王 聰,許海雨,盧佳興

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

0 引言

跨介質(zhì)航行器由機(jī)載平臺(tái)或艦載火炮發(fā)射,其高速入水過程具有強(qiáng)瞬時(shí)性和非定常運(yùn)動(dòng)特性,伴隨著氣-液-汽三相兩質(zhì)強(qiáng)湍流、介質(zhì)突變等復(fù)雜多相流動(dòng)現(xiàn)象,是高速水動(dòng)力學(xué)研究領(lǐng)域的核心問題[1]?？缃橘|(zhì)航行器入水過程中快速生成超空泡,改變了傳統(tǒng)水下航行器的流體動(dòng)力布局,使得航行器入水過程存在復(fù)雜而獨(dú)有的運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象[2]。

高速航行器入水受到巨大的沖擊載荷,同時(shí)部分動(dòng)能和勢能轉(zhuǎn)化為排開水的動(dòng)能,形成超空泡[3-5]。根據(jù)運(yùn)動(dòng)體與空泡的位置耦合關(guān)系,入水空泡分為全沾濕、部分包裹空泡及全包裹空泡3 種形式,改變了運(yùn)動(dòng)體的流體動(dòng)力特性及運(yùn)動(dòng)特性,同時(shí)又受到運(yùn)動(dòng)體形狀、入水速度、入水姿態(tài)角等多種因素影響及制約[6-7]。研究高速條件下入水空泡的生成機(jī)理、發(fā)展規(guī)律及流體動(dòng)力特性,既是深刻認(rèn)識(shí)與理解高速航行器入水運(yùn)動(dòng)機(jī)制的前提,也是開展跨介質(zhì)超空泡武器裝備工程研制的重要理論基礎(chǔ)。因此,運(yùn)動(dòng)體跨介質(zhì)高速入水多相流動(dòng)成為近年來領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)問題。

1 入水空泡形態(tài)及運(yùn)動(dòng)特性

1.1 球體入水空泡形態(tài)

運(yùn)動(dòng)體的形狀和尺寸會(huì)影響其入水空泡形態(tài)。由于球體具有良好的對(duì)稱性,早期,國外學(xué)者更多將球體作為研究對(duì)象,開展了大量球體入水的實(shí)驗(yàn)研究,為超空泡射彈入水的研究奠定了理論及實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。Gilbarg 等[8]首先討論了大氣壓力對(duì)球體入水的影響,發(fā)現(xiàn)大氣密度和初始入水速度是影響水面閉合的主要影響因素。May[9]進(jìn)一步討論了球體尺寸對(duì)入水空泡形態(tài)的影響特性。Duez 等[10]指出生成空泡的臨界速度與球體接觸角有關(guān)。球體頭部接觸角小于90°時(shí),生成空泡臨界速度為7.2 m/s;而接觸角大于90°時(shí),臨界速度降低。圖1 給出了不同球體接觸角θ 和速度V 的入水空泡形態(tài),當(dāng)速度低于臨界速度時(shí),則無空泡生成,如圖1(a)所示。Aristoff 等[11-14]觀察到4 種不同的入水空泡形態(tài),如圖1(b)～(e)所示,并獲得了球體密度及親水性對(duì)入水空泡形態(tài)的影響。Speirs等[15]研究了系列球體接觸角入水空泡演變特性,獲得了弗勞德數(shù)和韋伯?dāng)?shù)對(duì)空泡形態(tài)的影響特性。Truscott 等[16-19]系統(tǒng)研究了球體入水過程流體動(dòng)力特性,并探究了影響球體非穩(wěn)定流體動(dòng)力的因素,指出球體傾斜入水與垂直入水在空化流動(dòng)及流體動(dòng)力等方面存在顯著不同。Zhou 等[20]基于流體體積函數(shù)(volume of fluid,VOF)多相流模型和剪切應(yīng)力傳輸(shear stress transfer,SST)湍流模型模擬了球體入水運(yùn)動(dòng)過程,發(fā)現(xiàn)入水速度和攻角不僅影響空泡閉合模式,也影響空泡形態(tài)特征及球體運(yùn)動(dòng)特性。Marston 等[21]通過實(shí)驗(yàn)研究了高溫球體入水的空泡形態(tài),定量對(duì)比了高溫球體與常溫球體入水空泡的形態(tài)差異。此外,還有學(xué)者針對(duì)球體入水跳彈現(xiàn)象開展了大量研究,獲得了球體入水運(yùn)動(dòng)參數(shù)對(duì)跳彈現(xiàn)象的影響特性,并指出了跳彈現(xiàn)象發(fā)生的臨界入水角[22-24]。

