劉喜燕, 袁緒龍, 羅凱, 魯娜

(西北工業(yè)大學(xué) 航海學(xué)院, 陜西 西安 710072)

0 引言

跨介質(zhì)航行器是融合空中飛行器高速遠(yuǎn)程優(yōu)勢(shì)和基于超空泡減阻技術(shù)發(fā)展的水下高速航行器隱蔽毀傷優(yōu)勢(shì)而提出的一種跨水空兩棲新概念航行器[1],它具有空氣、水兩種介質(zhì)環(huán)境巡航并自由跨越水-氣界面的能力,以此能夠提升武器裝備的多任務(wù)和高效突防打擊等能力。在反復(fù)出入水末端突防彈道設(shè)計(jì)中,入水-轉(zhuǎn)平-出水彈道的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)是關(guān)鍵技術(shù)和難點(diǎn)所在。在該段彈道中,彈體經(jīng)歷入水沖擊、空泡形成、發(fā)展和潰滅,作用在航行器上的流體動(dòng)力[2]具有非定常性和不確定性,給動(dòng)力學(xué)建模與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)。

步驟5 使用PI算子依次判斷各棲息地，隨機(jī)產(chǎn)生Kim，Kim∈{1,2,3}，若rand<λj,kim成立，則該棲息地選為遷入棲息地；依次判斷各棲息地，隨機(jī)產(chǎn)生kem，kem∈{1,2,3}，若rand> <μj,kem成立，則該棲息地選為遷出棲息地；依次判斷遷出棲息地的若rand>μj,kem成立，則該棲息地選為遷出棲息地；依次判斷遷出棲息地的若randλj,kim成立，則該棲息地選為遷入棲息地；依次判斷各棲息地，隨機(jī)產(chǎn)生kem，kem∈{1,2,3}，若rand

在入水過(guò)程及彈道偏轉(zhuǎn)研究方面,Truscott[3]通過(guò)設(shè)計(jì)小角度(5°～15°)入水試驗(yàn)工況,研究了不同長(zhǎng)細(xì)比、彈體頭型對(duì)入水穩(wěn)定性的影響,結(jié)果表明大長(zhǎng)細(xì)比、鈍頭頭型能夠提高入水穩(wěn)定性。Kirschner等[4]借鑒超空泡射彈自由飛行試驗(yàn)獲得的空泡形態(tài)和尾拍特性,總結(jié)提出了采用預(yù)置舵角的方法可實(shí)現(xiàn)航行器機(jī)動(dòng)轉(zhuǎn)彎。袁緒龍等[5]采用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)方法對(duì)預(yù)置舵角超空泡航行器入水過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬研究,結(jié)果表明隨著舵角增大,超空泡航行器彈道轉(zhuǎn)平能力增強(qiáng)。王云等[6]通過(guò)高速入水試驗(yàn)獲得了4種頭型的彈道曲線,結(jié)果表明橢圓斜截頭彈體更容易產(chǎn)生出水的彎曲彈道。李永利等[7]對(duì)跨介質(zhì)航行器小角度入水跳彈現(xiàn)象進(jìn)行研究,獲得了發(fā)生跳彈現(xiàn)象航行器結(jié)構(gòu)特征以及浸水運(yùn)動(dòng)機(jī)理。時(shí)素果等[8]通過(guò)試驗(yàn)研究了不同預(yù)置舵角下航行器在水平面機(jī)動(dòng)轉(zhuǎn)彎過(guò)程中的彈道特性,結(jié)果表明預(yù)置舵角能夠控制實(shí)現(xiàn)航行器水平機(jī)動(dòng)轉(zhuǎn)彎。華揚(yáng)等[9]采用高速攝像方法,對(duì)非對(duì)稱頭型入水空泡發(fā)展與入水彈道變化特性進(jìn)行試驗(yàn)研究,結(jié)果表明切角頭型使得模型頭部受到流體的橫向偏轉(zhuǎn)力矩作用,從而使得模型彈道發(fā)生偏轉(zhuǎn)。

在出入水載荷特性及彈道穩(wěn)定性研究方面,袁緒龍等[10]通過(guò)建立跨介質(zhì)航行器高速入水多相流場(chǎng)與彈道耦合仿真模型,對(duì)預(yù)置舵角航行器入水載荷特性進(jìn)行研究,結(jié)果表明預(yù)置舵角使得法向過(guò)載達(dá)到軸向過(guò)載的2.7倍。盧丙舉等[11]研究了超空泡航行器高速入水過(guò)程沖擊過(guò)載問(wèn)題,結(jié)果表明通氣可以有效地降低軸向過(guò)載。趙海瑞等[12]通過(guò)對(duì)頭部噴氣航行器高速入水空泡特性進(jìn)行數(shù)值研究,發(fā)現(xiàn)噴氣可促使入水超空泡的生成,且能有效降低沖擊載荷。現(xiàn)階段對(duì)出水問(wèn)題的研究大都集中在航行器低速出水空泡潰滅問(wèn)題[13-16],研究均表明航行器出水過(guò)程中空泡潰滅對(duì)其結(jié)構(gòu)與姿態(tài)有較大影響。May[17]開(kāi)展了航行器入水試驗(yàn)研究,發(fā)現(xiàn)了超空泡航行器尾拍現(xiàn)象,對(duì)尾拍運(yùn)動(dòng)對(duì)彈道穩(wěn)定性影響規(guī)律進(jìn)行了總結(jié)。曹偉等[18]建立縱平面簡(jiǎn)化運(yùn)動(dòng)方程,對(duì)空化數(shù)實(shí)時(shí)變化的自然超泡航行器彈道穩(wěn)定性進(jìn)行了研究,并與人工通氣情況進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果表明通氣超空泡更有利于維持航行器姿態(tài)的穩(wěn)定。陳誠(chéng)等[19]開(kāi)展了通氣對(duì)超空泡航行器自由運(yùn)動(dòng)過(guò)程的彈道特性試驗(yàn)研究,結(jié)果表明采用通氣方式能夠提高航行器運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性。

