双球并联入水空化及运动特性实验研究
发布时间：2021-10-30 13:25
物体入水问题近年来受到广泛关注,但关于运动体并联入水的研究较少。相对于单运动体入水,多运动体并联入水在军事中也有很强的应用背景,例如水上多枚鱼雷空投、超空泡射弹齐射入水等,这种多层次饱和打击能够大幅提高对水下运动目标的毁伤效果。为了探索双运动体并联入水的流体动力特点,开展了不同横向间距下的双球同步入水实验,分析了入水后双空泡演化过程与运动特性。结果表明,并联入水后由于双球内侧流场和压力发生变化,水-汽-壁三相接触线倾斜在球体表面,且倾斜角度随双球间距增大而减小;双球的空泡形态和三相接触线具有良好的彼此对称性。当双球以较小的横向间距（≤2.5D）并联入水时,空泡尾部内侧壁面会发生融合,形成"臼齿形"空泡,且其溃灭首先发生在壁面融合处,溃灭尾迹交织呈云团形;当间距增加至3.5D时,空泡溃灭尾迹向内侧偏、交汇呈马蹄形;当间距进一步增加到5.5D和7.5D时,双球空泡尾迹相互干扰很弱,与单球空泡尾迹形态比较接近。当双球横向间距小于3.5D时空泡表面闭合诱导产生的水柱顶部发生分离并两侧抛洒,随着横向间距的不断增加,空泡发展受相邻运动体的影响逐渐减弱,但均呈现出良好的对称性,其长度、直径与溅起水花...
【文章来源】：振动与冲击. 2020,39(15)北大核心EICSCD
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
单球入水空泡形态
由于小球撞水时与周围流体存在较大的速度差,其三相接触线沿球体表面以较快速度向上运动,并诱导流动分离,最后稳定在球体赤道线附近并沿后方形成空泡,如图4所示。Ding等[32]对接触线的运动以及诱导空泡产生的现象进行了多次实验研究,发现接触线总是固定在赤道线附近,而其仿真结果表明,在赤道线下方流域出现了逆压梯度,流动由低压流向高压。由此可以推断,这种逆压梯度对接触线沿表面向上运动的行为起到阻滞作用,当阻滞作用较强时接触线停止运动。实验中我们观察到双球并联入水后形成的接触线并不平行于赤道线,而是与其呈约7.6°夹角。产生这种现象的原因是双球向下运动过程中与周围流体发生动量交换,其前方流体质点相对运动体而言有向上与两侧的相对速度,部分流体向双球内侧绕流而获得两侧运动体的动能[26],从而使得双球内侧区域存在更大的运动速度与更低的压力,削弱了球体赤道线附近逆压梯度的阻滞作用,使得接触线内侧端稳定在球体表面较高位置,从而产生倾斜的现象,同时也使得双球入水溅起的水花出现内侧较高、外侧较低的现象,如图4所示。当t=10 ms时(图3(c1)),双空泡内侧壁重合形成一个新的界面,其形状类似“臼齿”形。这种臼齿形空泡产生的原因可能是:双球撞水排开周围流体的瞬间与大气环境存在压差,同时卷吸空气,在空泡表面闭合之前使其与外部大气保持连通状态;随着双球向下运动,空泡内外压差逐渐趋于零;而空泡尾部由于离水面较近,因此在大气压作用下扩张程度较大,导致尾部壁面重合。随着双球继续运动,t=20 ms时溃灭首先发生在空泡尾部壁面重合区域(图3(e1)),空泡壁上大量微气泡迅速蔓延,在周围流体的冲击下空泡迅速溃灭,出现这种现象可能是由于双球中间部分流体获得更大的动能和势能,具有较大的向上的相对速度,对双空泡之间形成的重合壁面产生冲击,加剧了空泡演化过程中的不稳定性,导致其失稳溃灭。