圖1 不同接觸角及速度下球體入水空泡形態(tài)Fig.1 Cavity shape of spheres entering water with different contact angles and velocities

上述研究對(duì)象均為剛體球體,而彈性球體入水引起的大變形及流固耦合問題也越來越引起學(xué)術(shù)界的關(guān)注。Belden 等[25]針對(duì)球體在水面彈跳的問題,采用數(shù)值仿真和實(shí)驗(yàn)測試相結(jié)合的方法,揭示了彈性球體在水面跳躍的物理機(jī)理。Hurd 等[26-27]實(shí)驗(yàn)研究了彈性球體入水問題,借助高速攝像對(duì)空泡形態(tài)進(jìn)行了分析,發(fā)現(xiàn)了彈性球體入水形成獨(dú)特的嵌套空泡。由于球體的彈性材質(zhì),入水后球體變形形成扁橢球體并生成一個(gè)更大尺度的空泡,之后在彈性力的作用下,球體形變恢復(fù),產(chǎn)生徑向更小的空泡。因此,在球體持續(xù)的振蕩特性下,產(chǎn)生了嵌套空泡,如圖2 所示。國內(nèi)的魏英杰和楊柳等[28-29]開展了超彈性球體入水的數(shù)值仿真和實(shí)驗(yàn)研究,發(fā)現(xiàn)超彈性球體入水后具有獨(dú)特的周期性形變行為: 橫向扁平球體—縱向扁平球體—橫向扁平球體。

1.2 運(yùn)動(dòng)體高速入水尾拍運(yùn)動(dòng)特性

運(yùn)動(dòng)體高速入水形成超空泡,導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)體浮力消失,為了揭示運(yùn)動(dòng)體高速入水穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)特性,國內(nèi)外學(xué)者開展了大量研究。在實(shí)驗(yàn)方面,受實(shí)驗(yàn)條件限制,入水速度通常較低(小于300 m/s)[30]。針對(duì)超高速射彈入水的試驗(yàn)研究較少,美國海軍武器實(shí)驗(yàn)中心開展了入水速度范圍為800～1 070 m/s的系列模型入水實(shí)驗(yàn)[31]。Kirschner[32]和Hrubes[33]等開展跨音速運(yùn)動(dòng)體入水實(shí)驗(yàn),觀察到了激波現(xiàn)象。此外,對(duì)于射彈水平入水運(yùn)動(dòng)也開展了相應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究[34-35]。國內(nèi),郭子濤等[36]開展了速度變化范圍為397～603 m/s 的射彈入水彈道特性實(shí)驗(yàn)。國內(nèi)外研究結(jié)果表明,射彈水下高速運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定機(jī)理為尾拍運(yùn)動(dòng)。

隨著計(jì)算流體力學(xué)的發(fā)展,數(shù)值仿真計(jì)算的精度不斷提高,成為研究運(yùn)動(dòng)體高速入水運(yùn)動(dòng)特性的重要手段。王曉輝等[37]基于ABAQUS 有限元軟件耦合歐拉-拉格朗日方法研究了高速射彈傾斜入水的尾拍運(yùn)動(dòng)特性,指出尾拍運(yùn)動(dòng)是維持射彈動(dòng)態(tài)穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)的機(jī)制。劉如石等[38]基于有限體積法和Mixture 多相流模型,對(duì)比研究了圓柱彈、尾錐彈、尾翼彈和尾裙彈等4 種不同尾部形狀結(jié)構(gòu)射彈入水尾拍運(yùn)動(dòng)特性,發(fā)現(xiàn)4 種尾部形狀結(jié)構(gòu)射彈均具有“固有尾拍運(yùn)動(dòng)狀態(tài)”,即射彈角速度振蕩曲線的包絡(luò)線與初始角速度和初速度無關(guān),而與彈體外形有關(guān),并給出了相同工況下射彈所受力矩和衰減速度的變化規(guī)律。

