鄒志輝,李 佳,楊 茂,劉紅松,蔣運華,4

(1.中山大學(xué) 海洋工程與技術(shù)學(xué)院,廣東 廣州 510275;2.哈爾濱工程大學(xué) 航天與建筑工程學(xué)院,黑龍江 哈爾濱150001;3.重慶長安工業(yè)(集團)有限公司,重慶401120;4.南方海洋科學(xué)與工程廣東省實驗室(珠海),廣東 珠海519000)

入水問題廣泛存在于航空航天等工程領(lǐng)域,如水上飛機著陸、航天器部件水上回收、空投魚雷、水中兵器跨介質(zhì)等,其研究主要集中在入水沖擊、空化及水中彈道等方面。入水初期物體會與水面產(chǎn)生強烈的非線性沖擊,對物體產(chǎn)生巨大的影響,且存在入水物體結(jié)構(gòu)損壞、裝置失靈及彈道失穩(wěn)等問題。對入水問題較為系統(tǒng)的研究可以追溯到1929年KARMAN對水上飛機降落沖擊載荷的研究,結(jié)合動量守恒理論提出了附加質(zhì)量的概念,給出了計算入水沖擊載荷的一個近似公式。隨后眾多學(xué)者基于KARMAN的動量沖擊理論從理論、實驗和數(shù)值模擬等方面對入水沖擊問題進行了大量研究,這些工作主要聚焦于對入水沖擊載荷的預(yù)測。自CHUANG首次發(fā)現(xiàn)物體在入水過程中底部與液面之間始終存在一層氣墊以來,后續(xù)相關(guān)學(xué)者對其進行了驗證并討論了氣墊的存在對入水產(chǎn)生的一些影響。HUERA-HUARTE等、OKADA等及ERMANYUK等的研究結(jié)果表明,由于存在緩沖效應(yīng)和由此產(chǎn)生的夾帶空氣滯留,空氣墊可以顯著影響沖擊壓力、沖擊模式、沖擊時間和噴流形狀等。曹正林等的研究結(jié)果也表明空氣墊的存在大大減少了砰擊壓力峰值。這些研究表明入水過程夾帶的空氣可以作為減緩入水沖擊的介質(zhì),但幾乎沒有學(xué)者通過人工通氣(噴氣)的實驗去驗證入水減緩效果。近年來射流緩沖的概念逐漸被提出,JIANG等使用氣射流作為空化器產(chǎn)生超空泡來降低航行體的阻力,并進行了不同通氣量的入水實驗研究,表明噴氣協(xié)助入水有望成為減緩航行體高速入水沖擊的方法。同樣,SPEIRS等開展了物體與水射流同時沖擊水面時空化與載荷特性的實驗研究。本文主要進行了向前氣射流協(xié)助航行體入水過程空泡多相流動特性的實驗研究,此研究可為后續(xù)實施噴氣協(xié)助入水提供一定的認識。

1 實驗設(shè)置

1.1 實驗裝置

實驗系統(tǒng)主要包括水箱、高速成像系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)、航行體入水系統(tǒng)及入水航行體,如圖1所示。供氣系統(tǒng)由高壓氣瓶、調(diào)壓閥、氣體流量計及若干氣管組成。噴氣流量是在標(biāo)準(zhǔn)條件(273 K、100 000 Pa)下用標(biāo)準(zhǔn)升每分鐘來確定。氣體流量計選用歐米伽FL2044,全刻度讀數(shù)為100 L/min,以滿足本文研究中使用的0 L/min到45 L/min不同氣體流量。此外,氣體流量計不確定度是滿量程讀數(shù)的3%。航行體入水系統(tǒng)由導(dǎo)軌、導(dǎo)軌支架及滑塊組成。導(dǎo)軌置于上下導(dǎo)軌支架上,方便調(diào)整航行體入水角度。導(dǎo)軌總長4 m,寬0.038 m,底部固定一緩沖塊用于阻?；瑝K,保護水箱及入水航行體。入水過程是將航行體固定于滑塊上,滑塊置于導(dǎo)軌由靜止釋放,在重力作用下自由下滑?；瑝K釋放最高點和水箱底部分別距水面2.223 m和0.79 m。入水速度受多重因素干擾,且由于多次重復(fù)性實驗,滑塊與緩沖塊的沖擊導(dǎo)致航行體與滑塊固聯(lián)出現(xiàn)松動,引起入水姿態(tài)有所偏差。因此,入水速度和入水角度根據(jù)實驗圖像來測量,其不確定度分別為2.24%(36°)、3.56%(45°)及5.62%(50°)。

