鈍體傾斜和垂直沖擊入水時引起的超空泡流動特性實驗研究*

施紅輝,胡青青,陳 波,賈會霞

(浙江理工大學機械與自動控制學院,浙江 杭州 310018)

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鈍體傾斜和垂直沖擊入水時引起的超空泡流動特性實驗研究*

施紅輝,胡青青,陳 波,賈會霞

(浙江理工大學機械與自動控制學院,浙江 杭州 310018)

對4種不同頭型的鈍體、以不同初始速度在小傾斜角度和垂直狀態下入水，所產生的空泡流進行了的實驗觀察，分析了不同工況下空泡產生和發展的特性。實驗結果表明：對于傾斜入水及垂直入水，圓臺頭和平頭(即空化器均為圓盤)實驗體均能形成較穩定的入水彈道；初始入水速度較低時，空泡的閉合方式為深閉合；初始入水速度較高時，空泡的閉合方式為表面閉合，且運動速度衰減得更快。測量得知，鈍體傾斜入水產生的空泡的前部外形輪廓與Logvinovich的半經驗公式給出的結果相吻合。在垂直入水的情況下，調查了物體頭部對空泡的起始點位置及其形態的影響。

爆炸力學;空泡形態;傾斜入水;鈍體;速度;自由液面

運動體從空氣中撞擊自由面進入水中，在運動體頭部附近發生流動分離，形成一個開口空腔，使運動體除頭部外的部分處于空氣包層中，該空腔被定義為入水空泡[1-2]。彈體以一定速度沖擊入水后，在超空泡內運行，彈體如何能夠以最正確的姿態和最佳的速度到達所設定的目標地，這與高速彈體在水中運動產生的空泡形態和變化規律密切相關。不同的空泡形態以及彈體在空泡內部的運動姿態直接決定彈體表面與水介質接觸的面積，從而影響彈體入水后的運動阻力和軌跡。產生理想的空泡形態，是入水彈體和水彈道設計中所關心的，也是流體力學上需要解決的關鍵性基礎問題[3]。另一方面，利用超空泡的減阻效果，提高入水后水下兵器的作戰性能，已成為當前的發展趨勢[4]。水下兵器的技術性能不可避免地與空化泡的形成聯系在一起，要考慮固體、氣體和液體的物理特性才能確定作用力，而這些力和重力及慣性力一起決定了彈體在入水過程中的受力狀態[5]。早期對于入水問題的研究，大多將重點放在入水時物體受到的沖擊作用力和物體的結構強度上，而且實驗主要是針對垂直入水的[6]。對于小角度(入水軌跡線與水平面之間的夾角)傾斜入水，T.Trucott等[7]進行了實驗研究，他們用步槍發射子彈,使其以5°～15°的角度進入水箱，觀察了在淺水區超空泡的形成和發展，并與G.V.Logvinivich的半經驗公式[8]進行了比較。但是，他們沒有研究鈍體入水速度的變化對空泡閉合過程的影響以及鈍體的頭型對入水后物體的運動軌跡的影響。

本文中，采用一級輕氣炮在18°的角度下發射鈍體入水，進一步研究鈍體入水后所產生的空泡的發展過程，以及同時出現的鈍體的水下運動軌跡和速度衰減。作為對傾斜入水實驗的補充，還進行由重力加速鈍體入水的實驗，研究頭型對空泡產生的初始位置以及整體形狀的影響。

1 實驗裝置和實驗方法

實驗系統主要包括3部分:實驗觀測系統、數據采集系統和鈍體發射系統[9-10]，實驗系統整體結構如圖1所示。實驗觀測系統主要由實驗水箱及其附屬裝置構成。實驗水箱的前后兩面開設有0.8 m×1.1 m的6個觀察窗口，左右兩面開設有法蘭孔。觀察窗口外側覆蓋著有機玻璃。鈍體傾斜地穿過水面后在水中運行，觀測窗口為觀察鈍體軌跡和空泡發展提供了足夠廣闊的視場。數據采集系統主要包括高速攝影裝置、計算機及輔助光源等。鈍體發射系統主要包括高壓氣瓶、電磁閥、高壓氣缸、管閥連接器、發射管、支撐架、移動小車和支撐底座等。18°的入水角度的選擇不是刻意所為，而是由于發射系統與水箱法蘭之間匹配限制的緣故。更多技術細節，可見文獻[11]。