為了獲得質(zhì)心位置對(duì)超空泡射彈射程的影響特性,古鑒霄等[39]采用VOF 多相流模型和剛體六自由度模型開展了射彈入水?dāng)?shù)值仿真研究,結(jié)果表明,在保證尾拍力作用點(diǎn)位于質(zhì)心之后的前提下,隨著質(zhì)心后移,射彈俯仰角幅度減小,射彈能耗減小,進(jìn)而增加射彈射程;增加質(zhì)量可以減小射彈能耗,也可增加射彈射程。為了獲得初始運(yùn)動(dòng)擾動(dòng)對(duì)射彈尾拍運(yùn)動(dòng)的影響特性,諸多學(xué)者開展了大量關(guān)于初始擾動(dòng)角度和角速度對(duì)尾拍運(yùn)動(dòng)影響的研究。趙成功等[40]的研究表明,隨著初始擾動(dòng)角度的增加,俯仰角最大幅度和變化頻率增大。姚忠等[41]發(fā)現(xiàn)隨著初始擾動(dòng)角度的增大,尾拍次數(shù)增加,俯仰角速度振蕩周期減小,此外,還發(fā)現(xiàn)射彈彈道位移與初始擾動(dòng)角速度相關(guān),在較大或者較小的擾動(dòng)角速度下(文中研究工況下的臨界初始擾動(dòng)角速度為10 rad/s),隨著射彈的不斷運(yùn)動(dòng),質(zhì)心偏移量越來越大。李佳川等[42]分析了初始擾動(dòng)角速度對(duì)射彈尾拍運(yùn)動(dòng)的影響,分析結(jié)果表明,隨著擾動(dòng)角速度的增加,射彈尾拍次數(shù)增加,尾拍發(fā)生時(shí)間提前。

2 串并列入水

為了提高對(duì)水下目標(biāo)的打擊精度和毀傷效果,高速射彈通常采用多發(fā)連續(xù)攻擊的作戰(zhàn)模式,這將涉及多運(yùn)動(dòng)體入水過程相互干擾問題。超空泡射彈在高射頻連續(xù)發(fā)射時(shí),多發(fā)射彈入水產(chǎn)生的超空泡流場發(fā)生相互作用,引起復(fù)雜的水動(dòng)力特性,使得超空泡射彈的運(yùn)動(dòng)特性受到干擾,與單發(fā)超空泡射彈入水的多相流動(dòng)特性和射彈的運(yùn)動(dòng)特性有顯著的區(qū)別。根據(jù)運(yùn)動(dòng)模式可分為并列入水及串列入水2 種。

2.1 并列入水

射彈并列入水包含同步并列入水和異步并列入水2 種模式。Wu 等[43]基于邊界元方法和勢流理論研究了楔形體同步并列入水問題,發(fā)現(xiàn)2 個(gè)楔形體的相互作用對(duì)入水面的影響有限,而嚴(yán)重影響壓力分布。這一現(xiàn)象也被Yousefnezhad 等[44]發(fā)現(xiàn)。針對(duì)球體外形,王旭等[45]開展了不同間距的同步并列入水研究,發(fā)現(xiàn)內(nèi)側(cè)空泡徑向尺寸發(fā)展受阻,2 個(gè)球體各自產(chǎn)生的空泡呈現(xiàn)非對(duì)稱特性,但2 個(gè)空泡在空間上呈現(xiàn)良好的鏡面對(duì)稱特性。當(dāng)間距較小時(shí),2 個(gè)空泡尾部發(fā)生融合形成臼齒形空泡,隨著空泡的發(fā)展,2 個(gè)空泡的尾跡靠近并發(fā)生融合(如圖3 所示)。當(dāng)間距大于5.5D 時(shí),2 個(gè)空泡的相互作用微乎其微,其中D 為射彈最大直徑。王辰等[46]數(shù)值研究了0.5D 和3D 兩種彈丸間距對(duì)同步并列射彈入水彈道影響特性,發(fā)現(xiàn)彈丸間距較小時(shí),內(nèi)側(cè)空泡受到壓縮,內(nèi)側(cè)空泡直徑小于外側(cè)空泡,產(chǎn)生指向彈體外側(cè)的橫向力,導(dǎo)致并列射彈遠(yuǎn)離。間距增加至3D 時(shí),兩彈間的干擾可忽略。針對(duì)圓柱體外形,Mnasri 等[47]采用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)構(gòu)建了并列圓柱體入水的二維數(shù)值模型,發(fā)現(xiàn)與單個(gè)圓柱體入水相比,并列圓柱體入水引起更大的噴濺射流。盧佳興等[48]開展了圓柱體同步并列入水實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)雙空泡在空間上呈現(xiàn)對(duì)稱特性,但受相鄰空泡的影響,單個(gè)空泡表現(xiàn)強(qiáng)非對(duì)稱特性。此外,宋武超等[49]基于勢流理論,引入有勢壁面和影響函數(shù)建立了并列入水過程理論數(shù)值模型,同樣發(fā)現(xiàn)了雙空泡在空間上存在鏡面對(duì)稱特性的現(xiàn)象。路麗睿等[50]發(fā)現(xiàn)在圓柱體同步并列入水過程中出現(xiàn)圓柱體偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象,圓柱體非對(duì)稱空泡誘導(dǎo)的非對(duì)稱流體動(dòng)力和圓柱體尾部撞擊力是圓柱體發(fā)生偏轉(zhuǎn)及橫向位移的原因。

