細長體出水動力學的實驗研究及數值模擬

陳 波, 彭立兵, 施紅輝, 賈會霞

(浙江理工大學 機械與自動控制學院, 杭州 310018)

細長體出水動力學的實驗研究及數值模擬

陳 波, 彭立兵, 施紅輝*, 賈會霞

(浙江理工大學 機械與自動控制學院, 杭州 310018)

航行體出水過程涉及到氣液兩相交界，流場是非定常且高度非線性的，是一個非常復雜的過程。為了深入研究該問題，采用實驗和數值模擬相結合的方法研究了細長體垂直出水過程的水動力特性。實驗在二維水箱中進行，采用高速攝影儀拍攝了不同速度下細長體垂直出水流場。數值模擬采用VOF模型，結合動網格和UDF技術對相應的實驗工況進行了模擬。研究了細長體水下運動過程中空泡的生長和潰滅機理，以及細長體出水時對自由液面的干擾規律。實驗研究表明：(1) 細長體在完全出水時刻出水速度發生突增；(2) 隨著細長體速度的增大，空泡產生的部位是從尾部開始，然后再在頭部出現；(3) 當細長體頭部沒有局部空泡產生的時候，細長體出水時會造成明顯液面隆起現象，當細長體頭部產生局部空泡后，細長體出水時，沒有明顯液面隆起現象，但是會產生“噴濺”現象。數值計算表明：在不產生空泡的情況下，細長體頭部接近水面到完全出水的過程中，自由液面都會隆起，尾部出水時液面隆起的程度比頭部出水時大。通過比較數值計算結果與實驗結果，兩者吻合較好。

細長體；出水；空泡；自由面

0 引 言

物體在水中運動時，需要克服黏性阻力，而這種阻力大約是空氣阻力的1000倍[1]，科學家們發現利用空泡可以有效地減小航行體的阻力，現在空泡減阻技術已經逐漸成熟并得到大量的應用。我國近幾年來在空泡減阻技術方面開展了大量的研究，發表了大量的關于空泡機理及航行體周圍流場性質研究的論文[2-4]，但這些研究結果還沒有達到國際領先水平。由于高速物體出入水所產生的空泡問題涉及到液面和空泡面兩個非線性自由邊界，具有強非線性和瞬態特性，因此超空泡減阻技術方面的研究既迫切也困難[5]。目前空泡發生裝置有很多：實驗水洞，拖曳水槽和射彈實驗，每種實驗系統都有各自的優勢，經過比較后本實驗采用高壓氣體驅動射釘模型，利用高速攝影儀及輔助裝置抓拍射釘垂直出水時周圍形成空泡的形狀及發展機理以及不同模型和不同工況下對自由液面的擾動。在實驗研究的基礎上，利用Fluent模擬計算了相關工況，將計算結果與實驗結果進行了對比。

本文的研究與潛射導彈技術直接相關。潛射導彈的關鍵技術之一是了解彈體從水中進入空氣后因阻力的突然減小而帶來的額外瞬時載荷。這就必須準確知道出水前后物體速度的變化。然而到目前為止，這方面的數據十分缺乏，這與實測中彈體動量很大不無關系。本實驗采用的細長體質量只有0.7g，因為物體很輕，容易感受到跨越水面時阻力的突然變化。

1 實驗裝置及方法

本實驗采用高壓氣體將實驗模型噴射到二維水箱[6]的方法來研究出水問題，實驗系統包括：實驗水箱、水箱支撐架、高速攝影儀、計算機、照明燈，空氣壓縮機、射釘槍，實驗簡圖如圖1所示。

根據實驗要求搭建好實驗裝置，給二維水箱注滿實驗所需高度的水，打開照明燈，布置好高速攝影儀調好焦距以及白平衡，打開射釘槍的釘夾，安裝好實驗所需型號的射釘，開動空壓機等待壓力達到射釘驅動壓力，打開高速攝影儀，按下錄制按鈕5s之后，射釘槍對著法蘭盤入口打射釘，待打完射釘之后，關閉照明燈并且停止錄制，重復上述步驟可以錄制到其它工況的動畫。