圖1 實驗系統(tǒng)示意圖

入水航行體是由主體段和頭部段組成的圓柱組合體,材質(zhì)為表面經(jīng)過拋光處理的鋁。頭部段形狀為平頭并設(shè)置=3 mm的噴口,平頭空化器直徑=10 mm。主體段最大直徑=26 mm,模型總長=260 mm。模型內(nèi)設(shè)置通孔連接氣體管路,具體見圖2。

圖2 實驗航行體模型

1.2 實驗方法與理論

圖3 航行體運動不同階段示意圖

所有結(jié)果以無量綱的形式表現(xiàn),定義無量綱參數(shù)均基于噴口直徑,分別為(開口空泡深度),(開口空泡直徑),(空泡直徑),(射流長度),(航行體模型距液面垂直高度),(航行體模型穿過液面后距液面的垂直高度)。另外需要說明的是,實驗中在小噴氣系數(shù)的情況下(<045)觀察不到空泡的形成,因此結(jié)果分析主要是在>045范圍進行。

1962年BANKS等在氣射流垂直沖擊液面變形問題中提出駐點壓力法分析射流沖擊自由液面形成的空腔形態(tài)。駐點壓力法將射流在空泡駐點產(chǎn)生的動壓與空泡深度關(guān)聯(lián),即:

(1)

式中:,分別為氣射流和水的密度;為駐點處氣射流速度;為表面張力;為駐點處曲率半徑。

分析圖3(a)所示的噴氣入水過程,其駐點處氣射流速度可以根據(jù)湍動射流軸線速度分布估計,即:

(2)

式中:為湍動射流軸線速度分布經(jīng)驗常數(shù),為入水角度,為射流核心區(qū)軸線速度。

噴氣入水運動過程中射流在駐點處產(chǎn)生的動壓為

(3)

式中:為模型運動速度。

考慮到入水過程時間極短,取入水過程的平均速度,因此本實驗假設(shè)在入水過程中航行體動量不變。在計算過程中忽略表面張力的影響,結(jié)合式(1)～式(3)有:

(4)

2 實驗結(jié)果

2.1 實驗現(xiàn)象描述

根據(jù)實驗現(xiàn)象,可以將噴氣入水過程分為液面振蕩、噴濺、形成流動和空泡形成4個階段。圖4是=09,=45°,=18條件下噴氣入水空泡流動演化過程。起初在航行體距液面一定距離時,受射流本身特性影響,液面未受到射流擾動,表現(xiàn)出靜止?fàn)顟B(tài)(圖4(a))。當(dāng)航行體運動至射流影響范圍內(nèi),由于擴散的湍動氣射流隨航行體加速前進,斜沖擊到液面在氣液界面形成剪切層,并通過黏性作用加速液體使液體和氣體發(fā)生動量交換并強烈混合,形成了表面振蕩現(xiàn)象(圖4(b))。這種表面振蕩不穩(wěn)定現(xiàn)象與HWANG等在實驗中提出的K-H不穩(wěn)定一致。隨著航行體距液面高度的減小,振蕩擾動逐漸增強(圖4(c)),之后開始出現(xiàn)液滴飛濺(圖4(d))。由于入水的非對稱性,飛濺出現(xiàn)在左側(cè)并受重力影響回流持續(xù)影響液面。當(dāng)航行體持續(xù)接近液面,氣射流動量增加使得液面在航行體未達到液面表面就形成凹陷(圖4(d)),并進一步發(fā)展成開口空泡(圖4(e)),同時氣射流夾帶的空氣也進入空泡。此時,射流前方的液體持續(xù)被排開,開口空泡深度和直徑由于射流和航行體傳遞的動量逐漸擴張(圖4(d)～圖4(g))。值得注意的是,在空泡發(fā)展過程中氣射流在空泡內(nèi)出現(xiàn)了大量的回流,空泡壁面出現(xiàn)明顯的波動(圖4(e)～圖4(j)),這種波動除了和氣液剪切有關(guān),還可能和湍動射流壓力脈動有關(guān)。在整個向前噴氣協(xié)助入水過程中空泡壁面粗糙,空泡整體形態(tài)受重力影響呈上浮趨勢。

