波面環(huán)境對(duì)高速入水載荷及彈道特性影響試驗(yàn)研究

楊曉光, 黨建軍, 王鵬, 王亞?wèn)|, 韓穎駿, 陳誠(chéng), 李得英

(1.西北工業(yè)大學(xué) 航海學(xué)院, 陜西 西安 710072; 2.北京機(jī)電工程研究所, 北京 100074)

高速入水過(guò)程中，物體以高瞬態(tài)穿越水氣界面，伴隨了入水空泡形成與演變、瞬變非線性流體動(dòng)力生成過(guò)程，入水流場(chǎng)與物體運(yùn)動(dòng)呈緊耦合狀態(tài)發(fā)展。真實(shí)情形下，水氣自由界面受多方面因素的影響，不可避免存在波面環(huán)境，使得高速入水研究更加復(fù)雜化，而獲得波面環(huán)境下的入水特性，是入水技術(shù)實(shí)際應(yīng)用的必備基礎(chǔ)。

針對(duì)高速條件下入水過(guò)程，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開展了大量研究。Kazuo等[1]針對(duì)小型射彈射的高速入水問(wèn)題，開展了基于X射線成像方法的試驗(yàn)，獲得了實(shí)測(cè)入水圖像，并進(jìn)行了入水沖擊流場(chǎng)引發(fā)的池壁壓力場(chǎng)定量測(cè)量、不同材質(zhì)彈丸入水特性研究。Alaoui等[2]以勻速入水的剛性物體為研究對(duì)象，通過(guò)加速度計(jì)等設(shè)備測(cè)得了入水過(guò)程的水動(dòng)力特性，并針對(duì)速度等因素的影響進(jìn)行了分析。張偉等[3]用試驗(yàn)方法研究了小型彈丸高速條件下入水彈道及速度衰減特性。王云等[4]采用預(yù)置頭部斜面的方法實(shí)現(xiàn)了入水彎曲彈道，施紅輝等[5]利用小尺度模型獲得了入水空泡形成與演變的歷程，但以上高速入水試驗(yàn)研究均未涉及波面環(huán)境的影響。針對(duì)波面環(huán)境對(duì)入水過(guò)程影響，王文華和楊衡等[6-7]以圓柱體為對(duì)象，建立數(shù)值造波方法研究了波高、周期、入水點(diǎn)相位等影響；王平等[8]采用數(shù)值手段研究了楔形體波浪入水問(wèn)題，獲得了波浪對(duì)楔形體入水的影響主要由波浪內(nèi)部流場(chǎng)變化及表面波形決定的結(jié)論；鄒麗等[9]通過(guò)自由落體的入水方式，分別在靜水和規(guī)則波中開展了2種不同橫剖面的曲面楔形體入水砰擊問(wèn)題試驗(yàn)研究，揭示了波浪載荷和砰擊載荷的共同作用會(huì)使模型所受砰擊壓力顯著增大的特性。文獻(xiàn)[10-11]利用基于速度勢(shì)理論的完全非線性邊界元方法，研究了楔形體在不同弗勞德數(shù)和波浪參數(shù)下的入水過(guò)程，獲得了運(yùn)動(dòng)與波浪載荷的相互作用以及楔面的壓力分布規(guī)律。Jin等[12]基于有限體積法建立了楔形體波浪入水的數(shù)值仿真模型，研究獲得了物體在不同波面位置入水過(guò)程的運(yùn)動(dòng)參數(shù)和流場(chǎng)變化過(guò)程。Xiang等[13]對(duì)圓柱體入水后在水流和波浪影響下的運(yùn)動(dòng)規(guī)律開展了理論研究。以上波浪環(huán)境影響的相關(guān)研究，多集中于低速入水情形，而對(duì)于物體高速攜超空泡入水條件下的波面影響的研究相對(duì)較少。

