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不同倾角下钝体入水后的超空泡流动的实验观察及数值计算

胡青青  
【摘要】:当航行体以一定速度从空气中冲击入水时,其表面形成空泡流,这一经典流体冲击动力学问题,在各国的鱼雷导弹等军事应用方面处于十分重要的地位。由于伴随高速物体入水过程所产生的超空泡问题涉及到液面和空泡界面这两个自由边界,具有较强的非线性和瞬变特性,现有的理论分析方法不能很好的对相关物理过程作出准确的分析,目前主要采用大量的实验研究数据和数值模拟技术,来测量和预报相近似的数据。此项研究在我国的发展更为滞后了,亟需各界学者重视此项课题。 本文采用实验方法,利用可视化手段,对不同头型的钝体以不同倾斜角入水产生空泡流这一过程进行了观察,分析了不同工况下空泡产生和发展的规律,对头型、长细比、初始发射角度、初始入水速度对入水空泡的影响规律进行了研究。此外结合现代数值仿真技术的方法对两种特殊倾角入水空泡做了进一步分析。主要研究内容如下:(1)对四种不同头型,三种不同长径比的钝体入水后,其运行的稳定性以及产生的空泡形态进行了分析,具体分析了头型(即空化器)对钝体入水后稳定性的影响以及对入水空泡形态的影响。(2)分析了入水角度对钝体入水过程的影响,相比之下入水角度越大空泡偏移轨迹的概率越小,入水角度小于11°时钝体很难沿空中运行轨迹的延长线运动,极容易发生弹跳行为(弹出水面)。(3)对钝体入水角度相同的工况,分析了发射初始速度对轨迹和空泡形态的影响,以及入水初始速度和闭合方式的关系。(4)进行了两种特殊倾斜角下的入水空泡实验,对深浅水位下运行的空泡形态做了对比,分析了柔性自由液面对空泡对称性的破坏规律。另外分析了三种头型钝体垂直入水的过程,得出平头和圆头空化器在垂直入水过程中能保证其稳定运行于空泡内部。(5)通过数值的方法,对水平运动空泡和垂直入水空泡做了进一步研究,通过对比数值模拟与实验结果,进一步证实了深水位运动的超空泡的外形轮廓接近一个对称的椭圆,其形态符合logvinovich空泡独立膨胀原理;浅水位时,柔性自由液面对空泡的外形会造成一定的影响。


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