國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)異步并列運(yùn)動(dòng)體入水問題開展了大量研究。張鶴等[51-52]對(duì)圓柱體低速異步并列入水進(jìn)行了實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)受次發(fā)彈的影響,首發(fā)彈產(chǎn)生的內(nèi)側(cè)空泡受擠壓作用更大,空泡表現(xiàn)非對(duì)稱特性,導(dǎo)致空泡閉合時(shí)間提前;入水間隔的增加減弱了側(cè)向擾動(dòng)對(duì)首發(fā)彈空泡的排擠作用。閆雪璞等[53]采用VOF 多相流模型和重疊網(wǎng)格技術(shù)研究了超空泡射彈異步并列入水流場及彈道特性,與同步并列射彈相比,異步并列射彈的次發(fā)彈沖擊載荷降低,并隨著初始縱向間距增加次發(fā)彈入水沖擊載荷降低;受首發(fā)彈影響,次發(fā)彈內(nèi)側(cè)水流流速增大,壓力降低,空泡徑向膨脹,兩發(fā)彈空泡在尾部發(fā)生融合;縱向間距為0.5 倍彈長,在次發(fā)彈頭部高壓的影響下,首發(fā)彈內(nèi)側(cè)空泡縮小,并導(dǎo)致彈體部分沾濕;當(dāng)縱向間距過大時(shí)(文中研究工況下,此值為3 倍彈長),次發(fā)彈進(jìn)入首發(fā)彈空泡內(nèi),會(huì)發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象。黃海龍等[54]設(shè)計(jì)了并列射彈水平入水實(shí)驗(yàn)裝置,針對(duì)3 種彈體外形開展了不同空化器直徑和彈體徑向間距的并列射彈入水實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)空泡出現(xiàn)穿越、吸引及截?cái)嗟? 種空泡耦合現(xiàn)象。當(dāng)首發(fā)彈生產(chǎn)的空泡尺度足以包裹次發(fā)彈時(shí),則發(fā)生次發(fā)彈穿越首發(fā)彈空泡現(xiàn)象;并列射彈尾部的脫落空泡出現(xiàn)相互吸引現(xiàn)象,與射彈間距及空泡尺寸有關(guān),吸引現(xiàn)象是由兩空泡中間流體速度增大、壓力減小導(dǎo)致的;并列射彈存在前后間距時(shí),首發(fā)彈受到次發(fā)彈空泡擴(kuò)張的擠壓影響,容易形成截?cái)唷?/p>

1.8 GO、KEGG富集分析及GSEA 利用R軟件clusterProfiler包[13]對(duì)得到的樞紐模塊中基因進(jìn)行GO富集及KEGG通路分析，錯(cuò)誤發(fā)現(xiàn)率(false discovery rate，F(xiàn)DR)<0.05被認(rèn)為具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。另外將測試集GSE73731中265例腎透明細(xì)胞癌樣本根據(jù)樞紐基因表達(dá)值中位數(shù)分成高低表達(dá)兩組進(jìn)行GSEA[14]，選擇c2.cp.kegg.v6.0.symbols.gmt作為參考基因集，F(xiàn)DR<0.05被認(rèn)為具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

