表面潤濕性對球體入水空泡形態的影響研究

孫釗，曹偉，王聰，魏英杰（哈爾濱工業大學航天學院，黑龍江哈爾濱150001）

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表面潤濕性對球體入水空泡形態的影響研究

孫釗，曹偉，王聰，魏英杰
（哈爾濱工業大學航天學院，黑龍江哈爾濱150001）

摘要：基于Navier-Stokes方程，采用流體體積法多相流模型，并引入動網格技術，對不同表面潤濕性球體的垂直入水問題開展了數值模擬研究。將球體垂直入水空泡形態的數值結果與實驗結果進行對比，驗證了數值結果的正確性。對不同潤濕性球體的垂直入水空泡形態的研究結果表明，球體入水空泡形態主要有4種:完全無空泡、深閉合空泡、面閉合空泡以及類面閉合空泡。入水初期形成的液體薄層是影響隨后產生空泡形態的關鍵因素。進一步分析表明，生成不同空泡形態的臨界速度與球體的表面潤濕性有密切關系，建立了描述入水空泡生成的臨界速度與表面接觸角關系的經驗公式。

關鍵詞：流體力學；表面潤濕性；空泡形態；面閉合；球體入水

曹偉（1978—），男，副教授，博士生導師。E-mail：caowei@ hit. edu. cn；

王聰（1966—），男，教授，博士生導師。E-mail：alanwang@ hit. edu. cn；

魏英杰（1975—），男，教授，博士生導師。E-mail：yingjiewei@ hit. edu. cn

0 引言

當固體以一定速度撞擊自由水面時，會在水面以下形成與空氣連通的開口空腔，稱為入水空泡。入水空泡的存在對空投魚雷、導彈、超空泡射彈等運動體入水瞬間的流體動力特性具有重大的影響。有關入水問題的研究在其他領域具有同樣重要意義，如船舶抨擊、跳彈現象、水上行走生物的運動等。

近幾年來，由于高速攝影技術的快速發展，致使入水問題成為眾多研究工作者的關注熱點。……