圖1 彈體發射系統的結構示意圖Fig.1 Schematic of the experimental setup

實驗主要工作過程為：先移動氣缸支架，打開管閥連接器，將鈍體放入發射管中，鎖緊管閥連接器；在水箱內放入實驗所需的一定深度的水，打開高壓氣源將高壓氮氣充入到高壓氣缸中，使高壓氣缸的壓力達到實驗需要的壓力值；打開電磁閥，高壓氣體推動鈍體高速運動，高速鈍體入水產生超空泡流。待實驗發射系統準備就緒后，根據預設的拍攝參數及輔助光源的擺放位置，打開燈光，調出拍攝記錄窗口。按下發射開關的同時，點擊拍攝開始按鈕，同步記錄彈體運行及空泡發展過程。一組實驗結束，關閉燈光，終止該次拍攝。保存相關數據后，打開發射管及管閥連接器，更換彈體，進行不同條件的實驗研究。

2 實驗結果及分析

2.1 頭型對鈍體入水后運動穩定性的影響

首先要研究鈍體形狀對入水過程的影響[12]。現選取7種不同幾何尺寸的鈍體進行實驗，它們的外形尺寸如圖2所示。圖2(a)中的4個鈍體用于傾斜入水實驗，從左到右依次是圓臺、平頭、圓頭和尖頭；圖2(b)中的3個鈍體用于垂直入水實驗,鈍體的材料為鋁鎂合金。

圖2 鈍體外形尺寸Fig.2 Geometry of the blunt body shapes

實驗工況在表1中給出，各實驗中的水深為59～62 cm[10]。圖3～9給出了各工況下入水過程的高速攝影照片，拍攝速度均為500 s-1，相鄰2幅照片之間的時間間隔為2 ms。下面通過討論實驗結果，分析相關超空泡流動的特性。

表1 不同工況下的實驗參數Table 1 Experimental parameters in different cases

如圖3～6所示，平頭、圓頭、圓臺頭和尖頭4種頭型的鈍體傾斜入水過程基本都經歷了撞擊、流動形成、空泡形成和空泡閉合這4個過程。這4個實驗的入水初速度基本上屬于同一數量級。對比可知，圓臺頭和平頭(即空化器均為圓盤)鈍體形成了較穩定的入水彈道(基本上保持直線運動)，如圖3、5所示。圓頭鈍體、尖頭鈍體的入水彈道穩定性依次遞減，例如從圖4(f)中可以看到圓頭航行體尾部已經開始撞擊到空泡壁的上側，鈍體運行軌跡發生偏轉；尖頭航行體沖擊水面后，從圖6(b)中可以看到整個鈍體運行的姿態很快發生了順時針偏轉。

圖3 工況1中的鈍體傾斜入水Fig.3 Oblique water entry of the blunt body in case 1

圖4 工況2中的鈍體傾斜入水Fig.4 Oblique water entry of the blunt body in case 2

圖5 工況4中的鈍體傾斜入水Fig.5 Oblique water entry of the blunt body in case 4

圖6 工況7中的鈍體傾斜入水Fig.6 Oblique water entry of the blunt body in case 7

多次重復實驗后，均發現圓頭和尖頭的鈍體在相同工況下很容易俯沖或出現向上彎軌道的情況，出現忽撲、彈跳等不穩定運行的行為[10]。分析認為：在小角度傾斜入水的時候，尖頭鈍體在沖擊水面瞬間不是頭部頂端先接觸水面，而是下側的肩部拐角處先接觸水面；這樣向上運動的水花會沖擊尖頭的下側面，給鈍體施加了一個順時針力矩。圓頭鈍體的情況也類似，但受影響的程度應該小于尖頭鈍體。當然，入水前物體具有初始慣性，即使受到力矩作用，也不一定馬上發生較大的偏轉。

通過重力加速自由落體的鈍體，實現了垂直入水實驗。圖7～9分別給出了平頭、圓頭和尖頭3種頭型的鈍體垂直入水誘導產生超空泡的發展過程。

圖7 工況8中的鈍體垂直入水Fig.7 Vertical water entry of the blunt body in case 8

圖8 工況9中的鈍體垂直入水Fig.8 Vertical water entry of the blunt body in case 9

圖9 工況10的鈍體垂直入水Fig.9 Vertical water entry of the blunt body in case 10

與傾斜入水工況類似，平頭和圓頭鈍體的運行穩定性較好，尖頭的較差(實驗照片顯示，此時是因為尖頭鈍體與空泡壁面碰撞后發生軌跡偏移)。這3個鈍體的入水速度基本相同(見表1)，圖7～9中所示的入水時刻也基本相同，但是空泡表面閉合的時間有差異。平頭鈍體的空泡表面閉合發生在圖7(b)的時刻，也就是入水后的2 ms；圓頭鈍體的空泡表面閉合發生在圖8(b)和圖8(c)之間的時刻，也就是入水后的3 ms；尖頭鈍體的空泡表面閉合時間發生在圖9(d)的時刻，也就是入水后的6 ms。表面閉合時間長，意味著有更多的空氣被吸入空泡，不但使空泡直徑增大，而且流動著的空氣有可能擾動相對細長的物體，使其與空泡壁面碰撞。在何春濤等[13]的低速圓柱體入水實驗研究中，并未涉及物體頭型對空泡表面閉合時間的影響。