將實驗錄制的視頻借助Premiere.Pro.CS3.3.20進行剪切以及分幀處理，利用Photoshop cs6.0對圖片進行剪切處理以及位移測量。本實驗測量釘體位移時為了減小誤差，采用兩個基準面見(如圖2)，分別是水面和照片的底部，測量出釘尖與這2個基準面的距離，相鄰2張圖片釘子的位移差為ΔL，相鄰兩張照片的時間間隔Δt為1ms且固定不變，然后分別求得2組速度， 取其平均值可得到射釘的出水速度，計算結果的精度為2%[6]，利用 Origin8.0對測量數據進行處理。

1 水箱上蓋板; 2 水箱支架; 3 法蘭口; 4 水箱下蓋板; 5 水箱; 6 有機玻璃視窗; 7 水箱固定架; 8 水箱底部開關; 9 射釘槍; 10 空氣壓縮機; 11 照明燈; 12 高速攝影儀; 13 電腦; 14 射釘

圖1實驗系統簡圖

Fig.1 Schematic of experimental system

圖2 細長體位移測量

本實驗是在室溫30℃，水溫26℃下開展的，實驗水箱固定不動，并且充有所需高度的自來水，實驗工況如表1所示。由于射釘釘帽與射釘槍的吻合程度不同，盡管驅動壓力都是0.9MPa，但是射釘射出時速度有較大差異。

表1 實驗工況

實驗所用射釘模型如圖3所示。

圖3 實驗所用射釘模型

2 實驗現象及分析

圖4(a)、(b)、(c)是20mm長度射釘垂直出水時的照片，圖5(a)、(b)、(c)是25mm長度射釘垂直出水時的照片，圖6(a)、(b)是30mm長度射釘垂直出水時的照片，圖7(a)、(b)是 50mm長度射釘垂直出水時的照片，其中拍攝頻率為1000幀/s，曝光時間為1ms，相鄰2幅照片時間間隔為1ms。

(a)

(b)

(c)

利用第1節所述的數據測量方法我們得到了不同長度的釘體在垂直出水時的速度變化曲線(見圖8)。圖8的水平軸為射釘航行時間，0時刻是射釘尾部完全出水的時刻，垂直軸為射釘的速度。

(a)

(b)

(c)

(a)

(b)

(a)

(b)

圖8 不同長度射釘出水的速度圖

從圖8中我們可以直觀地看出速度隨時間變化的規律，射釘出水時的速度總體趨勢是下降的，這是因為射釘離開射釘槍之后靠的是慣性航行，沒有動力提供源，加上流體的粘性作用在射釘表面產生的阻力使射釘出水的速度開始下降。并且速度越大，下降的趨勢越劇烈，這是由于速度越大，物體所受的阻力越大造成的。從速度曲線圖中發現在0ms時刻(射釘尾部與自由液面脫離的時刻)，射釘出水速度有一個“跳躍”，這種現象也發生在吳巖[7]的實驗中，造成這樣的原因分析如下：隨著射釘釘尖隨時間不斷的露出水面，液體與射釘壁面的接觸面積不斷減小，粘性阻力減小(水的粘性系數大約是空氣的55倍)，釘體壁面所產生的空泡在自由液面附近開始潰滅，此時釘體的附加質量力迅速下降，所以射釘的速度也會發生變化。 圖4中，射釘在整個運動過程中，沒有出現明顯的空泡；圖5和6中射釘的尾部出現了表面粗糙，呈白沫狀的不透明柱形空泡尾跡；圖7中，除了空泡尾跡外，出現了包裹著射釘頭部的不透明空泡。對照圖8的速度可以看出，隨著速度的增加，空泡產生的部位是從尾部開始，然后再在頭部出現，并且空泡的數量也呈增加的趨勢。尾部的空泡是由于射釘運動的時候與水體發生相對運動，由于尾部流線的突變，在其尾流中產生高剪切區，在這些高剪切區的漩渦中會出現最小壓力中心[8]。當空化數低于初生空化數的時候，空泡在這些最小壓力中心以及壓力小于汽化壓力的區域產生，并且隨著水流的局部流速運動，在射釘的尾部集聚，形成柱形空泡尾跡。當射釘尾部離開水面后，空泡逐漸潰滅、消散。當速度增加后，空化數繼續減小，由于射釘頭部的流線產生的剪切層區域也開始出現空化，并且集聚附著在射釘頭部，形成局部空化泡。當射釘頭部開始出水時，由于介質變化，射釘頭部周圍的水與射釘表面的較高相對運動速度不能維持，空化產生和維持的低壓條件消失，射釘頭部尖端的空泡開始潰滅，隨后沿射釘軸向逐步向下推進，這種現象與尤天慶等[9]的結果相符合。當射釘尾部進入頭部產生的空泡區域時，射釘尾部柱形空泡尾跡與射釘頭部的空泡匯和，射釘尾部穿過空泡區域出水，在射釘出水后，空泡繼續潰滅、消散。

