處壓強(qiáng)，pv為實(shí)驗(yàn)工況溫度下水的飽和蒸汽壓，ρ為水的密度，v為細(xì)長(zhǎng)體模型的運(yùn)動(dòng)速度)。實(shí)驗(yàn)中通過(guò)高速相機(jī)對(duì)射彈入水后的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行拍攝，對(duì)所得到的圖像進(jìn)行數(shù)字化處理得到相關(guān)空泡形態(tài)及速度衰減、位移變化等結(jié)果。

2.1 空泡形態(tài)特性分析

圖5給出了初始速度為212.1 m/s，初始空化數(shù)σ=0.004 4的細(xì)長(zhǎng)體水下運(yùn)動(dòng)空泡形態(tài)圖。空泡發(fā)展起始于細(xì)長(zhǎng)體頭部圓臺(tái)邊緣處，并沿著細(xì)長(zhǎng)體軸線向后擴(kuò)展。實(shí)驗(yàn)時(shí)，實(shí)驗(yàn)水槽內(nèi)的水域初始時(shí)為靜止?fàn)顟B(tài)，根據(jù)高速相機(jī)記錄的細(xì)長(zhǎng)體運(yùn)動(dòng)圖像可以看出，細(xì)長(zhǎng)體尾部與空泡壁面未撞擊時(shí)的空泡壁面光滑透明，未有擾動(dòng)發(fā)生，這說(shuō)明高速運(yùn)動(dòng)的細(xì)長(zhǎng)體進(jìn)入水中對(duì)流域產(chǎn)生的擾動(dòng)傳播速度小于細(xì)長(zhǎng)體本身的運(yùn)動(dòng)速度。空泡壁面整體光滑、透明，但是由于光線經(jīng)過(guò)空泡壁面不同位置時(shí)的折射率不同，圖5(a)中的空泡壁面上下兩側(cè)有所透明度不同。圖5(b)給出了實(shí)驗(yàn)空泡形態(tài)與Lognovinch獨(dú)立膨脹原理的對(duì)比結(jié)果，從圖中可以看出，二者吻合較好，除了在彈體尾部附近二者有一定差異。這是由于獨(dú)立膨脹原理中沒(méi)有考慮彈體擾動(dòng)對(duì)空泡形態(tài)的影響，而實(shí)驗(yàn)中空泡形態(tài)則受彈體擾動(dòng)影響，這也驗(yàn)證了本文實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性。

在圖5中，細(xì)長(zhǎng)體模型在空泡內(nèi)部運(yùn)動(dòng)，僅頭部與水接觸；而某些工況下，模型在空泡內(nèi)前進(jìn)的同時(shí)具有繞頭部的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，使得模型尾部與空泡壁面產(chǎn)生碰撞并反彈回空泡內(nèi)部繼續(xù)下一次碰撞和反彈，這一過(guò)程稱為尾拍運(yùn)動(dòng)，如圖6所示。圖6中細(xì)長(zhǎng)體模型相較于圖5中較小(圖6中細(xì)長(zhǎng)體模型為直徑6 mm、長(zhǎng)36 mm的圓柱體)，使得高速相機(jī)能夠在同一視場(chǎng)內(nèi)捕捉到完整空泡并可清晰看到尾拍運(yùn)動(dòng)，從圖6中可以清晰看到彈體尾部與空泡的撞擊。

圖6 尾拍運(yùn)動(dòng)時(shí)的空泡壁面形態(tài)Fig.6 Cavity characteristics when tail slap occurs

從圖6中可以看出，細(xì)長(zhǎng)體模型發(fā)生尾拍運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于模型尾部對(duì)空泡壁面的撞擊，使得汽水混合物界面不太明顯，并凸出于原有光滑的空泡壁面之外，形成凸起。尾拍運(yùn)動(dòng)是保持模型在空泡內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)的一種方式[15]，由模型發(fā)射或入水時(shí)的初始擾動(dòng)或在水中受到的其它擾動(dòng)引起。過(guò)大的擾動(dòng)容易引起模型不可回彈的轉(zhuǎn)動(dòng)，破壞模型的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性，引起彈道失穩(wěn)，這在實(shí)驗(yàn)中也得到了驗(yàn)證，初始空化數(shù)σ=0.004 6的細(xì)長(zhǎng)體水下運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)由于初始轉(zhuǎn)角過(guò)大，彈道在1.5 m距離上迅速失穩(wěn)。