綜上所述,目前針對(duì)跨介質(zhì)航行器的研究工作主要集中在出水或入水過(guò)程中的流場(chǎng)、彈道及載荷等方面,田北晨等[20]針對(duì)跨介質(zhì)飛行器開(kāi)展了近水面觸水滑跳運(yùn)動(dòng)特性研究,而在跨介質(zhì)航行器入水再出水連續(xù)彈道的研究方面仍處于初步研究階段。

本文設(shè)計(jì)一種跨介質(zhì)航行器試驗(yàn)?zāi)Ｐ?搭建高速入水試驗(yàn)平臺(tái),通過(guò)在模型內(nèi)部安裝測(cè)量系統(tǒng)記錄模型運(yùn)動(dòng)參數(shù),利用高速攝像機(jī)記錄典型空泡形態(tài),實(shí)現(xiàn)跨介質(zhì)航行器入水再出水全過(guò)程試驗(yàn),并對(duì)試驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬,所得研究結(jié)果可以為跨介質(zhì)航行器總體方案設(shè)計(jì)提供參考。

藜麥購(gòu)買(mǎi)于沽源縣天然園農(nóng)場(chǎng)；辛/癸酸甘油酯（MCT），印度尼西亞Britz Networks Sdn. Bhd.；尼羅紅，阿拉丁試劑有限公司，其它化學(xué)試劑均為國(guó)產(chǎn)分析純，實(shí)驗(yàn)所用水為二級(jí)蒸餾水。

時(shí)鐘撥回到1998年，從事捕撈32年的千島湖捕撈隊(duì)隊(duì)長(zhǎng)葉志清清晰地記得，那一年的捕魚(yú)特別不順利，全年只打到30多萬(wàn)kg魚(yú)，遠(yuǎn)少于上一年的150多萬(wàn)kg。與此同時(shí)，他在許多水域還發(fā)現(xiàn)一個(gè)奇怪現(xiàn)象：曾經(jīng)無(wú)比純凈的千島湖水面，漂浮著一層藍(lán)、綠色的藻類，路過(guò)還能聞到輕微異味。按照專業(yè)的說(shuō)法，這就叫“水華”。隨后的1999年，葉志清也遇到了同樣的情況。

1 連續(xù)出入水試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)方案

圖1給出了跨介質(zhì)航行器連續(xù)出入水彈道試驗(yàn)方案示意圖。通過(guò)試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛢?nèi)置測(cè)試單元模塊與高速攝像相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)空泡形態(tài)與運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的測(cè)量。為實(shí)現(xiàn)航行器彈道的入水-轉(zhuǎn)平-出水過(guò)程,設(shè)計(jì)一種超空泡航行器試驗(yàn)?zāi)Ｐ?如圖2所示,其基本原理為基于通氣超空泡技術(shù)實(shí)現(xiàn)水中減阻,采用預(yù)置舵角為航行器提供抬頭升力。

對(duì)“空氣質(zhì)量問(wèn)題”的教學(xué)設(shè)計(jì)方案及部分模擬教學(xué)視頻的分析表明，盡管不同職前教師的教學(xué)認(rèn)知具有差異性，但從中可以辨認(rèn)出能夠刻畫(huà)職前教師群體認(rèn)知特點(diǎn)的、能反映其教學(xué)方法認(rèn)知的教學(xué)“模式”．

由于建筑物的裝飾裝修工程牽涉面廣，而且使用的工藝與技術(shù)都較為復(fù)雜，而且在進(jìn)行裝飾裝修的過(guò)程中經(jīng)常會(huì)對(duì)建筑物的內(nèi)部構(gòu)造產(chǎn)生影響。絕大多數(shù)的建筑裝修工程都是在室內(nèi)，那么就必須要通過(guò)科學(xué)、合理的方式來(lái)對(duì)裝修施工的工序進(jìn)行安排布置。除此之外，建筑裝飾施工的現(xiàn)場(chǎng)管理工作相當(dāng)復(fù)雜，而且在進(jìn)行裝飾裝修的過(guò)程中會(huì)使用大量不同的裝飾材料與施工人員，因此必須要投入一定的人力來(lái)對(duì)這幾個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行嚴(yán)格管理。由于裝飾工程當(dāng)中主要以人工作業(yè)為主，并且工程施工周期短，因此在質(zhì)量的要求上比其他的工程要高，所以也要采取一些有效的方式來(lái)對(duì)施工質(zhì)量進(jìn)行控制。