基于上述双球入水现象的研究方法,继续开展a=2.5D、3.5D、5.5D和7.5D的双球入水实验,并分别展示了入水后15 ms和40 ms时不同横向间距下空泡形态,并与单球入水过程进行对比,如图5所示。随着双球横向间距增加,入水后空泡尾部向内侧扩张的程度逐渐减小。当横向间距为1.5D和2.5D时,双空泡尾部壁面重合形成臼齿形空泡,如图5(a1)～(b1);当a=3.5D时,由于双球内侧流体域进一步变大,每个流体质点所获得的来自运动体传递的动能平均值减小,因此局部压力较高,增大了空泡向内侧扩张的衰减速度,空泡较早停止扩张,因此内侧壁面没有重合,双球入水后各自形成形态较为完整的空泡,表面闭合时双空泡尾部内侧壁面呈现出类似单球闭合时的收缩曲线,但空泡底面倾斜,如图5(c1);当a=7.5D时,双空泡形态与单球入水空泡基本一致(图5(e1)～(f1))。当t=40 ms时,在间距较小的情况下(图5(a2)～(b2)),由于空泡两侧压差较大,空泡外侧为一段曲率较大的弧线,而内侧轮廓线笔直,形成两个对称的月牙形空泡;横向间距增加至3.5D时,双空泡的形态彼此独立(图5(c2))。由于相邻空泡在演化过程中相互干扰,溃灭后的尾迹形态与单空泡有所不同,且在不同横向间距下其形态也有一定区别。当a≤2.5D时(图5(a2)～(b2)),由于双空泡重合面发生溃灭,在外侧较高压力的作用下空泡向内收缩塌陷,两个空泡的尾迹交织缠绕在一起形成云团形,其体积略大于图5(f2)中单空泡溃灭形成的普通尾迹;当a=3.5D时(图5(c2)),空泡尾迹交织成马蹄形。图6展示了马蹄形尾迹的演化过程,空泡内侧首先出现大量微气泡,随后沿壁面向两侧蔓延,由于空泡内压低于水域压力,空泡外侧壁(实线)在法向水域压力的挤压下持续收缩;而根据伯努利原理可知,双空泡内侧流体受到左右两侧空泡壁面运动产生的剪切作用力,相对于外侧而言产生更大的相对速度,因此内侧流体的压力低于外侧,使得在这部分区域中空泡内外压差更小,所以空泡向内侧膨胀,且在膨胀形态(虚线)相较收缩形态(实线)较为稳定,如图6(a)～(c)所示。在图6(d)中,空泡溃灭形成的气团尾迹首先在尾部发生向内的偏移,由上文的分析可知双球之间的流体被加速后存在向上的速度分量,而气团由于质量较小,易受到内侧流体运动惯性的影响而向上运动,但这种影响随着动能的衰减而削弱,因此气团尾部在双空泡外侧压力的主导作用下产生向内的速度分量,最终气团交汇形成马蹄形尾迹,如图6(e)所示,最后尾迹扩散成云团形。随着横向间距的不断增加,空泡溃灭尾迹的相互影响逐渐减弱,当a=7.5D时(图5(e2)),双空泡溃灭尾迹形态已经与单空泡溃灭的普通尾迹一致。
【参考文献】：
期刊论文
[1]回转体齐射出水过程空泡演化规律与弹道特性实验研究[J]. 卢佳兴,王聪,魏英杰,许昊,宋武超. 兵工学报. 2019(06)
[2]双圆柱体低速并联入水过程空泡及运动特性试验研究[J]. 路丽睿,魏英杰,王聪,宋武超,刘凯航. 振动与冲击. 2019(07)
[3]弹体水平入水的空泡扩展相关特性研究[J]. 郭子涛,陈拓,郭钊,张伟. 振动与冲击. 2019(04)
[4]小型运动体高速倾斜入水空泡流动数值研究[J]. 陈晨,魏英杰,王聪. 兵工学报. 2019(02)
[5]不同密度比球体入水空泡流体动力特性研究[J]. 李达钦,王国玉,张敏弟,黄彪. 宇航总体技术. 2019(01)
[6]圆柱体并联入水过程空泡演化特性实验研究[J]. 卢佳兴,魏英杰,王聪,路丽睿,许昊. 力学学报. 2019(02)
