圓柱殼體低速入水空泡試驗研究

段宇 李琪

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

關(guān)鍵詞：入水沖擊；空泡；沖擊動力學(xué)；高速攝像機

中圖分類號：TB114. 2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：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，無不存在著入水沖擊問題。入水沖擊問題作為涉及固、液、氣三者相互耦合的一種復(fù)雜的物理過程[1]，在結(jié)構(gòu)物入水沖擊的瞬間，會導(dǎo)致周圍流體介質(zhì)的運動；反過來，流體介質(zhì)對結(jié)構(gòu)又會施加反作用力，特別是在入水沖擊初期瞬間，由于過程十分短暫，大約為毫秒量級，故結(jié)構(gòu)物會遭受巨大的沖擊載荷，這就涉及到結(jié)構(gòu)入水沖擊動力學(xué)問題[2]。關(guān)于這一問題，國內(nèi)外學(xué)者展開了深入的研究，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，試驗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，并用高速照相機捕捉了試驗圖像，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)展過程，并補充了雙彈體同時入水試驗，與單個試驗物入水試驗進(jìn)行對比，比較其入水空泡發(fā)展過程的不同。顧建農(nóng)等[4]進(jìn)行了旋轉(zhuǎn)彈頭水平入水的試驗研究，試驗中使用了彈道槍進(jìn)行發(fā)射，入水速度達(dá)到 130～400 m/s的高速度，試驗進(jìn)行了普通彈頭和圓球彈頭兩種頭型子彈的入水試驗，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，試驗中所用球體為標(biāo)準(zhǔn)臺球，并采用自由落體的方式進(jìn)行試驗物釋放，用高速攝像機記錄了這一試驗過程，重點分析了空泡產(chǎn)生、發(fā)展、閉合和消失過程。得到了入水初始速度對于入水過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。張岳青等[6]進(jìn)行了楔形體垂直入水試驗，并用高速攝像機采集了入水過程的動態(tài)圖像，重點考察了試驗過程中的加速度響應(yīng)，得到了楔形體密閉空腔與加速度響應(yīng)之間的關(guān)系。

本文通過自行設(shè)計的試驗裝置進(jìn)行了三種不同頭型的圓柱殼體的低速入水試驗，并用高速攝像機記錄了這一過程，通過DIC（Digital Image Correlation）技術(shù)對后期圖像進(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）簡介

數(shù)字圖像相關(guān)方法的基本原理是通過圖像配準(zhǔn)的方法處理材料或結(jié)構(gòu)變形時的圖像，從而得到變形過程的位移場和應(yīng)變場[7]。DIC（數(shù)字圖像相關(guān)方法）又稱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)變測量方法，通過對比變形前后的圖像特征，基于光流法，得到物體的位移場和應(yīng)變場。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）像素大小的計算子窗口A，子窗口A的中心點為B；變形圖像中子窗口移動到了A'，中心點為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中心點的位移為B'、B位移之差，即（u0，v0） 。窗口中任意一點C距離中心點B（？駐x，？駐y）的位移為（u（x，y），v（x，y））。其在簡單應(yīng)變狀態(tài)下滿足：

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，取遍整個圖像，即可得到整體的應(yīng)變場[8]。在實際操作過程中，首先在圖像中的圓柱殼體上建立散斑區(qū)，隨機布置種子點，首先進(jìn)行預(yù)計算，可以順利完成計算的種子點進(jìn)行保留，無法完成所有圖像計算的種子點被刪除，設(shè)置內(nèi)部參數(shù)結(jié)束后，進(jìn)行圖像全場位移與應(yīng)變計算分析，分析結(jié)束后，輸出所需方向的位移數(shù)據(jù)，通過計算得到試驗所需的速度數(shù)據(jù)。

3 試驗過程

本文試驗在西北工業(yè)大學(xué)水動力模型實驗室的滑軌入水平臺上進(jìn)行，整個入水平臺由20號鋼制成，穩(wěn)定性良好，該入水平臺可以控制實驗?zāi)Ｐ腿胨俣龋胨壽E角度和入水姿態(tài)角度。通過調(diào)節(jié)兩個鋼架底座之間的距離，可以改變?nèi)胨壍赖母叨龋M(jìn)而改變?nèi)胨壽E角，通過調(diào)節(jié)釋放系統(tǒng)中試驗物的姿態(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，通過轉(zhuǎn)動絲杠來壓縮彈簧，利用將彈簧釋放瞬間的彈性勢能轉(zhuǎn)化為載物滑塊的動能，通過改變彈簧的壓縮量來改變結(jié)構(gòu)物入水的速度。在平臺上部放置載物滑塊，滑塊殼體中各用螺栓固定四個滑輪，與鋼管導(dǎo)軌組成滾動摩擦，減少摩擦力以減少動能損失，滑塊在彈簧作用下彈射，運動到軌道末端時，由于滑塊遮擋住光電門導(dǎo)致開關(guān)閉合，加持結(jié)構(gòu)物的電磁鐵開始工作，從而將滑塊上的結(jié)構(gòu)物釋放。試驗過程中，運用高速攝像機拍攝結(jié)構(gòu)體入水的過程，記錄入水姿態(tài)及運動過程。試驗中所用的水箱由玻璃鋼制成，長3 m，寬1 m，高1 m，壁厚0.2 m，試驗所用圓柱殼體長45 mm，直徑45 mm，壁厚5 mm。材質(zhì)均為鋁。試驗中所使用的高速攝像機是由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程中的時間和空間分辨率，本文選取1 000幀/s的拍攝速度以及1 280×800像素分辨率。由于沖擊動力學(xué)試驗過程歷時十分短暫，拍攝過程中需保證曝光時間極短，則必須以強光源照射，本文選用了2個型號為AFT-HLS100W的LED光源燈作為輔助光源進(jìn)行照射。

4 試驗結(jié)果

從高速攝像機記錄的試驗圖像中可以看出：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)對于其的阻力大于圓球頭圓柱殼體，致使其具有較大的與運動方向相反的加速度。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)致其運動方向發(fā)生改變，而圓球頭圓柱殼體頭部較為光滑，水體對其作用力基本均沿其法線方向指向頭部球心，故其運動方向并未發(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，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，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，并通過高速攝像機記錄了入水過程中的空泡發(fā)展歷程。②通過DIC（數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)）得到了試驗物入水的速度和加速度變化。③通過試驗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，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，運動方向基本不變，空泡發(fā)展軌跡基本成一條直線。

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