圖2 跨介質(zhì)航行器試驗(yàn)?zāi)Ｐ虵ig.2 Experimental model of the trans-media vehicle

1.2 試驗(yàn)系統(tǒng)搭建

通過(guò)流體體積(VOF)多相流模型[21]實(shí)現(xiàn)水氣界面的捕捉,控制方程組包括連續(xù)方程、動(dòng)量方程、湍流模型及空化模型,其中湍流流場(chǎng)采用剪切應(yīng)力傳輸(SST)k-ω模型[22](其中k為湍流動(dòng)能,ω為湍流耗散率),采用Zwart-Gerber-Belamri空化模型。應(yīng)用不含溫度修正的Tait狀態(tài)方程[23]實(shí)現(xiàn)液相的可壓縮性。

圖3 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)構(gòu)建Fig.3 Experimental site

為掌握跨介質(zhì)航行器入水滑行過(guò)程中圓錐段、圓柱段和尾裙段等尾部殼體表面壓力特性,提取縱對(duì)稱剖面線的尾部殼體壓力。圖16給出了與圖15對(duì)應(yīng)狀態(tài)的航行器尾部殼體壓力系數(shù)分布規(guī)律。壓力系數(shù)Cp定義為

2 數(shù)值仿真方法

2.1 流場(chǎng)求解與運(yùn)動(dòng)耦合模型建立

試驗(yàn)系統(tǒng)主要由試驗(yàn)水池、變傾角發(fā)射系統(tǒng)、發(fā)控系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)、高速攝像機(jī)系統(tǒng)、回收裝置等組成,試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖3所示。

式中:p為當(dāng)?shù)貕毫?p∞為環(huán)境壓力;ρ為水的密度;v∞為來(lái)流速度。

采用動(dòng)計(jì)算域方法實(shí)現(xiàn)跨介質(zhì)航行器出入水全彈道運(yùn)動(dòng)過(guò)程,其原理為耦合瞬態(tài)多相流場(chǎng)與剛體運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)方程,在每個(gè)時(shí)間步內(nèi),通過(guò)Fluent軟件將獲得的流體動(dòng)力及力矩轉(zhuǎn)化為彈體的平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng),進(jìn)一步計(jì)算獲得彈體運(yùn)動(dòng)姿態(tài),不斷更新網(wǎng)格進(jìn)行迭代求解,最終實(shí)現(xiàn)流場(chǎng)與彈道耦合[10]。

跨介質(zhì)航行器在數(shù)值模擬實(shí)現(xiàn)平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),需要將GAMBIT軟件劃分的計(jì)算域網(wǎng)格坐標(biāo)系設(shè)置為CFD求解器計(jì)算坐標(biāo)系。建立位于航行器質(zhì)心的體坐標(biāo)系Oxyz,Ox軸沿航行器的軸線方向,Oxy平面為航行器的縱對(duì)稱面,地面坐標(biāo)系(Ogxgygzg)與體坐標(biāo)系在航行器開(kāi)始運(yùn)動(dòng)時(shí)刻t0為完全重合的狀態(tài),t0時(shí)刻定義為航行器質(zhì)心距離水面0.1 m的位置,如圖4所示。在空化器預(yù)置舵角產(chǎn)生的操縱力作用下,航行器在Oxy平面內(nèi)做非定常的高速入水轉(zhuǎn)平及出水運(yùn)動(dòng)。

2.3.1 網(wǎng)格數(shù)量

圖4 坐標(biāo)系示意圖Fig.4 Schematic diagram of the coordinate system

2.2 計(jì)算模型與邊界條件

本文研究的跨介質(zhì)航行器由帶預(yù)置舵角的空化器、圓錐段、圓柱段和尾裙段構(gòu)成。模型示意圖如圖5所示,主要參數(shù)如表1所示。

圖5 跨介質(zhì)航行器外形示意圖Fig.5 Contours of the trans-media vehicle

表1 跨介質(zhì)航行器主要參數(shù)

本文建立的計(jì)算域及各邊界條件劃分如圖6所示,航行器所在面為對(duì)稱面?？栈骱蟮耐饪撞捎觅|(zhì)量流量入口,通氣質(zhì)量流量Q=0.15 kg/s。圖6中,g為重力加速度,取值9.81 m/s2,v為航行速度。由于航行器入水速度較高,航行器尾部空泡較長(zhǎng),計(jì)算域尺寸應(yīng)該滿足流體不受計(jì)算域邊界條件的影響,根據(jù)前期的計(jì)算驗(yàn)證,選取計(jì)算域長(zhǎng)度L為10倍航行器長(zhǎng)度,其中計(jì)算域的右側(cè)面距離航行器空化器3倍航行器長(zhǎng)度,計(jì)算域左側(cè)面距離航行器尾噴管6倍航行器長(zhǎng)度,計(jì)算域的直徑D為30倍航行器直徑。綜上所述,計(jì)算域尺寸取10 000 mm×2 000 mm。

