細(xì)長體出水動力學(xué)的實(shí)驗(yàn)研究及數(shù)值模擬

陳 波, 彭立兵, 施紅輝, 賈會霞

(浙江理工大學(xué) 機(jī)械與自動控制學(xué)院, 杭州 310018)

細(xì)長體出水動力學(xué)的實(shí)驗(yàn)研究及數(shù)值模擬

陳 波, 彭立兵, 施紅輝*, 賈會霞

(浙江理工大學(xué) 機(jī)械與自動控制學(xué)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(fù)雜的過程。為了深入研究該問題，采用實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法研究了細(xì)長體垂直出水過程的水動力特性。實(shí)驗(yàn)在二維水箱中進(jìn)行，采用高速攝影儀拍攝了不同速度下細(xì)長體垂直出水流場。數(shù)值模擬采用VOF模型，結(jié)合動網(wǎng)格和UDF技術(shù)對相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)工況進(jìn)行了模擬。研究了細(xì)長體水下運(yùn)動過程中空泡的生長和潰滅機(jī)理，以及細(xì)長體出水時對自由液面的干擾規(guī)律。實(shí)驗(yàn)研究表明：(1) 細(xì)長體在完全出水時刻出水速度發(fā)生突增；(2) 隨著細(xì)長體速度的增大，空泡產(chǎn)生的部位是從尾部開始，然后再在頭部出現(xiàn)；(3) 當(dāng)細(xì)長體頭部沒有局部空泡產(chǎn)生的時候，細(xì)長體出水時會造成明顯液面隆起現(xiàn)象，當(dāng)細(xì)長體頭部產(chǎn)生局部空泡后，細(xì)長體出水時，沒有明顯液面隆起現(xiàn)象，但是會產(chǎn)生“噴濺”現(xiàn)象。數(shù)值計算表明：在不產(chǎn)生空泡的情況下，細(xì)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(shù)值計算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果，兩者吻合較好。

細(xì)長體；出水；空泡；自由面

0 引 言

物體在水中運(yùn)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(xué)家們發(fā)現(xiàn)利用空泡可以有效地減小航行體的阻力，現(xiàn)在空泡減阻技術(shù)已經(jīng)逐漸成熟并得到大量的應(yīng)用。我國近幾年來在空泡減阻技術(shù)方面開展了大量的研究，發(fā)表了大量的關(guān)于空泡機(jī)理及航行體周圍流場性質(zhì)研究的論文[2-4]，但這些研究結(jié)果還沒有達(dá)到國際領(lǐng)先水平。由于高速物體出入水所產(chǎn)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(qiáng)非線性和瞬態(tài)特性，因此超空泡減阻技術(shù)方面的研究既迫切也困難[5]。目前空泡發(fā)生裝置有很多：實(shí)驗(yàn)水洞，拖曳水槽和射彈實(shí)驗(yàn)，每種實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)都有各自的優(yōu)勢，經(jīng)過比較后本實(shí)驗(yàn)采用高壓氣體驅(qū)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(fā)展機(jī)理以及不同模型和不同工況下對自由液面的擾動。在實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，利用Fluent模擬計算了相關(guān)工況，將計算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對比。

本文的研究與潛射導(dǎo)彈技術(shù)直接相關(guān)。潛射導(dǎo)彈的關(guān)鍵技術(shù)之一是了解彈體從水中進(jìn)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(zhǔn)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(shù)據(jù)十分缺乏，這與實(shí)測中彈體動量很大不無關(guān)系。本實(shí)驗(yàn)采用的細(xì)長體質(zhì)量只有0.7g，因?yàn)槲矬w很輕，容易感受到跨越水面時阻力的突然變化。

1 實(shí)驗(yàn)裝置及方法

本實(shí)驗(yàn)采用高壓氣體將實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛧娚涞蕉S水箱[6]的方法來研究出水問題，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括：實(shí)驗(yàn)水箱、水箱支撐架、高速攝影儀、計算機(jī)、照明燈，空氣壓縮機(jī)、射釘槍，實(shí)驗(yàn)簡圖如圖1所示。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求搭建好實(shí)驗(yàn)裝置，給二維水箱注滿實(shí)驗(yàn)所需高度的水，打開照明燈，布置好高速攝影儀調(diào)好焦距以及白平衡，打開射釘槍的釘夾，安裝好實(shí)驗(yàn)所需型號的射釘，開動空壓機(jī)等待壓力達(dá)到射釘驅(qū)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(guān)閉照明燈并且停止錄制，重復(fù)上述步驟可以錄制到其它工況的動畫。

將實(shí)驗(yàn)錄制的視頻借助Premiere.Pro.CS3.3.20進(jìn)行剪切以及分幀處理，利用Photoshop cs6.0對圖片進(jìn)行剪切處理以及位移測量。本實(shí)驗(yàn)測量釘體位移時為了減小誤差，采用兩個基準(zhǔn)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(zhǔn)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?shù)某鏊俣龋嬎憬Y(jié)果的精度為2%[6]，利用 Origin8.0對測量數(shù)據(jù)進(jìn)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(jī)玻璃視窗; 7 水箱固定架; 8 水箱底部開關(guān); 9 射釘槍; 10 空氣壓縮機(jī); 11 照明燈; 12 高速攝影儀; 13 電腦; 14 射釘

圖1實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)簡圖

Fig.1 Schematic of experimental system

圖2 細(xì)長體位移測量

本實(shí)驗(yàn)是在室溫30℃，水溫26℃下開展的，實(shí)驗(yàn)水箱固定不動，并且充有所需高度的自來水，實(shí)驗(yàn)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(qū)動壓力都是0.9MPa，但是射釘射出時速度有較大差異。