圖7 不同時(shí)刻空泡尾部的閉合及脫落Fig.7 Closure and shedding characteristics of cavity tail at different times

初始空化數(shù)σ=0.004 4的細(xì)長(zhǎng)體水下運(yùn)動(dòng)不同時(shí)刻下空泡尾部閉合及脫落情況如圖7所示。強(qiáng)烈的回射流導(dǎo)致空泡尾部產(chǎn)生高壓區(qū)，使空泡內(nèi)的水蒸汽在空泡尾部出現(xiàn)一定的凝結(jié)，因此空泡尾部的透明度和光滑度相較于空泡頭部有所下降，在尾部高壓區(qū)出現(xiàn)較明顯的汽水混合物(圖7中的橢圓區(qū)域)。聚集在空泡尾部高壓區(qū)的汽水混合物脫離空泡尾部后形成交替脫落的含汽漩渦(圖7中圓角矩形區(qū)域)并逐漸消失在流場(chǎng)下游遠(yuǎn)處。圖7中從18到22 ms，細(xì)長(zhǎng)體模型逐漸離開(kāi)拍攝視場(chǎng)，空泡尾部脫落的含汽漩渦數(shù)量逐漸減少，脫落漩渦的震蕩程度也減弱，脫離漩渦減少主要是由于隨著細(xì)長(zhǎng)體模型速度的降低(空化數(shù)增大)，模型表面附近流域的空化程度減弱，液態(tài)水的汽化增長(zhǎng)率降低，使得進(jìn)入空泡內(nèi)部的水蒸汽減少，進(jìn)而導(dǎo)致空泡尾部脫離的含汽漩渦數(shù)量逐漸減少；細(xì)長(zhǎng)體高速運(yùn)動(dòng)時(shí)，整個(gè)空泡形態(tài)呈橢圓狀、上下基本對(duì)稱，說(shuō)明重力對(duì)空泡形態(tài)的影響較弱?？张菸膊块]合區(qū)域與空泡頭部空泡擴(kuò)展區(qū)域有一定的相似性。

2.2 細(xì)長(zhǎng)體模型水下高速運(yùn)動(dòng)彈道特性分析

細(xì)長(zhǎng)體模型水下高速運(yùn)動(dòng)的流體動(dòng)力學(xué)環(huán)境比較復(fù)雜，因此對(duì)彈道特性的研究比較重要；高速運(yùn)動(dòng)時(shí)細(xì)長(zhǎng)體模型被超空泡包裹，僅頭部與水接觸，故超空泡形態(tài)的變化也影響著細(xì)長(zhǎng)體模型的彈道特性。本文中開(kāi)展不同初始空化數(shù)下的細(xì)長(zhǎng)體模型水下運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)a：細(xì)長(zhǎng)體模型初始速度v0=104.1 m/s，初始空化數(shù)σ=0.018 1；實(shí)驗(yàn)b：細(xì)長(zhǎng)體模型初始速度v0=193.7 m/s，初始空化數(shù)σ=0.005 2；實(shí)驗(yàn)c：細(xì)長(zhǎng)體模型初始速度v0=212.1 m/s，初始空化數(shù)σ=0.004 4。

圖8 不同初始速度下細(xì)長(zhǎng)體模型的速度變化Fig.8 Slender body velocities vs. time with different initial velocities