運(yùn)動(dòng)體并列入水問題的研究仍處于起步階段,對(duì)于并列運(yùn)動(dòng)體入水的研究多基于低速工況下開展,關(guān)于兩彈間不產(chǎn)生相互干擾作用的間距,未得到統(tǒng)一的判定標(biāo)準(zhǔn)。射彈的相互干擾不僅與間距有關(guān),還受到運(yùn)動(dòng)體尺寸、速度以及發(fā)射間隔等因素影響,這將是未來的重要研究方向。

2.2 串列入水

關(guān)于串列射彈入水的研究相對(duì)較少。Yun 等[55]實(shí)驗(yàn)研究了高速球體串列入水空泡形態(tài)演變特性。首發(fā)彈垂直進(jìn)入靜止水面,球體頭部觸水產(chǎn)生與球體下表面相切的向上噴濺射流空泡,次發(fā)彈進(jìn)入首發(fā)彈入水引起的向上噴濺射流空泡,并且由于次發(fā)彈下表面與向上噴濺射流空泡的接觸面更大(如圖4 所示,圖中,U0為球體1 入水速度，U20為球體2 入水速度，v1為噴濺射流速度),因而產(chǎn)生相比于單彈入水更大的空泡。隨著入水深度的增加,首發(fā)彈脫落的尾跡氣泡干擾流場,導(dǎo)致次發(fā)彈生成的空泡發(fā)生畸形并最終脫落及潰滅,隨后次發(fā)彈產(chǎn)生新的空泡。此外,Yun 等[56]還通過實(shí)驗(yàn)研究了高速球體串列斜入水空泡演變特性,由于次發(fā)球體的撞擊,首發(fā)球體加速導(dǎo)致空泡徑向尺寸瞬間膨脹,在運(yùn)動(dòng)過程中觀察到兩球體的多次撞擊現(xiàn)象。周東輝[57]數(shù)值研究了串列射彈入水特性,發(fā)現(xiàn)次發(fā)彈進(jìn)入首發(fā)彈形成的空泡內(nèi),次發(fā)彈由于阻力減小,撞擊首發(fā)彈,但是研究中并未考慮碰撞分離。余德磊等[58]開展低速回轉(zhuǎn)體串列入水實(shí)驗(yàn)研究,隨著入水初始間距增大,回轉(zhuǎn)體串列入水依次出現(xiàn)4 種運(yùn)動(dòng)模式: 碰撞擾動(dòng)、封閉空腔擾動(dòng)、過渡擾動(dòng)和弱擾動(dòng),結(jié)果如圖5 所示(圖中，δmin為尾空泡最小半徑)。受首發(fā)彈對(duì)自由液面的擾動(dòng)及脫落空泡的影響,次發(fā)彈的運(yùn)動(dòng)特性表現(xiàn)出更為復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)特征。何春濤等[59]實(shí)驗(yàn)研究了小、中、大3 種間距串列射彈入水空泡演變特性,結(jié)果發(fā)現(xiàn): 間距較小時(shí),后發(fā)彈進(jìn)入前發(fā)彈空泡內(nèi),兩者發(fā)生撞擊導(dǎo)致射彈彈道改變;當(dāng)前發(fā)彈空泡閉合于水面時(shí)后發(fā)彈入水,則彈體運(yùn)動(dòng)于首發(fā)彈尾流區(qū)中而形成不穩(wěn)定氣泡,并在首發(fā)彈尾部脫落氣泡的影響下失穩(wěn)。

圖4 向上噴濺射流空泡圖Fig.4 Diagram of cavity upward jetting

圖5 串列射彈運(yùn)動(dòng)模式Fig.5 Motion pattern of projects in tandem

當(dāng)前對(duì)串列入水的研究對(duì)象多為圓柱體和球體等簡單外形,研究速度較低,通常不超過40 m/s,對(duì)串列航行器之間的空化流場影響作用機(jī)制的認(rèn)識(shí)尚不夠透徹。復(fù)雜外形航行器的高速串列入水空泡演變特性及航行器彈道特性將是接下來的研究重點(diǎn)。多發(fā)(2 發(fā)以上)串列射彈連續(xù)發(fā)射的入水彈道特性也是未來需要重點(diǎn)關(guān)注的問題。