圖6 計(jì)算域及邊界條件Fig.6 Computational domain and boundary conditions

全局計(jì)算域采用正交各向異性的結(jié)構(gòu)六邊形網(wǎng)格,針對(duì)黏性問(wèn)題,在物面層附近區(qū)域通過(guò)拆分第1層網(wǎng)格來(lái)生成各向異性的結(jié)構(gòu)式分布邊界層網(wǎng)格。通過(guò)控制長(zhǎng)細(xì)比,生成的網(wǎng)格長(zhǎng)細(xì)比不大于2,網(wǎng)格數(shù)量約為300萬(wàn)。網(wǎng)格質(zhì)量分析顯示無(wú)負(fù)體積、凹面和扭曲網(wǎng)格,且正交性高于80°的網(wǎng)格單元占總數(shù)的96%以上。網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖7所示。

由于環(huán)境和資源的限制,世界范圍內(nèi)正在經(jīng)歷著一場(chǎng)能源轉(zhuǎn)型。從建設(shè)智能電網(wǎng)到建設(shè)能源互聯(lián)網(wǎng),發(fā)展清潔低碳的可再生能源是這種能源轉(zhuǎn)型努力的具體體現(xiàn)。我國(guó)政府已向國(guó)際社會(huì)承諾,非化石能源占比將在2020年達(dá)到15%,2030年達(dá)到20%。

圖7 網(wǎng)格劃分結(jié)果Fig.7 Meshing results

2.3 網(wǎng)格數(shù)量與計(jì)算推進(jìn)步長(zhǎng)影響

針對(duì)部分欠注井注入壓力高，并導(dǎo)致注配間泵壓較高的情況，在采油工程方面，選取5個(gè)注配間8口欠注井開(kāi)展酸化解堵施工，選取34口欠注井開(kāi)展化學(xué)洗井，措施后注配間柱塞泵壓力降低1.0～2.0 MPa，累計(jì)節(jié)約電量16.3×104kWh，在降壓增注的同時(shí)兼顧了節(jié)能降耗。

網(wǎng)格作為劃分計(jì)算域的單元,其數(shù)量和質(zhì)量對(duì)數(shù)值求解有著非常重要的影響。在現(xiàn)有網(wǎng)格劃分策略的基礎(chǔ)上,不改變網(wǎng)格分布區(qū)域尺寸和網(wǎng)格大小遞變規(guī)律等參數(shù)設(shè)置。以現(xiàn)有網(wǎng)格作為標(biāo)準(zhǔn),采用相同的縮放因子,在計(jì)算域的3個(gè)方向等比例地縮放網(wǎng)格尺寸,最終得到3套網(wǎng)格單元數(shù)量不等的網(wǎng)格,即稀疏網(wǎng)格(網(wǎng)格單元數(shù)220萬(wàn))、標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)格(網(wǎng)格單元數(shù)300萬(wàn))和加密網(wǎng)格(網(wǎng)格單元數(shù)400萬(wàn))。圖8給出了3種網(wǎng)格數(shù)量的俯仰力矩Mz變化曲線。由圖8可以看出,網(wǎng)格量對(duì)計(jì)算結(jié)果有一定影響,稀疏網(wǎng)格的計(jì)算結(jié)果較其他兩種網(wǎng)格的結(jié)果有較大的差別,而標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)格與加密網(wǎng)格的力矩曲線基本一致,說(shuō)明標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)格的密度分布基本能夠滿足計(jì)算精度的要求,其計(jì)算量較加密網(wǎng)格減小了約30%,標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)格的計(jì)算具有較高的經(jīng)濟(jì)性,適用于大量仿真研究的需求,故采用標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)格開(kāi)展仿真研究。

圖8 網(wǎng)格數(shù)量影響Fig.8 Influence of grid number

2.3.2 計(jì)算推進(jìn)步長(zhǎng)

采用網(wǎng)格量為300萬(wàn)的網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算,分別設(shè)置3種時(shí)間步長(zhǎng)Δt1=1×10-6s、Δt2=5×10-6s和Δt3=1×10-5s進(jìn)行計(jì)算。圖9給出了3種時(shí)間步長(zhǎng)下航行器俯仰力矩Mz變化曲線。由圖9可知,較大時(shí)間步長(zhǎng)相對(duì)于其他兩個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)產(chǎn)生較大差異,Δt1與Δt2差異很小,即Δt2作為時(shí)間推進(jìn)步長(zhǎng)可以獲得準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果,同時(shí)計(jì)算成本適當(dāng),因此選用Δt2作為本文仿真的推進(jìn)步長(zhǎng)。