表1 實(shí)驗(yàn)工況

實(shí)驗(yàn)所用射釘模型如圖3所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)所用射釘模型

2 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)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(jié)所述的數(shù)據(jù)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?shù)乃俣取?/p>

(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(guī)律，射釘出水時的速度總體趨勢是下降的，這是因?yàn)樯溽旊x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(chǎn)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(fā)現(xiàn)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(xiàn)象也發(fā)生在吳巖[7]的實(shí)驗(yàn)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(shù)大約是空氣的55倍)，釘體壁面所產(chǎn)生的空泡在自由液面附近開始潰滅，此時釘體的附加質(zhì)量力迅速下降，所以射釘?shù)乃俣纫矔l(fā)生變化。 圖4中，射釘在整個運(yùn)動過程中，沒有出現(xiàn)明顯的空泡；圖5和6中射釘?shù)奈膊砍霈F(xiàn)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(xiàn)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(chǎn)生的部位是從尾部開始，然后再在頭部出現(xiàn)，并且空泡的數(shù)量也呈增加的趨勢。尾部的空泡是由于射釘運(yùn)動的時候與水體發(fā)生相對運(yùn)動，由于尾部流線的突變，在其尾流中產(chǎn)生高剪切區(qū)，在這些高剪切區(qū)的漩渦中會出現(xiàn)最小壓力中心[8]。當(dāng)空化數(shù)低于初生空化數(shù)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(qū)域產(chǎn)生，并且隨著水流的局部流速運(yùn)動，在射釘?shù)奈膊考郏纬芍慰张菸槽E。當(dāng)射釘尾部離開水面后，空泡逐漸潰滅、消散。當(dāng)速度增加后，空化數(shù)繼續(xù)減小，由于射釘頭部的流線產(chǎn)生的剪切層區(qū)域也開始出現(xiàn)空化，并且集聚附著在射釘頭部，形成局部空化泡。當(dāng)射釘頭部開始出水時，由于介質(zhì)變化，射釘頭部周圍的水與射釘表面的較高相對運(yùn)動速度不能維持，空化產(chǎn)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(jìn)，這種現(xiàn)象與尤天慶等[9]的結(jié)果相符合。當(dāng)射釘尾部進(jìn)入頭部產(chǎn)生的空泡區(qū)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(qū)域出水，在射釘出水后，空泡繼續(xù)潰滅、消散。

從圖4～6可以看出，當(dāng)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(yùn)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(xiàn)明顯的液面隆起現(xiàn)象，取而代之的是“噴濺”現(xiàn)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(chǎn)生強(qiáng)大的撞擊作用，造成了“噴濺”現(xiàn)象。此外射釘尾部出水造成的“噴濺”現(xiàn)象最為劇烈，帶出水面的水量最多。

3 數(shù)值計算模型

本算例中計算區(qū)域?yàn)槎S區(qū)域，長取40R，其中R為射釘?shù)闹睆剑溽數(shù)撞烤嗟酌婢嚯x為15R，射釘頭部距水面25mm，網(wǎng)格的劃分采用三角形非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格數(shù)量在6萬左右，圖9是射釘計算區(qū)域示意圖。其中計算區(qū)域的左右兩側(cè)以及底邊設(shè)置為無滑移的壁面，考慮重力的影響，相對壓力參考點(diǎn)選擇在自由液面處，頂邊設(shè)置為壓力出口，表壓力設(shè)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(fēng)格式，體積分?jǐn)?shù)采用Geo-Reconstruct格式[10]。利用UDF程序控制射釘?shù)倪\(yùn)動，VOF兩相流模型來跟蹤自由液面變形情況。經(jīng)過38h計算，射釘運(yùn)動到頂端邊界，計算過程穩(wěn)定且收斂速度較快。

4 數(shù)值計算結(jié)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?shù)倪\(yùn)動繼續(xù)隆起，這種現(xiàn)象與本文中的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象(見圖11)十分吻合，說明Fluent的模擬結(jié)果是準(zhǔn)確可信的。

本實(shí)驗(yàn)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(xù)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(xù)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(shí)驗(yàn)中20mm射釘出水現(xiàn)象(見圖13)比較吻合。

圖9 射釘計算區(qū)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(fā)現(xiàn)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(fā)生較早。

5 結(jié) 論

(1) 用二維水箱進(jìn)行了水下高速航行體實(shí)驗(yàn)研究，利用水動力學(xué)和空泡知識對射釘出水過程中所伴隨產(chǎn)生的空泡流場的變化特性進(jìn)行了分析。實(shí)驗(yàn)證實(shí)了細(xì)長體在出水前后，速度發(fā)生突增；

(2) 隨著細(xì)長體出水速度的增大，空泡產(chǎn)生的部位是從尾部開始，然后再在頭部出現(xiàn)，空泡的產(chǎn)生以及潰滅規(guī)律與空泡經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ拖喾?/p>

(3) 當(dāng)細(xì)長體頭部沒有局部空泡的時候，細(xì)長體出水時會造成明顯液面隆起現(xiàn)象，當(dāng)細(xì)長體頭部產(chǎn)生局部空泡后，細(xì)長體出水時，沒有明顯液面隆起現(xiàn)象，但是會產(chǎn)生“噴濺”現(xiàn)象；

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

(5) 數(shù)值計算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)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(xué)基金項目(LQ13AO20006,LQ13A02005,Z1110123)和浙江理工大學(xué)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(xì)長體出水動力學(xué)的實(shí)驗(yàn)研究及數(shù)值模擬. 實(shí)驗(yàn)流體力學(xué), 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(shí)驗(yàn)和數(shù)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(xué)機(jī)械與自動控制學(xué)院15號樓406室(310018)。E-mail:chenbofluid@zstu.edu.com

*通信作者 E-mail: hhshi@zstu.edu.cn