3 高速航行器高速入水降載

航行器高速入水過程的巨大沖擊載荷有可能使航行器頭部結(jié)構(gòu)破壞,影響航行器入水彈道特性,甚至導(dǎo)致航行器運(yùn)動(dòng)失穩(wěn)。目前已開展了大量航行器入水沖擊載荷特性的研究,形成了較為完備的沖擊載荷理論預(yù)估模型[60-62]。為了保護(hù)航行器內(nèi)部部件免受沖擊載荷的破壞,需要采取緩沖手段降低航行器高速入水沖擊載荷。常見的緩沖措施是在航行器尾部增加降落傘或氣囊[63-65]。由于降落傘或氣囊的特殊性,航行器入水過程較為復(fù)雜,為此又發(fā)展出了外形降載、頭部降載桿降載、緩沖頭帽降載及噴氣降載等降載方式。

3.1 外形降載

外形降載主要是通過改變導(dǎo)彈等航行器外形來降低入水載荷的沖擊峰值。石漢成[66]研究了半球形、錐形、斜錐形和平頭半球形等4 種不同頭型對(duì)航行器入水沖擊載荷的影響特性,分析發(fā)現(xiàn),頭部為斜錐形的結(jié)構(gòu)可以達(dá)到較好的降載效果。盧丙舉等[67]評(píng)估了空化器直徑對(duì)航行器入水降載的影響特性。Guo 等[68-69]研究了4 種頭部外形對(duì)超空泡運(yùn)動(dòng)體水平入水沖擊載荷影響特性。定義了描述頭部外形的參量CRH(caliber-radius-head),即CRH=S/D,其中,S 為頭部縱剖面輪廓曲線半徑,D 為運(yùn)動(dòng)體直徑。結(jié)構(gòu)示意圖如圖6 所示(圖中,L1為彈體柱段長度,L2為彈體頭段長度),4 種頭部外形的CRH 值分別為0.5,1.0,2.0 和3.0。結(jié)果表明運(yùn)動(dòng)體入水載荷隨著CRH 的減小而降低。

圖6 半球頭型射彈示意圖Fig.6 Diagram of hemispherical nose projectile

3.2 頭部降載桿降載

楊宇[70]在航行器頭部增加細(xì)長桿以形成包裹彈體的空泡,從而極大地降低了航行器入水時(shí)與液體的接觸面積,獲得了理想的降載效果(如圖7所示)。隨著降載桿長度L 的增加,降載率先增大后減小。降載機(jī)理是桿頭部端面入水時(shí)空氣層將持續(xù)時(shí)間較短的載荷分散,使之較為平坦,持續(xù)時(shí)間增長。加裝降載桿屬于較為新穎的降載方式,但也存在以下問題: 1)航行器在空中飛行階段,降載桿勢必會(huì)對(duì)航行器空中飛行的氣動(dòng)性存在負(fù)面影響,圓柱桿的非流線結(jié)構(gòu)不利于在空中飛行;2) 航行器完全入水后降載桿同樣對(duì)穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)存在不利影響。

圖7 附加細(xì)長桿的航行器入水歷程Fig.7 Entry process of vehicle with a slender rod attached

3.3 緩沖頭帽降載

Hinkley[71]于1975 年首先提出了加裝頭帽來降低運(yùn)動(dòng)體入水沖擊載荷的措施,緩沖頭罩為硬質(zhì)聚氨酯泡沫。與降載桿相比,緩沖頭罩高速入水時(shí),受入水沖擊力的影響而結(jié)構(gòu)破壞解體,因而不會(huì)過多影響航行器的入水運(yùn)動(dòng)姿態(tài)。其降載機(jī)理是: 航行器入水時(shí)導(dǎo)流罩破碎,緩沖材料壓縮吸能,可有效降低航行器入水沖擊載荷。宣建明等[72]研究認(rèn)為緩沖頭帽降載原理有兩個(gè)方面: 一是導(dǎo)流罩的破碎對(duì)液面產(chǎn)生足夠大的擾動(dòng),后續(xù)航行器頭部接觸水面相當(dāng)于二次入水;二是內(nèi)部的泡沫鋁板可以有效降低壓力峰值。徐新棟[73]進(jìn)一步解釋了頭帽的雙重作用,并給出頭帽破損的3 種機(jī)制,即拍碎、撐碎和彎碎,并針對(duì)拍碎和撐碎2 種破碎方式給出了相應(yīng)的應(yīng)對(duì)策略。王永虎等[74]設(shè)計(jì)了頭罩裝置的整體結(jié)構(gòu),并改進(jìn)了傳統(tǒng)泡沫塑料的力學(xué)特性,重建了降載材料的本構(gòu)關(guān)系式。Robert 等[75]通過改進(jìn)設(shè)計(jì),在頭罩中加入填充泡沫塑料組成復(fù)合結(jié)構(gòu)。Wu 等[76]數(shù)值研究了圓柱體頭罩的減阻特性,發(fā)現(xiàn)在入水速度和頭罩尺寸不變的工況下,存在最佳頭罩材質(zhì)密度。Shi 等[77]基于顯式有限元方法和任意拉格朗日-歐拉(arbitrary Lagrange-Euler,ALE)算法數(shù)值研究了緩沖頭罩高速入水的降載特性,定量評(píng)估了緩沖頭罩在不同入水角時(shí)的降載效果,發(fā)現(xiàn)航行器垂直入水時(shí),緩沖頭罩的降載效果最佳。以上研究的緩沖材料采用的都是單層結(jié)構(gòu)。施瑤等[78]設(shè)計(jì)了一種梯度密度式緩沖頭帽(如圖8 所示),采用ALE 算法分析了分層緩沖件的降載特性,相比于單層緩沖件,分層緩沖件吸能效果更好,表現(xiàn)出更好的降載效果。