圖9 計(jì)算推進(jìn)步長(zhǎng)影響Fig.9 Influence of time steps

3 結(jié)果與分析

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

本文試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了跨介質(zhì)航行器出入水全彈道運(yùn)動(dòng)過(guò)程。圖10給出了入水初期階段空泡動(dòng)態(tài)發(fā)展的影像。由圖10可以看出,跨介質(zhì)航行器小角度入水(8°入水角)時(shí),入水過(guò)程中空泡呈不對(duì)稱發(fā)展,即上空泡壁與航行器壁面的空隙大于下空泡壁與航行器壁面的間隙,彈身處于空泡包裹狀態(tài),未發(fā)生沾濕現(xiàn)象,呈光滑、透明的空泡,見(jiàn)圖10(b)、圖10(c)、圖10(d)。隨著舵效[20](預(yù)置舵角為5°)作用導(dǎo)致航行器受到繞質(zhì)心的抬頭力矩,航行器將繞質(zhì)心逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),航行器尾裙開(kāi)始拍擊水面,出現(xiàn)尾拍現(xiàn)象,尾部水氣摻混劇烈,彈身處空泡仍然光滑透亮,此時(shí)尾部空泡內(nèi)出現(xiàn)渾濁現(xiàn)象,見(jiàn)圖10(e)。 隨后出現(xiàn)持續(xù)滑水現(xiàn)象,見(jiàn)圖10(f)、圖10(g),彈身附近空泡內(nèi)水氣摻混加劇,尤其尾部空泡更加劇烈。分析認(rèn)為,由于入水初期,提前通氣形成的開(kāi)口空泡尺度較大,當(dāng)航行器尾裙向下完成拍擊空泡壁面運(yùn)動(dòng)后,觸水尾拍力較大,使得尾拍力作用下的尾裙浸沒(méi)深度較大。隨著尾部恢復(fù)力矩的作用使得航行器向反方向轉(zhuǎn)動(dòng),沾濕面積減小,航行器將以滑水方式入水,并伴隨尾部空泡的形成。空泡逐步由開(kāi)口空泡階段向空泡閉合階段發(fā)展,形成空泡尾流閉合流型。空泡閉合區(qū)形成后,由于壓力梯度的作用使得水向壓力較低的空泡內(nèi)運(yùn)動(dòng)而形成回射流,形成氣-液摻混區(qū)域,空泡呈渾濁狀態(tài)。最終發(fā)展形成空泡渦團(tuán),但未發(fā)生脫落,該現(xiàn)象在文獻(xiàn)[24]中開(kāi)展的通氣空泡潰滅水洞試驗(yàn)研究中亦曾出現(xiàn),見(jiàn)圖10(h)。 由于水下攝像角度有限,圖10 未能詳盡地捕捉航行器入水轉(zhuǎn)平全過(guò)程。

圖10 入水初期階段Fig.10 Initial stage of water-entry

跨介質(zhì)航行器流體動(dòng)力系數(shù)定義為

圖11 超空泡航行階段Fig.11 Stage of supercavitation navigation

圖12 出水階段Fig.12 Stage of water-exit

圖13給出了跨介質(zhì)航行器試驗(yàn)與仿真彈道參數(shù)對(duì)比。由圖13可以看出,航行速度、質(zhì)心彈道仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果趨勢(shì)一致性較好,最大相對(duì)誤差為8.5%,表明本文建立的數(shù)值計(jì)算模型基本合理。設(shè)計(jì)的跨介質(zhì)航行器實(shí)現(xiàn)了入水再出水的連續(xù)彈道過(guò)程,跨介質(zhì)航行器彈道曲線呈拋物線,水中航行15 m后達(dá)到最大入水深度,深度約為0.9 m;最大水平航行距離27 m,速度降約為22.1%(出水速度與入水速度的差值與入水速度的比值),同時(shí)驗(yàn)證了通氣超空泡的形成有效降低了航行器水中航行阻力。

圖13 試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果對(duì)比Fig.13 Comparison of experimental and numerical results

3.2 計(jì)算結(jié)果與分析

3.2.1 跨介質(zhì)航行器流場(chǎng)與運(yùn)動(dòng)特性

由于試驗(yàn)過(guò)程未能全程捕捉跨介質(zhì)航行器出入水全過(guò)程的運(yùn)動(dòng)過(guò)程及其流場(chǎng)發(fā)展特性,本文采用試驗(yàn)研究與數(shù)值仿真相結(jié)合的方法,將試驗(yàn)的入水初始條件作為仿真計(jì)算的初始條件,通過(guò)設(shè)置通氣邊界條件,實(shí)現(xiàn)包覆跨介質(zhì)航行器的通氣超空泡。試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了數(shù)值計(jì)算結(jié)果的可靠性,在此基礎(chǔ)上研究跨介質(zhì)航行器出入水全彈道過(guò)程的流場(chǎng)與運(yùn)動(dòng)特性。

圖14給出了跨介質(zhì)航行器出入水過(guò)程的壓力云圖。由圖14可以看出,跨介質(zhì)航行器出入水過(guò)程經(jīng)歷頭部觸水、入水滑行、超空泡航行、滑行出水等階段。由于空化器預(yù)置舵角的存在,其頭部駐點(diǎn)壓力呈非對(duì)稱分布,產(chǎn)生的合力矩使航行器產(chǎn)生逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)的抬頭力矩。入水滑行階段,在空化器抬頭力矩作用下,航行器繞其質(zhì)心逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng),產(chǎn)生向下的壓力,使得航行器下表面與水接觸,以滑水運(yùn)動(dòng)形式進(jìn)入水中,滑水階段從錐段沾濕開(kāi)始,彈身周圍的空泡輪廓發(fā)生擠壓變形,見(jiàn)t=0.006 s時(shí)刻,直至尾裙完全進(jìn)入水中結(jié)束,此時(shí)形成尾部高壓區(qū),尾裙端面產(chǎn)生空化器效應(yīng),進(jìn)而生成新的附體空泡,見(jiàn)t=0.015 s時(shí)刻;隨著超空泡的形成,航行器在空泡內(nèi)非穩(wěn)態(tài)振蕩運(yùn)動(dòng),尾部不斷拍擊上下空泡壁面而出現(xiàn)高壓區(qū),此階段航行器主要以尾拍運(yùn)動(dòng)在水下航行,空化器始終處于沾濕狀態(tài),尾裙周期性沾濕,因此,航行器受力主要是空化器和尾裙共同作用的結(jié)果,空化器產(chǎn)生恒定抬頭力矩,尾部動(dòng)態(tài)振蕩產(chǎn)生動(dòng)態(tài)穩(wěn)定力矩;滑行出水階段,頭部空泡潰滅,尾部空泡徑向輪廓增大,這是因?yàn)轭^部空泡潰滅,外界空氣大量涌入而形成的倒吸現(xiàn)象,見(jiàn)t=0.333 s時(shí)刻;完成出水后,空泡逐漸脫落,跨介質(zhì)航行器保持出水姿態(tài)在水面飛行,見(jiàn)t=0.360 s時(shí)刻。