不同初始速度下細(xì)長(zhǎng)體模型的速度變化情況如圖8所示。從圖8中可以明顯看出，細(xì)長(zhǎng)體模型在不同初始速度下的速度衰減速率有差異。實(shí)驗(yàn)b和實(shí)驗(yàn)c中細(xì)長(zhǎng)體模型初始速度較高，速度衰減較快；而實(shí)驗(yàn)a中細(xì)長(zhǎng)體模型初始速度較低，但速度衰減較慢，速度曲線變化相對(duì)平穩(wěn)。三組實(shí)驗(yàn)中細(xì)長(zhǎng)體模型在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中均被空泡完全包裹，運(yùn)動(dòng)時(shí)的流體阻力得到明顯降低，但是根據(jù)不同初始速度下細(xì)長(zhǎng)體模型的速度衰減速率不同可知，空泡形態(tài)，即空泡長(zhǎng)度、最大直徑及長(zhǎng)細(xì)比等因素顯著影響減阻效果。實(shí)驗(yàn)中細(xì)長(zhǎng)體模型運(yùn)動(dòng)速度較快，空泡長(zhǎng)度已超出高速相機(jī)視場(chǎng)范圍，無(wú)法測(cè)量超空泡長(zhǎng)度。圖8中的實(shí)驗(yàn)b和實(shí)驗(yàn)c細(xì)長(zhǎng)體模型的速度變化率在整個(gè)拍攝歷程內(nèi)不是呈均勻遞減趨勢(shì)變化，這是由于實(shí)驗(yàn)b和實(shí)驗(yàn)c中的模型在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中發(fā)生繞頭部的微小轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)使得細(xì)長(zhǎng)體模型的尾部與空泡壁面發(fā)生碰撞，進(jìn)而增加細(xì)長(zhǎng)體模型的流體阻力，導(dǎo)致細(xì)長(zhǎng)體模型速度的迅速衰減，并且這種現(xiàn)象周期性地發(fā)生，從而導(dǎo)致速度衰減不均勻；實(shí)驗(yàn)a中的細(xì)長(zhǎng)體模型受到的初始擾動(dòng)較小，轉(zhuǎn)動(dòng)較慢，速度衰減比較平穩(wěn)。三組工況在t=4 ms時(shí)的模型運(yùn)動(dòng)對(duì)比見(jiàn)圖9所示。

圖9 三組工況下當(dāng)t=4 ms的模型運(yùn)動(dòng)對(duì)比圖Fig.9 Comparison of underwater slender body movement in three different conditions (t=4 ms)

圖10和圖11分別為不同初始速度下細(xì)長(zhǎng)體模型的水平位移和垂直位移變化。從圖10中可以看出，細(xì)長(zhǎng)體模型的水平位移增加過(guò)程中伴隨波動(dòng)(但是這種波動(dòng)較小，主要是由于高速相機(jī)視場(chǎng)有限，拍攝時(shí)間較短，故這種波動(dòng)不太明顯)，這是由于細(xì)長(zhǎng)體模型尾拍撞擊空泡壁面引起速度的非均勻變化。從圖11中的三種工況對(duì)比可以看出，在細(xì)長(zhǎng)體模型高速運(yùn)動(dòng)時(shí)，重力作用相較于慣性力作用較小，細(xì)長(zhǎng)體模型的垂直位移變化很小，故在研究高速運(yùn)動(dòng)物體時(shí)，可以忽略重力效應(yīng)；圖11中實(shí)驗(yàn)a中細(xì)長(zhǎng)體模型的速度約為實(shí)驗(yàn)b、c中細(xì)長(zhǎng)體模型速度的一半，而垂直位移卻達(dá)到后者的6～7倍。從圖11中垂直位移的波動(dòng)也可以明顯看出，實(shí)驗(yàn)b、c中細(xì)長(zhǎng)體模型的轉(zhuǎn)動(dòng)較明顯，而實(shí)驗(yàn)a中的尾拍現(xiàn)象較弱。

圖10 不同初始速度下細(xì)長(zhǎng)體模型的水平位移變化Fig.10 Slender body trajectories in x direction vs. time with different initial velocities