圖4 向前噴氣入水過程空泡形成及演化過程

此外,在較大噴氣系數(shù)下,射流產(chǎn)生的通氣空泡在整個入水過程中能時刻包裹運動的航行體。但是在小噴氣系數(shù)下,由于射流動量過小,環(huán)境壓力增大(入水深度增加所致),能夠維持有效空泡形態(tài)的駐點壓力小于隨航行體運動變化的環(huán)境壓力,最終未達到閉合或已經(jīng)閉合但未潰滅的通氣空泡遭到航行體的沖擊而產(chǎn)生湮滅現(xiàn)象。圖5給出了=07,=45°,=18條件下的通氣空泡“湮滅”過程?？张荨颁螠纭卑l(fā)生后,航行體濕面積增加,入水阻力增大。但由于持續(xù)性的射流及其脈動,航行體在運動過程頭部存在云狀氣泡或泡狀流逐漸上浮。

圖5 空泡“湮滅”的過程

2.2 開口空泡流動特性

2.2.1 模型高度對開口空泡的影響

一般來說,射流完全發(fā)展時其軸線速度分布較為穩(wěn)定,但由于航行體處于運動狀態(tài),動態(tài)的射流與液面間的距離時刻變化會導(dǎo)致作用在液面的射流速度時刻在變化,進而對液面產(chǎn)生不同的影響。圖6給出了=14,=36°,=18條件下航行體在不同高度形成的開口空泡形態(tài)演變過程。在開口空泡形成的過程中,發(fā)現(xiàn)存在明顯的區(qū)域轉(zhuǎn)變。這些區(qū)域包括液面振蕩區(qū)、過渡區(qū)和空泡形成區(qū)。從液面振蕩區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)榭张菪纬蓞^(qū)時,過渡區(qū)是逐漸向右側(cè)轉(zhuǎn)移并逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榭张菪纬蓞^(qū),如圖6插圖。這種區(qū)域的轉(zhuǎn)變歸因于動態(tài)的射流,具體來說,在湍動射流發(fā)展中,擴散的射流夾帶周圍的空氣使其寬度不斷增長形成混合區(qū),射流與液面作用先接觸射流混合區(qū),其次是射流核心區(qū)。同時由于射流在發(fā)展過程中其重力與浮力不平衡導(dǎo)致射流整體向上彎曲。因此,在這個過程中射流寬度相當(dāng)于一個收縮的過程,導(dǎo)致自由液面受影響范圍逐漸減少,并逐步轉(zhuǎn)變而影響區(qū)域形態(tài)。在入水過程中,氣射流在自由液面形成水平方向的剪切速度和豎直方向的沖擊速度。水平方向的剪切作用是液面振蕩區(qū)形成的主要原因。但由于液體靜壓和表面張力的作用,在液面振蕩區(qū)自由液面始終存在振蕩行為而不形成明顯的穿透現(xiàn)象,如圖6液面振蕩區(qū)所示。隨著航行體高度的減小,射流軸線沖擊速度逐漸增大,液面振蕩過程逐漸向形成開口空泡過程轉(zhuǎn)變,如圖6過渡區(qū)所示。液面振蕩區(qū)逐步向空泡形成區(qū)轉(zhuǎn)變后,射流穿透液面明顯,形成的開口空泡深度加深,且液面振蕩現(xiàn)象逐漸消失,空泡形成區(qū)出現(xiàn),如圖6空泡形成區(qū)所示。當(dāng)航行體進一步下降,開口空泡直徑和深度逐漸增大,入水通氣空泡形成。從圖6中可以看出,通氣空泡形成后,穿透深度隨航行體的運動逐漸加深,并形成非對稱空泡輪廓。