從圖4～6可以看出，當射釘頭部出水時，自由液面隆起比較明顯，這是由于液體的粘性使得射釘周圍的水跟隨射釘向上運動使得水面隆起[9]。從圖7可以看出，射釘出水的整個過程中，沒有出現明顯的液面隆起現象，取而代之的是“噴濺”現象。分析原因，可能是由于50mm射釘出水過程中速度較大，在射釘頭部形成了包裹頭部的局部空泡，并且該局部空泡在射釘出水的整個過程都存在，由于空泡的隔離作用，使得射釘周圍的水跟隨性較差，所以沒有造成明顯的液面隆起。由于射釘頭部空泡的存在，射釘出水時空泡潰滅對水體產生強大的撞擊作用，造成了“噴濺”現象。此外射釘尾部出水造成的“噴濺”現象最為劇烈，帶出水面的水量最多。

3 數值計算模型

本算例中計算區域為二維區域，長取40R，其中R為射釘的直徑，射釘底部距底面距離為15R，射釘頭部距水面25mm，網格的劃分采用三角形非結構網格劃分，網格數量在6萬左右，圖9是射釘計算區域示意圖。其中計算區域的左右兩側以及底邊設置為無滑移的壁面，考慮重力的影響，相對壓力參考點選擇在自由液面處，頂邊設置為壓力出口，表壓力設置為0，本算例選擇20mm射釘，射釘頭部距自由液面25cm，出水速度為5m/s。湍流模型采用k-ε雙方程模型，壓力速度耦合采用PISO格式，梯度采用最小二乘法，壓力采用PRESTO格式，動量采用二階迎風格式，體積分數采用Geo-Reconstruct格式[10]。利用UDF程序控制射釘的運動，VOF兩相流模型來跟蹤自由液面變形情況。經過38h計算，射釘運動到頂端邊界，計算過程穩定且收斂速度較快。

4 數值計算結果及分析

圖10給出了20mm射釘以5m/s垂直出水時，不同時刻頭部對自由液面擾動圖，從中可以清楚地看出 4ms時刻自由液面沒有隆起，射釘隨時間的推移不斷上升，在5ms時刻射釘頭部即將接近水面時，由于水的粘性作用自由液面微微隆起，6ms時刻射釘頭部“擠破”自由液面[11]，自由液面的變形十分清晰合理，射釘壁面上粘附部分水并隨著射釘的運動繼續隆起，這種現象與本文中的實驗現象(見圖11)十分吻合，說明Fluent的模擬結果是準確可信的。

本實驗中射釘尾部有一個釘帽，它對自由液面的影響也是需要考慮的，圖12為不同時刻釘尾對自由液面的擾動變化情況。從圖中，我們可以清楚地觀察出射釘在各個時刻對自由液面的擾動，在8ms時刻即射釘尾部接近自由液面時，自由液面變形隆起較大，到9ms時刻射釘尾部幾乎與自由液面平齊，液面隆起繼續增大，到10ms時刻射釘尾部即將脫離自由液面，由于粘性作用力以及慣性被釘尾帶起的液峰繼續升高，到11ms液峰升高到極限并在重力作用下開始回落，這與實驗中20mm射釘出水現象(見圖13)比較吻合。