2.2 入水初始速度對運動穩定性和空泡閉合方式的影響

鈍體入水時的初始速度是鈍體入水前自身所帶的所有動能的體現，是鈍體運行距離以及能否發生空泡流的決定性因素。如果入水速度過小，鈍體在水中將不能完全被空泡包裹，從而摩擦阻力增大，運動距離縮短。圖10和圖11對比了工況6和工況3這2個高速和低速入水工況。由圖可知，在入水角度為18°時，入水初始速度對入水初始彈道影響不明顯，鈍體基本都是沿著近似相同的彈道運動(基本上保持直線運動)。觀測空泡形態后可知，在低速鈍體入水的情況下，空泡的外形尺寸相對較小；而在高速鈍體入水的情況下，空泡的外形尺寸相對較大，在工況6中的空泡最大直徑是工況3的2～3倍。

圖10 工況6中的鈍體高速入水Fig.10 High-speed water entry of the blunt body in case 6

圖11 工況3中的鈍體低速入水Fig.11 Low-speed water entry of the blunt body in case 3

另外，實驗指出鈍體在不同的初始速度下入水后，空泡的閉合方式是不同的。入水速度較低時(工況3和4)，閉合方式為在自由液面以下某一深度發生空泡閉合，即深度閉合，見圖12(a)；入水速度較高時(工況5和6)，空泡易于在自由液面處發生空泡閉合，即表面閉合，見圖12(b)。

圖12 典型的空泡深度閉合和表面閉合Fig.12 Deep closure and surface closure of the cavity

2.3 不同初始速度的鈍體入水后運行速度的變化

圖13給出了不同初速度下尺寸完全相同的圓臺頭鈍體傾斜入水后的運動位移和速度曲線。

圖13 不同初速度下鈍體入水后的位移和速度對比Fig.13 Comparison of displacement and velocity after water entry among the blunt bodies with different initial velocities

因為鈍體要克服摩擦力阻力，所以隨著時間的延長，它的速度呈衰減趨勢。但是在不同初始入水速度下，鈍體速度衰減率有較大的區別，即初始入水速度越大，鈍體速度衰減越快；初始入水速度較小時，鈍體運行速度衰減較慢。從位移曲線可以看出：對于初始速度大的鈍體，雖然其速度衰減很快，但在較短的時間內由于鈍體自身帶有較大動能，可以使鈍體在速度完全衰減到零之前，達到較遠的運行距離；對于初始速度低的鈍體，雖然其自身所帶的動能較小，運動速度不高，但由于在入水時也能夠卷入一定量的空氣，這些空氣能增加空泡存在的時間，使鈍體能夠一直被完全包裹在空泡內部，從而能減小鈍體周圍與水的接觸面積，實現減阻，這樣保證了鈍體運行軌跡的延長。

2.4 空泡外形輪廓特性分析

圖14 空泡外形輪廓的測量方法Fig.14 The measuring method of the cavity contour

空泡的外形尺寸受空化器形狀、邊界條件、彈體在空泡內的穩定性等因素的影響，下面結合空泡外形輪廓的相關公式對入水空泡的外形輪廓特性展開分析。G.V.Logvinovich在1969年提出的空泡界面擴張的獨立原理，給出了計算空泡外形輪廓的半經驗公式[8]，空泡輪廓前沿部分(x≤2R0)的表達式為：

R(x)=R0(1+3x/R0)1/3

(1)

后沿部分(x>2R0)的表達式為：

(2)

式中：χ=0.85為修正系數，Rk為空泡的最大直徑，R1為x= 2R0時空泡的直徑,xk為空泡最大直徑處對應的x值。

空泡外形輪廓測量的方法如圖14所示,由于入水空泡閉合前尾部形狀復雜，故只對能夠測量的部分進行測量后對比分析。利用式(1)～(2)，結合從高速攝影照片測得的數據，繪制出超空泡的外形輪廓,并與式(2)對比，見圖15。