圖14 跨介質(zhì)航行器出入水過(guò)程壓力云圖Fig.14 Pressure contours of the trans-media vehicle during water entry and exit

為了研究通氣對(duì)跨介質(zhì)航行器空泡發(fā)展形態(tài)的影響,表2給出了有無(wú)通氣工況下不同航行階段的空泡演化形態(tài),其中通氣量Q=0 kg/s為無(wú)通氣工況,通氣量Q=0.15 kg/s為通氣工況。由表2可以看出,在不同航行階段通氣有助于空泡形態(tài)的生成與發(fā)展,空泡長(zhǎng)度明顯增大(有通氣工況的空泡長(zhǎng)度l0.15>無(wú)通氣工況的空泡長(zhǎng)度l0),有效減小了航行器與水的接觸面積;在滑行階段,通氣工況的航行器上空泡壁面軸向長(zhǎng)度減小(有通氣工況的上空泡壁面軸向長(zhǎng)度λ0.15<無(wú)通氣工況的上空泡壁面軸向長(zhǎng)度λ0),這是因?yàn)楦邏簹怏w作用在上空泡壁面,使其向外翻卷提前,動(dòng)能被耗散[25],使得在氣-水界面處的空泡較早發(fā)生潰滅。

未缺血再灌注大鼠腦組織未出現(xiàn)腫脹，腦溝腦回清晰皮層顏色較紅潤(rùn)；淺表血管豐富、充盈好、鮮紅，腦缺血再灌注大鼠腦組織有明顯腫脹腦溝腦回表淺，皮層顏色蒼白,表面血管塌陷，基本無(wú)血流[1]。如圖 1-2所示。

表2 通氣對(duì)空泡發(fā)展形態(tài)的影響

圖15給出了跨介質(zhì)航行器滑行階段浸入不同水深的空泡特征,定義δ來(lái)表示航行器的軸向浸沒(méi)深度,δ=Lc/Lv,Lc為空泡軸向長(zhǎng)度,Lv為航行器長(zhǎng)度。從圖15中可以看出,跨介質(zhì)航行器在滑行過(guò)程中,頭部空化器始終保持全沾濕狀態(tài),空泡由肩部逐步向尾部發(fā)展,航行器附近空泡發(fā)生擠壓變形,見(jiàn)圖15(a)、圖15(b);迎水面空泡由航行器縱對(duì)稱面向兩側(cè)擠壓而出現(xiàn)沾濕,隨著滑行升力的形成,這種擠壓趨勢(shì)減弱,航行器周圍的空泡輪廓逐漸回歸常態(tài),見(jiàn)圖15(c)、圖15(d),這是因?yàn)槲膊啃纬蓛A覆力矩與空化器產(chǎn)生的抬頭力矩共同作用,使得跨介質(zhì)航行器的俯仰力矩減小,從而對(duì)空泡產(chǎn)生的壓力減小。

圖15 滑行階段不同浸沒(méi)深度空泡特征Fig.15 Cavitation characteristics of different immersion depths in planing stage

試驗(yàn)具體流程為:裝配帶有內(nèi)部運(yùn)動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的試驗(yàn)?zāi)Ｐ?將模型與適配器裝入發(fā)射裝置炮管中。將變傾角發(fā)射裝置調(diào)至試驗(yàn)所需角度,高壓氣瓶充氣至模型發(fā)射速度相對(duì)應(yīng)的發(fā)射壓力,發(fā)控系統(tǒng)控制電磁閥打開(kāi),高速攝像機(jī)同時(shí)觸發(fā)記錄。模型在高壓氣體推動(dòng)下開(kāi)始運(yùn)動(dòng),內(nèi)測(cè)系統(tǒng)觸發(fā)。試驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵灾付ㄈ胨切鄙淙胨?模型內(nèi)置的內(nèi)測(cè)系統(tǒng)測(cè)量并記錄模型6自由度運(yùn)動(dòng)參數(shù),兩套高速攝像機(jī)分別從水面和水下記錄入水空泡形態(tài)和彈道軌跡,回收試驗(yàn)?zāi)Ｐ?讀取模型內(nèi)置的運(yùn)動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)數(shù)據(jù),完成試驗(yàn)。

圖16 尾部殼體壓力系數(shù)分布Fig.16 Distribution of shell pressure coefficients

(1)

1.3療效評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn) 治愈:胃部炎癥和潰瘍癥狀完全消失,恢復(fù)情況理想;好轉(zhuǎn):胃部炎癥有所改善,潰瘍癥狀改善,病變范圍縮小10%以上;無(wú)效:胃部炎癥和潰瘍沒(méi)有改善,病情惡化。有效率為治愈率和有效率之和[1]。