圖8 梯度密度式緩沖頭帽結(jié)構(gòu)示意圖Fig.8 Structure diagram of gradient density buffer head cap

3.4 噴氣降載

噴氣降載的原理為在導(dǎo)彈等航行器即將接觸水面時(shí),從頭部噴射氣體形成氣體射流,從而減小水沖擊載荷與空泡載荷。張學(xué)廣等[79]研究了一種頭部有空腔的結(jié)構(gòu),在入水時(shí)會(huì)產(chǎn)生空氣墊效應(yīng),可以有效降低入水沖擊載荷;潘龍[80]研究了運(yùn)動(dòng)體頭部持續(xù)不斷的向外噴射非凝結(jié)氣體,在即將入水時(shí)對(duì)水面產(chǎn)生擾動(dòng),從而獲得了有效的降載效果。劉華坪等[81]得到了噴氣量及入水速度對(duì)入水沖擊載荷的影響特性,隨著通氣量的增加,降載效果增加。航行器頭部噴射氣流降載方法有一定局限性,對(duì)于高速大尺度航行器入水而言,若要獲得良好的降載效果,需要的噴氣量巨大,難以在工程實(shí)踐中應(yīng)用。趙海瑞等[82]提出帶圓盤空化器的側(cè)向噴氣裝置,可一定程度上減小高速航行器與水的接觸,從而降低入水載荷。

4 工程實(shí)踐

借助超空泡減阻技術(shù),水下超空泡航行器猶如飛行在空中一樣,航速大幅度提高?！氨╋L(fēng)雪(SHKVAL)”超空泡魚雷的問世標(biāo)志著水下武器迎來了流體動(dòng)力布局和動(dòng)力推進(jìn)方式的技術(shù)革新(見圖9(a))?！氨╋L(fēng)雪”超空泡魚雷航速達(dá)200 kn,是常規(guī)魚雷的3～4 倍,憑借無與倫比的航速優(yōu)勢,可以輕易突破敵方防線,成為對(duì)抗航母等大型水面艦的殺手锏。德國研制了具備機(jī)動(dòng)控制及制導(dǎo)功能的超空泡水中兵器—“梭魚”反魚雷魚雷(見圖9(b))[83],其采用圓錐空化器和擴(kuò)張尾段的布局模式,可以實(shí)現(xiàn)200 kn 的高航速和100 (°)/s 的強(qiáng)機(jī)動(dòng)能力。對(duì)于跨介質(zhì)超空泡航行器的工程應(yīng)用,主要是小尺度的超空泡射彈,最典型的為美國諾斯羅普·格魯門公司研制的機(jī)載快速滅雷系統(tǒng)(remote airborne mine clearance system,RAMICS),如圖10 所示。該系統(tǒng)安裝在MH-60S 直升機(jī)上,其發(fā)射的彈丸速度高達(dá)1 450 m/s,最佳入水射角為45°～60°,集瞄準(zhǔn)、發(fā)射與火控系統(tǒng)于一體。特殊尾翼結(jié)構(gòu)的彈丸結(jié)構(gòu)如圖11 所示。美國海軍已于2007 年將RAMICS 裝備部隊(duì)進(jìn)行使用和評(píng)估,形成初始作戰(zhàn)能力。2012 年,DSG 防務(wù)公司展示了一種多口徑超空泡彈藥,其對(duì)發(fā)射系統(tǒng)無特殊要求,既可從水下發(fā)射,亦可從空中發(fā)射,部分彈丸結(jié)構(gòu)如圖12 所示[84]。