本文以搭載可測(cè)量并記錄入水過(guò)程加速度及角度的內(nèi)測(cè)系統(tǒng)模型為研究對(duì)象，采用造波機(jī)與空氣炮相協(xié)同的設(shè)備開展了波面條件下的高速入水試驗(yàn)，獲得了入水過(guò)程的軸向加速度及模型姿態(tài)演變歷程，并針對(duì)入水點(diǎn)相位、波高等參數(shù)開展了系列化參數(shù)影響試驗(yàn)研究，分析了波面環(huán)境對(duì)入水過(guò)程影響的機(jī)制以及有利于入水彈道穩(wěn)定的條件。

1 試驗(yàn)設(shè)備與模型

1.1 主要試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)在室外水池開展，試驗(yàn)區(qū)域尺度為10 m×5 m×2 m,采用3個(gè)單元組合搖板式造波機(jī)產(chǎn)生波浪，每單元寬0.5 m，高2 m，搖擺角度8.5°，最大造波頻率1 Hz，最大波高0.5 m，造波機(jī)如圖1所示。

圖1 造波機(jī)

采用圖2所示壓縮空氣炮為動(dòng)力源將模型加速到指定速度。該裝置由高壓氣艙、電磁閥、發(fā)射管、支架、充氣組件和空壓機(jī)組成。炮管內(nèi)徑60 mm，最大設(shè)計(jì)壓力1.0 MPa，炮管長(zhǎng)度6 m，其具備將2 kg的模型加速到100 m/s的發(fā)射能力。

圖2 壓縮空氣炮

炮管口布置有2個(gè)激光傳感器，通過(guò)捕捉2個(gè)下降沿信號(hào)，結(jié)合傳感器間距離，得出模型出管速度。由于模型空中飛行阻力小、時(shí)間較短，可近似將出管速度作為入水速度。

采用高速攝像記錄入水過(guò)程，高速攝像采用Phantom系列V711型號(hào)高速攝像機(jī)，滿分辨率(1 280×800)拍攝幀速率為5 000 frame/s時(shí)，可持續(xù)拍攝4 s，本試驗(yàn)采用1 000 frame/s速率在水面上拍攝入水彈道及流場(chǎng)的演變過(guò)程。

定制專用的發(fā)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)造波機(jī)、高速攝像及壓縮空氣炮的統(tǒng)一管理，可實(shí)現(xiàn)造波機(jī)開啟、模型延遲發(fā)射、高速攝像硬觸發(fā)的同步控制，以滿足調(diào)整模型入水遭遇波面不同位置的試驗(yàn)需求。

各試驗(yàn)設(shè)備在試驗(yàn)場(chǎng)地的布置如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)布置

1.2 模型及內(nèi)測(cè)系統(tǒng)

以截錐頭回轉(zhuǎn)體作為入水試驗(yàn)?zāi)Ｐ停Ｐ涂傞L(zhǎng)225 mm，圓柱段直徑60 mm，質(zhì)量為1.9 kg，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Ixx=5.0×10-4kg·m2,Iyy=Izz=5.3×10-4kg·m2。具體尺寸及模型實(shí)物如圖4所示。

圖4 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

定制了測(cè)量與記錄模型入水過(guò)程三軸加速度和三軸角速度時(shí)間歷程原始數(shù)據(jù)的內(nèi)測(cè)系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱內(nèi)測(cè)系統(tǒng)，采用模塊化設(shè)計(jì)，3個(gè)通道的加速度計(jì)通過(guò)延長(zhǎng)線與主板連接，加速度計(jì)模塊采用單面電路板設(shè)計(jì)，用2個(gè)螺釘剛性連接在金屬材質(zhì)的內(nèi)測(cè)支架上。模型開始加速時(shí)刻，內(nèi)測(cè)系統(tǒng)根據(jù)軸向加速度值變化特征作為觸發(fā)條件。主要技術(shù)指標(biāo)為：加速度計(jì)的量程為±250g；陀螺儀的量程為±2 000 °/s；采樣精度為16位；采樣率為3 kHz；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器可連續(xù)工作時(shí)間為4.5 s。

2 結(jié)果與分析

由于水池波浪耗散衰減較慢，為了保證試驗(yàn)條件，相鄰發(fā)次的時(shí)間間隔不得小于10 min。本試驗(yàn)中，炮管與水平面夾角為20°，模型的標(biāo)稱入水速度均選為70 m/s，實(shí)際數(shù)值會(huì)因發(fā)射條件的微弱差異存在小幅波動(dòng)，但差值較小。