圖9 射釘計算區域示意圖

(a)

(b)

圖11 射釘垂直出水時頭部對自由液面擾動變形圖

(a)

(b)

圖13 射釘垂直出水時尾部對自由液面擾動變形圖

通過對比射釘頭部和尾部對自由液面的影響還發現尖銳的頭型對自由液面隆起的影響較小，而平鈍的尾部對自由液面隆起的影響較大，并且液面的抬升[12]發生較早。

5 結 論

(1) 用二維水箱進行了水下高速航行體實驗研究，利用水動力學和空泡知識對射釘出水過程中所伴隨產生的空泡流場的變化特性進行了分析。實驗證實了細長體在出水前后，速度發生突增；

(2) 隨著細長體出水速度的增大，空泡產生的部位是從尾部開始，然后再在頭部出現，空泡的產生以及潰滅規律與空泡經驗模型相符；

(3) 當細長體頭部沒有局部空泡的時候，細長體出水時會造成明顯液面隆起現象，當細長體頭部產生局部空泡后，細長體出水時，沒有明顯液面隆起現象，但是會產生“噴濺”現象；

(4) 當沒有產生空泡時，細長體的尖銳頭部對自由液面隆起程度影響較小，而細長體平鈍的尾部對自由液面隆起程度影響較大；

(5) 數值計算結果與實驗結果吻合較好。

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(編輯：張巧蕓)

Experimental and numerical study on hydrodynamic characteristics in water-exit of slender body

Chen Bo, Peng Libing, Shi Honghui, Jia Huixia

(College of Mechanical Engineering & Automation, Zhejiang Sci-Tech University, Hangzhou 310018, China)

The water-exit process of a vehicle involves severe gas-liquid mixing, and the flow field is unsteady and highly nonlinear. To understand the characteristics of the process, the water-exit process of high speed slender body is studied by experimental and numerical simulation. The experiment was operated in a two-dimensional water tank, and the flow field of the water-exit of a slender body with different velocities was photographed by a high speed camera. The water-exit process according to the experiment was simulated, the Volume of Fluid(VOF) model was used to simulate the interface between water and air, and the dynamic mesh and UDF technology were adopted to simulate the movement of the slender body. The growing process of the cavity, the mechanism of the cavity collapse, and the way of the slender body affecting the free surface when the slender body moving in the water have been investigated. The experimental result indicates that: (1) there is a sudden increase in velocity when the slender body completely leaves water; (2) as the velocity increases, the cavity phenomenon begins to appear at the end of the slender body, and subsequently appears at the head of the slender body; (3) if the velocity is not large enough to generate local cavity at the head of the slender body, the free surface uplifts obviously as the slender body exits from the water. If the local cavity appears at the head of the slender body, the free surface uplift phenomenon is unobvious, and the “splash” phenomenon appears. The numerical result indicates that the free surface uplift phenomenon endures for the whole water-exit process, and the extent of free surface uplift is larger when the tail leaves water than the head. The numerical result was found to be in agreement with the experimental results.

slender body;water-exit;cavity;free surface

1672-9897(2015)02-0026-07

10.11729/syltlx20140050

2014-04-23;

2014-06-23

浙江省自然科學基金項目(LQ13AO20006,LQ13A02005,Z1110123)和浙江理工大學科研啟動基金

ChenB,PengLB,ShiHH,etal.Experimentalandnumericalstudyonhydrodynamiccharacteristicsinwater-exitofslenderbody.JournalofExperimentsinFluidMechanics, 2015, 29(2): 26-31,42 陳 波, 彭立兵, 施紅輝, 等. 細長體出水動力學的實驗研究及數值模擬. 實驗流體力學, 2015, 29(2): 26-31,42.

O352; O359

A

陳 波(1982-)，女，湖北天門人，博士，講師，研究方向：空泡流的實驗和數值模擬。通信地址：浙江省杭州市下沙高教園2號大街5號浙江理工大學機械與自動控制學院15號樓406室(310018)。E-mail:chenbofluid@zstu.edu.com

*通信作者 E-mail: hhshi@zstu.edu.cn