圖6 航行體在不同高度下形成的開口空泡形態(tài)演變過程

圖7給出了=14,=45°,=18條件下的無量綱開口空泡深度隨無量綱航行體垂直高度的變化。從圖7中可以看出,在噴氣系數(shù)一定的情況下,入水過程中開口空泡深度隨著航行體垂直高度的減小逐漸增加,當(dāng)航行體頭部到達液面時,穿透深度達到最大。航行體的運動縮短了射流離液面的距離,使得作用在液面的射流速度(射流動量)變大,導(dǎo)致形成的空泡變深。圖7中虛線是同一條件下的理論結(jié)果,可以看出和實驗符合良好,且表明這種增長并非呈線性增加。

圖7 空泡深度隨航行體高度的變化

圖8是同一條件下無量綱開口空泡直徑與航行體高度的關(guān)系。很明顯,開口空泡直徑在入水初期隨航行體垂直高度的減小逐漸增加,但到達一定值時空泡直徑不再增加,而出現(xiàn)減小的趨勢。初期開口空泡直徑的增加同樣是由于垂直高度的變化引起射流動量的增加,導(dǎo)致空泡兩側(cè)被排開的液體逐漸增多,使得空泡直徑變大。而當(dāng)射流穿透液面并發(fā)展空泡向前運動時,受空泡內(nèi)壓和靜壓的影響,液面表面開始出現(xiàn)閉合行為,空泡直徑呈減小的趨勢。

圖8 空泡直徑隨航行體高度的變化

2.2.2 噴氣系數(shù)對開口空泡的影響

圖9給出了航行體位于一定高度下(=14)開口空泡深度和直徑與噴氣系數(shù)的關(guān)系。航行體在一定高度下,根據(jù)湍動射流軸線速度分布規(guī)律,噴氣系數(shù)越大的射流動量越大,形成的開口空泡深度和直徑越大,呈明顯的線性變化規(guī)律。

圖9 空泡深度和直徑隨噴氣系數(shù)的變化

值得注意的是,空泡直徑和深度表現(xiàn)出的線性關(guān)系斜率相差較大,約為3.5倍。也就是說噴氣系數(shù)對開口空泡直徑的影響相對于空泡深度更為敏感。這種敏感的原因在于空泡形成初期射流首先與液面作用,水平方向的氣射流沿液面運動形成氣液界面不穩(wěn)定,而垂直方向則穿透液面形成空泡。當(dāng)噴氣系數(shù)增大時,自由液面失穩(wěn)振蕩越強烈,形成的開口空泡波動范圍越廣,這種波動沿著射流運動方向傳遞,直到射流動量完全被消耗為止,此時在自由液面形成的波動范圍(初期空泡)要遠大于氣射流在豎直方向穿透液面的深度。

2.2.3 入水角度對開口空泡的影響

圖10給出了航行體處于一定高度時開口空泡深度和直徑與入水角度的關(guān)系?？梢杂^察到,前期隨著角度的增加,開口空泡深度呈現(xiàn)增加的趨勢。主要原因可以考慮兩點:①入水角度越小,射流流動主要沿液面水平方向呈氣液剪切流動現(xiàn)象,對垂直方向影響較小,導(dǎo)致穿透深度越小;②入水角度越小,航行體處于同一高度時射流發(fā)展到自由液面的距離越遠,射流動量越小,形成的空泡深度越小。而對于空泡直徑與入水角度的變化關(guān)系也可以用前面深度變化和2.2.1節(jié)解釋。

圖10 空泡深度和直徑與入水角度的關(guān)系

此外,在實驗進行的工況中,當(dāng)入水角度增加到一定值時,會出現(xiàn)角度增加而穿透深度減小的情況,如圖10所示。這可能存在某個臨界入水角度使得垂直和水平分量的射流動量產(chǎn)生最大的穿透深度。