圖9 超空泡魚雷Fig.9 Supercavity torpedoes

圖11 美國水下超空泡射彈Fig.11 American underwater supercavity projectiles

圖12 DSG 防務(wù)公司研制的超空泡彈丸Fig.12 Supercavity projectiles developed by DSG

5 結(jié)論

文中對(duì)跨介質(zhì)航行器高速入水空泡形態(tài)及運(yùn)動(dòng)特性、串并聯(lián)射彈入水多相流動(dòng)特性、高速航行器入水降載相關(guān)的試驗(yàn)及數(shù)值仿真研究工作進(jìn)行簡要總結(jié)與分析,考慮到跨介質(zhì)入水問題的復(fù)雜性、學(xué)術(shù)意義以及實(shí)際應(yīng)用需求,將該領(lǐng)域未來研究的重要方向歸納為以下幾個(gè)方面。

5.1 復(fù)雜海況力學(xué)環(huán)境下高速超空泡射彈入水機(jī)制

海浪造成的海面波動(dòng)將導(dǎo)致超空泡射彈入水過程產(chǎn)生強(qiáng)非線性擾動(dòng),使射彈入水姿態(tài)角發(fā)生改變,進(jìn)而影響入水過程的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性。此外,當(dāng)前的研究大多集中于亞音速射彈入水問題,跨聲速運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的激波影響運(yùn)動(dòng)體附近空泡形態(tài)及流體動(dòng)力,水的可壓縮性對(duì)空泡形態(tài)的影響也越來越顯著。研究復(fù)雜海況、水中跨聲速運(yùn)動(dòng)對(duì)入水空泡形態(tài)及射彈穩(wěn)定航行將是未來超空泡射彈工程應(yīng)用的必要基礎(chǔ)。

5.2 高密集跨介質(zhì)武器連續(xù)發(fā)射入水運(yùn)動(dòng)機(jī)制

高密集連續(xù)發(fā)射超空泡射彈是形成對(duì)水下目標(biāo)高效能打擊威懾的有效手段,然而多發(fā)射彈串列或并列入水時(shí)射彈之間將存在復(fù)雜的相互干擾作用,先發(fā)射彈不可避免地改變了后序射彈的流場環(huán)境,致使串列或并列射彈入水存在運(yùn)動(dòng)失穩(wěn)問題。國內(nèi)外針對(duì)這一問題的研究還較少,深入剖析高密集射彈串并列連續(xù)入水的多彈體影響機(jī)制,預(yù)示空泡形態(tài)及流體動(dòng)力演變特性,提出多彈體穩(wěn)定航行發(fā)射策略是高密集跨介質(zhì)連續(xù)入水裝備工程實(shí)現(xiàn)必須突破的核心關(guān)鍵技術(shù)。

5.3 大尺度航行器高速入水降載技術(shù)

當(dāng)前對(duì)大尺度航行器高速入水沖擊及降載方面的研究還很少,現(xiàn)有研究入水速度相對(duì)較低。高速大尺度航行器在入水過程中產(chǎn)生巨大的沖擊載荷,特別是小角度傾斜入水時(shí),徑向沖擊載荷產(chǎn)生的巨大彎曲力矩對(duì)航行器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了巨大挑戰(zhàn)。研究大尺度航行器高速入水降載技術(shù)是未來高速大尺度跨介質(zhì)航行器實(shí)踐進(jìn)程中需首要解決的技術(shù)難題及研究熱點(diǎn)。

以下一些問題同樣涉及到航行器跨越氣/水介質(zhì)多相流動(dòng)力學(xué)問題,如反復(fù)跨介質(zhì)出入水航行器、近水面滑飛航行器、潛射武器出筒及出水過程,帶有彈性附體的航行器落水過程,以及空間返回艙水面回收過程等也是跨介質(zhì)多相流領(lǐng)域未來需要關(guān)注的重點(diǎn)。