2.1 平靜水面工況

不啟動(dòng)造波機(jī)，開展平靜水面下的入水試驗(yàn)，提供對(duì)照的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，試驗(yàn)測(cè)得不同時(shí)刻入水空泡形態(tài)如圖5所示。

圖5 平靜水面入水流場(chǎng)與彈道

本文重點(diǎn)針對(duì)模型以超空泡狀態(tài)高速入水初期的水動(dòng)特性開展研究，由于模型關(guān)于縱平面對(duì)稱，同時(shí)試驗(yàn)結(jié)果也表明模型以穩(wěn)定狀態(tài)運(yùn)動(dòng)時(shí)其力學(xué)特性集中于軸向，姿態(tài)特性集中于在縱平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，本文中只給出了軸向加速度和俯仰角，其他參數(shù)均為小量，且對(duì)本文研究結(jié)果無(wú)影響，對(duì)此不再贅述。

圖6 軸向加速度-時(shí)間歷程

圖7 俯仰角-時(shí)間歷程

對(duì)于平靜水面入水工況，內(nèi)測(cè)系統(tǒng)實(shí)測(cè)的軸向加速度及俯仰角如圖6～7所示。 結(jié)果表明：入水過(guò)程中作用于模型上的流體動(dòng)力在毫秒級(jí)的時(shí)間內(nèi)迅速達(dá)到峰值，而后逐漸衰減；模型入水后被超空泡包裹，在40 ms內(nèi)重力矩作用下自由偏轉(zhuǎn)約8°后模型尾部接觸空泡壁面，產(chǎn)生回復(fù)力矩，模型姿態(tài)偏轉(zhuǎn)減小，本文不再對(duì)之后時(shí)間段的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行研究。

2.2 入水相位影響

模型以70 m/s速度入水，其穿越水面過(guò)程僅需要數(shù)毫秒時(shí)間，相比而言，波浪的周期要大幾個(gè)量級(jí)，故而從直觀上分析，波面對(duì)模型入水的影響應(yīng)主要體現(xiàn)在改變了模型與水面的相對(duì)夾角。

按以上思路，探究模型入水點(diǎn)處于不同波面位置時(shí)的影響。引入入水點(diǎn)相位的概念，其定義如圖8所示。

圖8 相位定義示意圖

通過(guò)發(fā)控系統(tǒng)控制模型在波面環(huán)境下不同遭遇點(diǎn)的方法：調(diào)整發(fā)控系統(tǒng)造波機(jī)與模型發(fā)射同步控制的時(shí)延量，開展預(yù)試發(fā)射試驗(yàn)，獲得模型在波面上的不同入水相位，標(biāo)定出時(shí)延量與入水相位的關(guān)系，供正式試驗(yàn)選擇。

試驗(yàn)過(guò)程中所造正弦波的波長(zhǎng)均為1.56 m，周期均為1 s，波高0.15 m開展試驗(yàn)。

測(cè)得了入水點(diǎn)分別位于波形的0°,90°,180°和270°相位的軸向加速度及俯仰角度，數(shù)據(jù)對(duì)比如圖9～10所示，提取的特征數(shù)據(jù)值見表1，并以平靜水面下的軸向加速度峰值為基準(zhǔn)，將不同相位下的軸向加速度峰值無(wú)量綱化。

圖9 不同相位下軸向加速度對(duì)比

圖10 不同相位下俯仰角對(duì)比

表1 不同相位下入水特征參數(shù)

從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，當(dāng)模型入水點(diǎn)對(duì)應(yīng)90°和270°相位，即處于波峰或波谷位置時(shí)，入水沖擊載荷相對(duì)較小，且與上節(jié)中給出的平靜水面下入水特征基本一致；當(dāng)入水點(diǎn)位于0°相位時(shí)，沖擊載荷進(jìn)一步減小，但入水彈道發(fā)生明顯偏轉(zhuǎn)，彈道失穩(wěn)；入水點(diǎn)位于180°相位時(shí)，沖擊載荷增大，而入水彈道相對(duì)穩(wěn)定。