由圖16可以看出,跨介質(zhì)航行器入水滑行過(guò)程中,尾部殼體最大壓力系數(shù)峰值先增大后減小,結(jié)合圖15空泡特征可知,尾部殼體壓力增大對(duì)周圍空泡輪廓擠壓加劇;尾裙段出現(xiàn)最大壓力系數(shù),峰值高達(dá)0.2,壓力特性為迎水面緩升、尾端面陡降,這是因?yàn)槲踩箤?duì)流體的發(fā)展起到了阻滯作用;圓錐段和圓柱段的壓力系數(shù)變化不明顯。

圖17給出了跨介質(zhì)航行器俯仰角速度ω、俯仰角θ隨時(shí)間的變化規(guī)律。由圖17可以看出:跨介質(zhì)航行器從入水至出水過(guò)程中俯仰角速度具有周期振蕩特性,幅值呈明顯的非對(duì)稱性,正向俯仰角速度幅值大于負(fù)向幅值,俯仰角度隨時(shí)間呈遞增式周期性波動(dòng),由入水時(shí)θ=-8°逐漸增加到出水時(shí)的θ=5°,實(shí)現(xiàn)了跨介質(zhì)航行器入水-轉(zhuǎn)平-出水全過(guò)程運(yùn)動(dòng);航行器入水后,受到抬頭力矩的作用,繞質(zhì)心逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng),俯仰角速度正向增大,完成入水滑行時(shí)俯仰角θ=-8°逐漸增加到θ=-5°;水中超空泡航行階段,俯仰角速度振蕩幅值隨時(shí)間呈先增加后減小趨勢(shì),振蕩周期逐漸增大;尾拍過(guò)程中,俯仰角速度在達(dá)到峰值時(shí)均出現(xiàn)了上升段緩升、下降段陡降等現(xiàn)象,這是空泡記憶效應(yīng)[26]與尾部沾濕部分產(chǎn)生的慣性力共同作用的結(jié)果。

圖17 俯仰角速度、俯仰角隨時(shí)間變化規(guī)律Fig.17 Pitching angular velocity and angle vs time

3.2.2 跨介質(zhì)航行器流體動(dòng)力特性

通過(guò)空中布置高速攝像機(jī)記錄跨介質(zhì)航行器水中航行與出水過(guò)程。圖11給出了水中航行階段典型時(shí)刻的彈道影像。從圖11中可以看出,跨介質(zhì)航行器以超空泡狀態(tài)水中航行,在視場(chǎng)平面內(nèi)呈近直線彈道。航行器尾部空泡內(nèi)水氣摻雜現(xiàn)象,分析認(rèn)為是由于彈身拍擊空泡壁面而引起流場(chǎng)擾動(dòng),試驗(yàn)航行器主要通過(guò)尾拍動(dòng)態(tài)穩(wěn)定機(jī)制在水中航行(見(jiàn)圖11(a)、圖11(b)、圖11(c))。航行器空泡尾部區(qū)域相對(duì)穩(wěn)定,未發(fā)生大量空泡脫落、潰滅現(xiàn)象(見(jiàn)圖11(d))。圖12給出了出水階段彈道軌跡發(fā)展。由圖12可以看出,跨介質(zhì)在出水過(guò)程中,隨著航行器抬頭偏轉(zhuǎn),發(fā)展形成彎曲空泡,泡內(nèi)水氣混濁現(xiàn)象加重,直至完成出水,見(jiàn)圖12(d)。

(2)

式中:Cx、Cy和mz分別為跨介質(zhì)航行器的軸向力系數(shù)、法向力系數(shù)和俯仰力矩系數(shù);Fx、Fy分別為跨介質(zhì)航行器受到的軸向力、法向力;S為圓柱段的橫截面積。

我的小弟是個(gè)音樂(lè)家。每天我練習(xí)彈古箏時(shí)，他就隨著音樂(lè)有節(jié)奏地手舞足蹈。興奮時(shí)，還會(huì)響亮地“依依哦哦”直叫，好像在放聲歌唱。平時(shí)他一到我的房間，就特別喜歡爬到古箏那去站起來(lái)，亂抓亂摸古箏的琴弦，像在模仿我彈琴的樣子。有時(shí)候，他沒(méi)站穩(wěn)摔倒在古箏旁也不哭，而是很堅(jiān)強(qiáng)地爬起來(lái)，再試一次。

圖18給出了跨介質(zhì)航行器各部分的流體動(dòng)力隨時(shí)間變化曲線。由圖18可以看出:

圖18 航行器流體動(dòng)力變化曲線Fig.18 Variation curve of the vehicle’s hydrodynamic coefficients