圖11 不同初始速度下細(xì)長(zhǎng)體模型的垂直位移變化Fig.11 Slender body trajectories in y direction vs. time with different initial velocities

圖12 夾角示意圖Fig.12 Schematic of angles

圖13 不同初始速度下細(xì)長(zhǎng)體空泡軸線與x軸夾角變化Fig.13 Angle α vs. time with different initial velocities

圖14 不同初始速度下細(xì)長(zhǎng)體模型軸線與x軸線夾角變化Fig.14 Angle β vs. time with different initial velocities

圖15 不同初始速度下細(xì)長(zhǎng)體軸線與空泡軸線夾角變化Fig.15 Angle θ vs. time with different initial velocities

記空泡軸線與x軸夾角為α，細(xì)長(zhǎng)體軸線與x軸夾角為β，細(xì)長(zhǎng)體軸線與空泡軸線夾角為θ，如圖12所示。不同初始速度下細(xì)長(zhǎng)體模型的空泡軸線與x軸夾角變化、細(xì)長(zhǎng)體模型與x軸夾角變化及空泡軸線與細(xì)長(zhǎng)體模型的夾角變化分別見(jiàn)圖13～15。對(duì)比分析圖13～15，雖然實(shí)驗(yàn)a、b、c三組實(shí)驗(yàn)的細(xì)長(zhǎng)體模型的初始速度差異較大，但三組實(shí)驗(yàn)中空泡軸線與x軸的夾角α都較小(小于1°)，即空泡轉(zhuǎn)動(dòng)幅度較小。圖13中，三組實(shí)驗(yàn)由于其初始擾動(dòng)角速度不同，使得細(xì)長(zhǎng)體入水后在初始入水空泡內(nèi)的沾濕面積不同，進(jìn)而導(dǎo)致細(xì)長(zhǎng)體的附加質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量不同，因此三組實(shí)驗(yàn)的擾動(dòng)頻率不同。由于速度較高，三組實(shí)驗(yàn)中的空泡擺動(dòng)幅度較小，空泡軸線與x軸近似平行，因此細(xì)長(zhǎng)體模型與空泡軸線的夾角變化和細(xì)長(zhǎng)體模型與x軸的夾角變化趨勢(shì)差異較小，即圖14～15中的β和θ的變化趨勢(shì)差異較小。圖13～14中實(shí)驗(yàn)b與實(shí)驗(yàn)a、c的結(jié)果差異主要由二者的細(xì)長(zhǎng)體模型的初始擾動(dòng)轉(zhuǎn)角位置不同引起的，實(shí)驗(yàn)b中細(xì)長(zhǎng)體模型的初始擾動(dòng)轉(zhuǎn)角為正的角度(逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng))，而實(shí)驗(yàn)a和實(shí)驗(yàn)c中細(xì)長(zhǎng)體模型的初始擾動(dòng)轉(zhuǎn)角為負(fù)的角度(順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng))，即實(shí)驗(yàn)b中的細(xì)長(zhǎng)體模型的尾部首先與空泡的上壁面碰撞，然后反彈回空泡內(nèi)并與下壁面碰撞；而實(shí)驗(yàn)a和實(shí)驗(yàn)c中的細(xì)長(zhǎng)體模型的尾部則剛好相反，首先與空泡的下壁面碰撞，然后反彈回空泡內(nèi)并與空泡上壁面碰撞；在圖13和圖14中，實(shí)驗(yàn)b中細(xì)長(zhǎng)體模型的初始擾動(dòng)角度為3°，而實(shí)驗(yàn)a和c中細(xì)長(zhǎng)體模型的初始擾動(dòng)角度分別約為-1°和-0.4°，實(shí)驗(yàn)a中細(xì)長(zhǎng)體模型首先與空泡上壁面撞擊，在t=3 ms左右，在向下的撞擊力和重力作用下細(xì)長(zhǎng)體模型的轉(zhuǎn)角開(kāi)始變小，而實(shí)驗(yàn)a、c中細(xì)長(zhǎng)體模型與空泡下壁面撞擊后，由于尾拍反力作用較弱，細(xì)長(zhǎng)體尾部在重力作用下幾乎緊貼空泡下壁面滑行，因此其轉(zhuǎn)角為負(fù)值并逐漸增大。