2.3 空泡發(fā)展流動特性

2.3.1 空泡壁面波動

實驗發(fā)現(xiàn),在航行體穿越氣液界面之后的空泡流動中,當(dāng)06≤<09時會出現(xiàn)明顯的空泡壁面波動現(xiàn)象,這種波動的發(fā)生會顯著影響空泡的穩(wěn)定性。圖11給出了典型情況下(=06,=36°,=18)的空泡壁面波動的形成過程。入水后在一定時間內(nèi)形成的空泡壁面并未發(fā)生明顯的波動,如圖11(a)。而此后由于射流不斷噴出,氣體在頭部沿空泡壁面回流出現(xiàn)較小的空氣核,空氣核迅速成長為孤立的附壁氣泡,如圖11(b)。由于空泡內(nèi)存在回流的氣體,氣泡隨氣體回流運動形成游移的附壁氣泡群,如圖11(c)。隨著航行體與回流的氣體進一步運動,游移的氣泡群由于空泡內(nèi)部壓力變化和氣液剪切作用發(fā)生潰滅,如圖11(e),并在空泡壁面不斷形成波動。隨著航行體的運動,波動逐漸沿氣體回流方向傳遞,直到波動停止,如圖11(h)。

圖11 小噴氣系數(shù)下空泡壁面波動形成過程

由于在運動過程中一直存在射流噴出,這種波動會一直跟隨入水空泡的發(fā)展,嚴(yán)重影響空泡的穩(wěn)定發(fā)展。這種波動現(xiàn)象與JIANG等的研究類似,通過對射流長度進行頻譜分析,發(fā)現(xiàn)頻譜表現(xiàn)的一般特征與HWANG等的射流撞擊實驗中氣液界面的振蕩相似。HWANG等對空泡深度和氣體射流內(nèi)部的壓力波動進行了譜密度分析,表明空泡深度與氣體射流中的湍流波動之間存在聯(lián)系,同時根據(jù)JIANG等的頻譜分析,認為射流長度的波動也可能與駐點附近的氣射流湍流波動有關(guān),而射流長度的波動會顯著影響氣核和壁面波動特性。

2.3.2 空泡直徑

航行體穿越氣液界面后,空泡直徑?jīng)Q定氣射流形成的空泡能否有效包裹航行體而產(chǎn)生緩沖減阻效果,因此以為參考監(jiān)測入水過程空泡直徑的變化顯得很有必要。圖12給出了空泡直徑隨時間的變化情況。圖中可以看出空泡直徑隨時間變化呈先增加后減小的趨勢。根據(jù)的定義,在初始時刻航行體到達自由液面時開口空泡已經(jīng)形成,航行體進一步運動后射流動量增加,氣體增多,使開口空泡進一步擴張,因此開始空泡直徑呈現(xiàn)增長趨勢。待航行體頭部穿越自由液面后,射流繼續(xù)加速液體前進,形成較為穩(wěn)定的空泡形態(tài)。但隨著運動的進一步發(fā)展,空泡直徑的擴張速度小于航行體的運動速度,空泡直徑開始出現(xiàn)下降趨勢,如圖12插圖所示。通過插圖也可以明顯地看出空泡直徑的變化狀態(tài),但在入水后期即便是環(huán)境壓力逐步增大,空泡直徑減小的趨勢也不太明顯,基本穩(wěn)定在約3倍空化器直徑,這和射流壓力、空泡內(nèi)壓有顯著的關(guān)系。

圖12 空泡直徑隨時間的變化(插圖為對應(yīng)的空泡狀態(tài))

圖13給出了不同入水角度下,航行體處于一定運動時刻(=15 ms)空泡直徑隨噴氣系數(shù)的變化。很明顯,在某一入水角度下空泡直徑隨噴氣系數(shù)呈線性增加,但不同入水角度間其線性關(guān)系幾乎一致,這也說明入水角度對空泡直徑影響有限。