[7]水下连发射弹的超空泡流动特性研究[J]. 施红辉,周东辉,孙亚亚,贾会霞,侯健. 兵工学报. 2018(11)
[8]基于势流理论的回转体并联入水双空泡演化动力学研究[J]. 宋武超,魏英杰,路丽睿,王聪,卢佳兴. 物理学报. 2018(22)
[9]超疏水小球低速入水空泡研究[J]. 黄超,翁翕,刘谋斌. 力学学报. 2019(01)
[10]球体入水空泡动态特性[J]. 杜严锋,王聪,李佳川,王威. 哈尔滨工业大学学报. 2018(10)
本文编号：3466809
【文章来源】：振动与冲击. 2020,39(15)北大核心EICSCD
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
单球入水空泡形态
由于小球撞水时与周围流体存在较大的速度差,其三相接触线沿球体表面以较快速度向上运动,并诱导流动分离,最后稳定在球体赤道线附近并沿后方形成空泡,如图4所示。Ding等[32]对接触线的运动以及诱导空泡产生的现象进行了多次实验研究,发现接触线总是固定在赤道线附近,而其仿真结果表明,在赤道线下方流域出现了逆压梯度,流动由低压流向高压。由此可以推断,这种逆压梯度对接触线沿表面向上运动的行为起到阻滞作用,当阻滞作用较强时接触线停止运动。实验中我们观察到双球并联入水后形成的接触线并不平行于赤道线,而是与其呈约7.6°夹角。产生这种现象的原因是双球向下运动过程中与周围流体发生动量交换,其前方流体质点相对运动体而言有向上与两侧的相对速度,部分流体向双球内侧绕流而获得两侧运动体的动能[26],从而使得双球内侧区域存在更大的运动速度与更低的压力,削弱了球体赤道线附近逆压梯度的阻滞作用,使得接触线内侧端稳定在球体表面较高位置,从而产生倾斜的现象,同时也使得双球入水溅起的水花出现内侧较高、外侧较低的现象,如图4所示。当t=10 ms时(图3(c1)),双空泡内侧壁重合形成一个新的界面,其形状类似“臼齿”形。这种臼齿形空泡产生的原因可能是:双球撞水排开周围流体的瞬间与大气环境存在压差,同时卷吸空气,在空泡表面闭合之前使其与外部大气保持连通状态;随着双球向下运动,空泡内外压差逐渐趋于零;而空泡尾部由于离水面较近,因此在大气压作用下扩张程度较大,导致尾部壁面重合。随着双球继续运动,t=20 ms时溃灭首先发生在空泡尾部壁面重合区域(图3(e1)),空泡壁上大量微气泡迅速蔓延,在周围流体的冲击下空泡迅速溃灭,出现这种现象可能是由于双球中间部分流体获得更大的动能和势能,具有较大的向上的相对速度,对双空泡之间形成的重合壁面产生冲击,加剧了空泡演化过程中的不稳定性,导致其失稳溃灭。
基于上述双球入水现象的研究方法,继续开展a=2.5D、3.5D、5.5D和7.5D的双球入水实验,并分别展示了入水后15 ms和40 ms时不同横向间距下空泡形态,并与单球入水过程进行对比,如图5所示。随着双球横向间距增加,入水后空泡尾部向内侧扩张的程度逐渐减小。当横向间距为1.5D和2.5D时,双空泡尾部壁面重合形成臼齿形空泡,如图5(a1)～(b1);当a=3.5D时,由于双球内侧流体域进一步变大,每个流体质点所获得的来自运动体传递的动能平均值减小,因此局部压力较高,增大了空泡向内侧扩张的衰减速度,空泡较早停止扩张,因此内侧壁面没有重合,双球入水后各自形成形态较为完整的空泡,表面闭合时双空泡尾部内侧壁面呈现出类似单球闭合时的收缩曲线,但空泡底面倾斜,如图5(c1);当a=7.5D时,双空泡形态与单球入水空泡基本一致(图5(e1)～(f1))。