由式(2)得到的空泡外形輪廓是一個軸對稱的橢球形，由實驗圖片測量得到的空泡前段部分的形狀和式(2)的吻合較好，在后半段特別是靠近自由液面的空泡尾部出現一定偏離，呈現非軸對稱狀態。這可能是因為鈍體入水沖擊水面形成空泡時，卷入了空氣，使空泡尾部被擾動；而自由水面產生水花的同時，也會產生反向的再進入射流沖擊空泡的尾部，使空泡尾部形態發生變化。對比鈍體入水后4個不同時刻的空泡形態變化，發現隨著時間的增長，運動體距離入水點越遠，且空泡沿著鈍體的運動軌跡一直做徑向擴張，直至空泡閉合。圖15的對比，從另一個角度證實了本文實驗的可靠性。

圖15 工況3實驗和Logvinovich理論確定的超空泡外形輪廓位置Fig.15 The cavity contours by current experiment in case 3 and Logvinovich’s theory

對不同頭型鈍體垂直入水產生空泡時，空化起始發生點做進一步分析(由于垂直入水空泡實驗所用鈍體直徑(12 mm)較大，空泡尺寸也較大，這有利于更清晰地拍攝到的空泡形態)，因為這與物體的受力狀密切相關[14]。超空泡的起始點將發生在鈍體表面上的最小壓力處。在圖16(a)中，從左到右示意出了3種不同頭型鈍體產生空泡時，前端空泡起始發生點的位置。圖16(b)和16(c)分別給出了相應的3種頭型的實驗和數值結果[10]。

對比實驗結果和數值計算結果[10]，不難發現平頭鈍體的空泡產生于前緣拐角處，圓頭鈍體的空泡起始于圓頭的前緣部分(依照速度大小會前后移動)，尖頭鈍體的空泡起始于錐型和柱體交界的凸緣處。鈍體的頭部形狀不僅會影響空泡的起始點位置，也會影響空泡的形態大小，所以選擇合理的頭型是保證鈍體能夠在超空泡流狀態下穩定運行、實現減阻所要考慮的重要因素之一。

圖16 垂直沖擊入水時鈍體頭部形狀對超空泡發生位置的影響Fig.16 The dependence of the supercavitation beginning points on the head shapse of blunt bodies in the case of vertical water entry

3 結 論

通過實驗，對小角度傾斜入水及垂直入水鈍體的頭型、初始速度等因素進行了分析，研究了不同工況下的空泡形態發展過程中諸多復雜因素。結論如下：(1)頭型對鈍體入水空泡的彈道及形態特性有重要影響，在傾斜入水及垂直入水時，圓臺頭和平頭的鈍體能形成較穩定的入水彈道，圓頭和尖頭鈍體的入水彈道較不穩定。(2)入水初始速度對入水初始彈道穩定性影響不明顯，但不同初始速度下空泡的閉合方式不同，即初始速度較低時入水空泡的閉合方式是深度閉合，初始速度較高時入水空泡的閉合方式是表面閉合。(3)不同初始速度下鈍體速度都隨時間衰減，而且初始速度越大，鈍體速度衰減得越快。(4)對于傾斜入水的空泡，其空泡前部外形輪廓是一個關于軸對稱的橢球體；對于垂直入水的空泡，鈍體的頭部不僅會影響空泡的起始點位置，也會影響空泡的形態大小。

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(責任編輯 張凌云)

Experimental study of supercavitating flows induced by oblique and vertical water entry of blunt bodies

Shi Hong-hui, Hu Qing-qing, Chen Bo, Jia Hui-xia

(SchoolofMechanicalEngineeringandAutomation,ZhejiangSci-TechUniversity,Hangzhou310018,Zhejiang,China)

Small-angle oblique and vertical water entry experiments were carried out to observe the supercavitation generated by the blunt bodies with different initial velocities. The development features of the supercavitation in different cases were analyzed. Experimental results show that for small-angle oblique and vertical water entry, the the round-head and flat-head (disc cavitator) blunt bodies can form stable trajectories. When the initial water-entry velocity is lower, the closure mode of the cavity is deep closure. When the initial water-entry velocity is higher, the closure mode of the cavity is surface closure, and its speed decay rate is larger. For the supercavity generated by the small-angle oblique water entry of the blunt bodies, the front part of the supercavity contour is in agreement with the result by G.V. Logvinovich’s semi-empirical formula. For the vertical water entry of the blunt bodies, the influences of the head shapes were discussed on the beginning points and morphologies of the supercavities.

mechanics of explosion; supercavity morphology; oblique water entry; blunt body; velocity; free surface

10.11883/1001-1455(2015)05-0617-08

2014-03-19；

2014-06-05

浙江省自然科學基金項目(LQ13A020005,LQ13A020006,Z1110123)

施紅輝(1962— ),男,博士,教授,博士生導師,hhshi@zstu.edu.cn。

O382.1 國標學科代碼： 1303530

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