波浪環(huán)境下模型與入水處自由面的夾角改變，進(jìn)而導(dǎo)致模型的實(shí)際入水角改變。從圖8可以看出，入水點(diǎn)位于0°相位時(shí)相當(dāng)于減小了入水角，180°情形相反。根據(jù)前期開展的平靜水面下變?nèi)胨菍?duì)軸向載荷的影響研究[14]可知，模型撞水時(shí)，水體向四周流動(dòng)，出現(xiàn)液面隆起現(xiàn)象，入水角越小，水流向水面以上流動(dòng)受到的阻力越小，水面隆起效果越明顯，從而使航行體頭部上部分高壓區(qū)域泄壓較快，形成相對(duì)低壓區(qū)，進(jìn)而導(dǎo)致模型受到的軸向沖擊載荷峰值減小。

圖11 0°相位入水流場(chǎng)

2.3 波高影響

上節(jié)獲得了入水點(diǎn)相位對(duì)模型入水特性的影響，其最危險(xiǎn)的情形為0°入水，雖然入水沖擊載荷小，但彈道上揚(yáng)將導(dǎo)致入水過(guò)程失敗，故本文選取0°相位為典型工況開展了進(jìn)一步研究。入水點(diǎn)相位確定后，波高成為了影響相對(duì)入水角的另一主要因素。本節(jié)針對(duì)0.1與0.2 m波高開展試驗(yàn)，研究波高對(duì)入水特性的影響。

值得說(shuō)明的是，當(dāng)波高為0.2 m時(shí)，波形在0°相位處的斜率大于20°角，因此模型以20°入水角入水時(shí)無(wú)法遭遇0°相位，實(shí)際相位約為180°，如圖12所示。

圖12 波高對(duì)入水點(diǎn)影響示意圖

圖13 不同波高下軸向加速度對(duì)比

圖14 不同波高下俯仰角對(duì)比

3種波高工況對(duì)應(yīng)的入水軸向加速度及入水過(guò)程俯仰角變化如圖13～14所示，提取的特征參數(shù)見表2。

表2 不同波高對(duì)應(yīng)特征參數(shù)

結(jié)果表明：波高對(duì)入水特性的影響仍體現(xiàn)為局部入水角度，波高值越大，波傾角越大，實(shí)際入水角度減小，對(duì)于0°入水工況，模型更易發(fā)生跳彈；但當(dāng)波高達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，入水點(diǎn)無(wú)法達(dá)到0°相位，實(shí)際為180°相位，實(shí)際入水角度增大，入水載荷增加，但在彈道上有利于穩(wěn)定入水。

3 結(jié) 論

本文利用造波機(jī)與壓縮空氣炮相協(xié)同的試驗(yàn)設(shè)備，采用截錐頭回轉(zhuǎn)體構(gòu)型的試驗(yàn)?zāi)Ｐ停_展了波面環(huán)境下的入水試驗(yàn)，利用模型內(nèi)測(cè)系統(tǒng)獲得了軸向加速度與模型姿態(tài)，分析了波面環(huán)境對(duì)入水載荷與姿態(tài)的影響，主要結(jié)論如下：

1) 波浪環(huán)境改變了模型入水時(shí)刻相對(duì)水面的入水角度，入水點(diǎn)相位為90°或270°時(shí)，實(shí)際入水角與平靜水面下一致，入水點(diǎn)相位為180°時(shí)，實(shí)際入水角增大，入水點(diǎn)相位為0°時(shí)，實(shí)際入水角減小，隨著實(shí)際入水角度減小，軸向沖擊載荷減小；

2) 入水點(diǎn)相對(duì)波面的相位對(duì)入水過(guò)載、入水彈道存在直接影響，入水點(diǎn)位于0°相位時(shí)雖有利于減小入水載荷，但可能產(chǎn)生模型跳彈現(xiàn)象；

3) 0°相位下波高越大，波浪對(duì)相對(duì)入水角的影響越大，進(jìn)而導(dǎo)致對(duì)過(guò)載及彈道影響更大，但波高超過(guò)一定程度時(shí)，不會(huì)出現(xiàn)0°相位入水的情形。