圖13 空泡直徑隨噴氣系數(shù)的變化

2.3.3 射流長度

對氣射流協(xié)助入水而言,航行體穿透自由液面之后空泡和射流穩(wěn)定發(fā)展是協(xié)助入水的關(guān)鍵,而射流長度影響航行體能否穩(wěn)定排開入水前方液體形成有效的降載減阻空泡。圖14給出了射流長度隨時間變化趨勢。可見射流長度隨著航行體的運動逐漸減小,這可以通過運動過程中壓力平衡的觀點來解釋,在入水過程中,航行體速度由于射流的反向作用力逐漸減小,同時隨著穿透深度的加深,環(huán)境壓力逐漸變大。根據(jù)BANKS等提出的駐點壓力分析法,可知在入水運動過程中空泡最深處的靜壓=。靜壓隨著模型的運動逐漸增大,在噴氣系數(shù)不變的情況下要維持射流駐點處的動壓來平衡逐漸增大的靜壓,則射流駐點處的速度就需要增大,根據(jù)湍動自由射流軸線速度分布規(guī)律,這樣就要求射流長度減少。

圖14 射流長度隨時間的變化

到運動后期運動射流長度和空泡直徑一樣,均衰減不顯著。隨著航行體穿透深度的增加,射流長度發(fā)生變化會引起駐點處速度的變化。為了解射流在穿透過程中駐點處速度的脈動變化,圖15分別給出了=14,=45°,=18條件下航行體運動至=15 ms時刻之后駐點處射流速度和空泡直徑徑向擴張速度隨時間的變化情況。駐點處射流速度由式(2)計算,空泡直徑徑向擴張速度根據(jù)實驗圖像提取的空泡直徑對時間的變化率確定。在穿透深度較小時,隨著穿透深度的增加,駐點處射流軸線速度逐漸增大,且表現(xiàn)出脈動變化。在圖16中,速度功率譜密度整體顯示出減少的趨勢,但在()=168 Hz時出現(xiàn)一個極小值?？张葜睆綇较驍U張速度同樣顯示在穿透后期處于周期性脈動變化,如圖15所示。通過頻譜圖可以看出,空泡直徑擴張速度功率譜密度和射流駐點處速度功率譜密度高度相似,且均出現(xiàn)了一個極小值,而且出現(xiàn)極小值時兩者的頻率很相近(()=168 Hz,()=124 Hz)。因此,可以認為在入水穿透后期,空泡直徑和射流長度不僅受環(huán)境壓力的影響,還和湍動射流脈動有關(guān)。

圖15 射流駐點處速度和空泡直徑徑向擴張速度與時間的關(guān)系

圖16 射流駐點處速度和空泡直徑徑向擴張速度相對應(yīng)的功率譜密度

圖17給出了噴氣系數(shù)對射流長度的影響,同樣考慮的是航行體在=15 ms時刻的情況。圖中可明顯看出射流長度隨噴氣系數(shù)的增加仍然呈線性增加,并且在不同角度下其關(guān)系也基本一致。因此,入水角度對射流長度的影響也不太顯著。

圖17 射流長度隨噴氣系數(shù)的變化

3 結(jié)論

本文研究了向前噴氣協(xié)助航行體入水通氣空泡多相流動特性,進行了不同噴氣量、不同入水角度的向前噴氣入水實驗。分析了入水過程中射流穿透水面初生空泡的形態(tài)及空泡的發(fā)展,探討了不同噴氣量、入水角度對空泡形態(tài)、射流長度等的影響。主要結(jié)論如下:

①噴氣入水與直接入水相比,入水初期存在液面振蕩和空泡“湮滅”等現(xiàn)象;入水后由于K-H不穩(wěn)定空泡壁面出現(xiàn)波動。

②噴氣入水形成空泡流動過程存在3個區(qū)域轉(zhuǎn)變,分別是液面振蕩區(qū)、過渡區(qū)和空泡生成區(qū)。這些區(qū)域的形成與航行體位置有關(guān)。

③入水初期,開口空泡深度隨航行體高度的減小而增加;直徑隨航行體高度的減小先增大后減小;噴氣系數(shù)與開口空泡深度、直徑呈線性關(guān)系,且對開口空泡直徑的影響相比于開口空泡深度更為敏感。

④航行體穿越液面入水后,空泡直徑和射流長度在入水運動過程中均逐漸減小,但后期衰減不明顯,這些變化不僅受環(huán)境壓力的影響,還和湍動射流脈動有關(guān)?？张葜睆胶蜕淞鏖L度隨噴氣系數(shù)呈線性增加,入水角度對空泡直徑和射流長度的影響有限。