3 結(jié) 論

通過(guò)開(kāi)展鋼質(zhì)細(xì)長(zhǎng)體模型水下運(yùn)動(dòng)空泡特性與彈道特性實(shí)驗(yàn)研究，得到以下結(jié)論。

(1)細(xì)長(zhǎng)體模型在水下高速運(yùn)動(dòng)時(shí)(速度大于某一臨界速度)產(chǎn)生超空泡，模型包裹于空泡內(nèi)，僅頭部與水接觸；受初始擾動(dòng)的影響，模型在空泡內(nèi)向前運(yùn)動(dòng)的同時(shí)伴隨繞頭部的轉(zhuǎn)動(dòng)，使得模型尾部與空泡壁面發(fā)生交替碰撞，即尾拍運(yùn)動(dòng)；尾拍運(yùn)動(dòng)是保持模型穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)的一種方式；尾拍運(yùn)動(dòng)中模型與空泡壁面的碰撞使空泡壁面發(fā)生凸起。

(2)空泡尾部由于強(qiáng)烈的回射流產(chǎn)生高壓區(qū)，使得空泡內(nèi)的水蒸汽在空泡尾部出現(xiàn)凝結(jié)現(xiàn)象，表現(xiàn)為空泡尾部透明度和光滑度較差；聚集在空泡尾部高壓區(qū)的汽水混合物脫離空泡尾部后形成交替脫落的漩渦并消失在流場(chǎng)下游區(qū)域；隨著模型運(yùn)動(dòng)速度的衰減，空泡尾部脫落的漩渦數(shù)量逐漸減少，脫落漩渦的震蕩程度也減弱。

(3)不同初始速度下模型的速度衰減速率不同；尾拍運(yùn)動(dòng)中初始擾動(dòng)角度的不同，使細(xì)長(zhǎng)體模型與空泡軸線的夾角變化不同，即細(xì)長(zhǎng)體模型的初始擾動(dòng)角速度對(duì)彈道特性有一定影響。

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(責(zé)任編輯 王小飛)

Experiment of cavitation and ballistic characteristics of slender body underwater movement

Zhao Chenggong, Wang Cong, Wei Yingjie, Zhang Xiaoshi

(SchoolofAstronautics,HarbinInstituteofTechnology,Harbin150001,Heilongjiang,China)

Experimental studies of the slender body’s underwater movement were conducted using high-speed camera. Based on the results from the experiment, we examined the characteristics of the cavitation and ballistic of the slender body moving underwater. The experimental results show that the slender body’s underwater movement is accompanied with a supercavity, and the slender body’s movement and rotation occur in the supercavity except for the contact between the slender body’s head and the supercavity wall and the supercavity wall is transparent and smooth except for its tail. The impact between the tail of the slender body and the supercavity wall results from the slender body’s rotation in the supercavity, called the tail slap, which serves to stabilize the slender body’s movement in the supercavity as a result form the initial perturbation of the flow field. The cavity evolution, closure and shedding were discussed in detail. Series of different flow mechanisms and the relationship between ballistic characteristics and cavity morphology were also analyzed with different initial velocities. The slender body has different accelerations with different initial velocities and the effect of the drag reduction using super cavitation is influenced by factors such as cavity length, diameter and aspect ratio, etc. The initial perturbation angle affects the variation of the angle between the slender body and the cavity axis.

multiphase flow; vaporization; turbulent flow; slender body; cavity

10.11883/1001-1455(2017)03-0439-08

2015-11-13；

2016-02-27

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)基金項(xiàng)目(HIT.NSRIF.201159)

趙成功(1986- )，男，博士研究生，zcghit@163.com。

O351.2 國(guó)標(biāo)學(xué)科代碼： 13025

A