当t=40 ms时,在间距较小的情况下(图5(a2)～(b2)),由于空泡两侧压差较大,空泡外侧为一段曲率较大的弧线,而内侧轮廓线笔直,形成两个对称的月牙形空泡;横向间距增加至3.5D时,双空泡的形态彼此独立(图5(c2))。由于相邻空泡在演化过程中相互干扰,溃灭后的尾迹形态与单空泡有所不同,且在不同横向间距下其形态也有一定区别。当a≤2.5D时(图5(a2)～(b2)),由于双空泡重合面发生溃灭,在外侧较高压力的作用下空泡向内收缩塌陷,两个空泡的尾迹交织缠绕在一起形成云团形,其体积略大于图5(f2)中单空泡溃灭形成的普通尾迹;当a=3.5D时(图5(c2)),空泡尾迹交织成马蹄形。图6展示了马蹄形尾迹的演化过程,空泡内侧首先出现大量微气泡,随后沿壁面向两侧蔓延,由于空泡内压低于水域压力,空泡外侧壁(实线)在法向水域压力的挤压下持续收缩;而根据伯努利原理可知,双空泡内侧流体受到左右两侧空泡壁面运动产生的剪切作用力,相对于外侧而言产生更大的相对速度,因此内侧流体的压力低于外侧,使得在这部分区域中空泡内外压差更小,所以空泡向内侧膨胀,且在膨胀形态(虚线)相较收缩形态(实线)较为稳定,如图6(a)～(c)所示。在图6(d)中,空泡溃灭形成的气团尾迹首先在尾部发生向内的偏移,由上文的分析可知双球之间的流体被加速后存在向上的速度分量,而气团由于质量较小,易受到内侧流体运动惯性的影响而向上运动,但这种影响随着动能的衰减而削弱,因此气团尾部在双空泡外侧压力的主导作用下产生向内的速度分量,最终气团交汇形成马蹄形尾迹,如图6(e)所示,最后尾迹扩散成云团形。随着横向间距的不断增加,空泡溃灭尾迹的相互影响逐渐减弱,当a=7.5D时(图5(e2)),双空泡溃灭尾迹形态已经与单空泡溃灭的普通尾迹一致。
【参考文献】：
期刊论文
[1]回转体齐射出水过程空泡演化规律与弹道特性实验研究[J]. 卢佳兴,王聪,魏英杰,许昊,宋武超. 兵工学报. 2019(06)
[2]双圆柱体低速并联入水过程空泡及运动特性试验研究[J]. 路丽睿,魏英杰,王聪,宋武超,刘凯航. 振动与冲击. 2019(07)
[3]弹体水平入水的空泡扩展相关特性研究[J]. 郭子涛,陈拓,郭钊,张伟. 振动与冲击. 2019(04)
[4]小型运动体高速倾斜入水空泡流动数值研究[J]. 陈晨,魏英杰,王聪. 兵工学报. 2019(02)
[5]不同密度比球体入水空泡流体动力特性研究[J]. 李达钦,王国玉,张敏弟,黄彪. 宇航总体技术. 2019(01)
[6]圆柱体并联入水过程空泡演化特性实验研究[J]. 卢佳兴,魏英杰,王聪,路丽睿,许昊. 力学学报. 2019(02)
[7]水下连发射弹的超空泡流动特性研究[J]. 施红辉,周东辉,孙亚亚,贾会霞,侯健. 兵工学报. 2018(11)
[8]基于势流理论的回转体并联入水双空泡演化动力学研究[J]. 宋武超,魏英杰,路丽睿,王聪,卢佳兴. 物理学报. 2018(22)
[9]超疏水小球低速入水空泡研究[J]. 黄超,翁翕,刘谋斌. 力学学报. 2019(01)
[10]球体入水空泡动态特性[J]. 杜严锋,王聪,李佳川,王威. 哈尔滨工业大学学报. 2018(10)
本文编号：3466809
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