1)跨介質(zhì)航行器總體軸向力系數(shù)呈脈沖式振蕩規(guī)律,當(dāng)航行器出現(xiàn)沾濕時(shí),軸向阻力增加,航行過(guò)程中軸向力系數(shù)在平均值0.020附近減幅振蕩。航行器總體軸向力主要由空化器、圓錐段、尾裙段構(gòu)成。其中,空化器在水下航行過(guò)程中具有固定的沾濕面積,空化器軸向力系數(shù)隨時(shí)間變化較小,基本穩(wěn)定在0.040左右;圓錐段和圓柱段基本處于空泡包裹狀態(tài),軸向力系數(shù)基本穩(wěn)定,分別在0.025和0.010左右,圓錐段的軸向力系數(shù)主要由氣動(dòng)壓差阻力貢獻(xiàn),圓柱段的軸向力系數(shù)則由氣動(dòng)壓力阻力和沾濕面產(chǎn)生的水動(dòng)阻力貢獻(xiàn);尾裙段軸向力系數(shù)由氣動(dòng)產(chǎn)生的壓差阻力和沾濕產(chǎn)生的滑行阻力貢獻(xiàn),軸向力系數(shù)始終為正值。分析認(rèn)為形成閉合空泡后產(chǎn)生的回射流作用在尾端面形成了推力效果[27],回射流流線如圖19所示。

SW1(config-if-range)#sw mode tr //將三層交換機(jī)SW1的f0/0與f0/1兩個(gè)端口設(shè)置成TRUNK工作模式

圖19 回射流流線圖Fig.19 Flowline diagram of the re-entrant jet

2)跨介質(zhì)航行器法向力系數(shù)和俯仰力矩系數(shù)以脈沖形式周期性變化,其脈動(dòng)幅值隨時(shí)間先增大后減小;在0～0.027 s區(qū)間,航行器處于滑水沾濕狀態(tài),與圖10(f)的現(xiàn)象基本一致,航行器入水完成首次尾拍運(yùn)動(dòng)后,與水體接觸,呈滑水運(yùn)動(dòng)特征,法向力和俯仰力矩呈先增大后減小變化規(guī)律,其幅值始終為正值,表現(xiàn)為升力,此階段出現(xiàn)最大俯仰力矩系數(shù),其峰值高達(dá)0.060,航行器受到的彎矩與升力、抬頭力矩以及與水的沾濕位置有關(guān),計(jì)算獲得最大峰值時(shí)的頭部截面(截面位置及受力示意圖見(jiàn)圖20)彎曲載荷為3 400 N·m。由此可見(jiàn),帶預(yù)置舵角跨介質(zhì)航行器高速入水沖擊形成的抬頭力矩峰值對(duì)航行器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有較高要求;在0.027～0.280 s區(qū)間,航行器尾部上下拍擊空泡壁面,形成了雙側(cè)尾拍現(xiàn)象,體現(xiàn)為法向力系數(shù)和俯仰力矩系數(shù)呈現(xiàn)等幅或減幅周期性振蕩特性,下拍擊力幅值(呈現(xiàn)為升力特性)大于上拍力幅值,使得航行器實(shí)現(xiàn)入水轉(zhuǎn)平、水中穩(wěn)定航行以及抬頭出水等運(yùn)動(dòng)過(guò)程;在0.280～0.360 s區(qū)間,航行器以單側(cè)向下拍擊空泡壁面完成出水運(yùn)動(dòng),在完成一次向下拍擊周期后,航行器在空泡內(nèi)周期性上下小幅擺動(dòng),維持動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定,其法向力系數(shù)和俯仰力矩系數(shù)呈脈沖形式周期性變化特征。其中,空化器貢獻(xiàn)恒定的升力和抬頭力矩,尾裙貢獻(xiàn)的升力和俯仰力矩所占比例最大,提供的恢復(fù)力矩遠(yuǎn)大于前端產(chǎn)生的抬頭力矩,形成了抑制攻角增大的恢復(fù)力矩?？傮w俯仰力矩系數(shù)在零值附近正負(fù)周期性波動(dòng),抑制了攻角的持續(xù)增大。圓柱段和圓錐段法向力系數(shù)均以脈沖形式周期性變化,脈沖幅值和周期變化規(guī)律基本一致。

圖20 航行器截面位置與受力示意圖Fig.20 Sectional position and force diagram of the vehicle

表3給出了跨介質(zhì)航行器超空泡航行階段尾裙段與空泡的相對(duì)位置。由表3可以看出:當(dāng)航行器發(fā)生尾拍向下拍擊下空泡壁時(shí),尾裙浸沒(méi)深度要大于尾拍向上拍擊上空泡壁面的浸沒(méi)深度,與圖18(b)中航行器法向力特性相對(duì)應(yīng),且法向力越大,浸沒(méi)深度越大;空泡彎曲變形伴隨整個(gè)超空泡航行階段,隨著航行器出水由雙側(cè)尾拍轉(zhuǎn)變?yōu)閱蝹?cè)尾拍,上空泡壁面逐漸恢復(fù)。

表3 尾裙與空泡相對(duì)位置

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種5°預(yù)置舵角+尾裙組合形式的跨介質(zhì)航行器,針對(duì)該模型開(kāi)展了連續(xù)出入水試驗(yàn)和數(shù)值仿真研究,對(duì)航行器出入水過(guò)程的運(yùn)動(dòng)特征和流體動(dòng)力特性進(jìn)行了分析。得出以下主要結(jié)論:

1)該跨介質(zhì)航行器可以實(shí)現(xiàn)出入水連續(xù)彈道過(guò)程,其彈道軌跡呈類拋物線狀,最大入水深度為0.9 m,最大水平航行距離為27 m,出水/入水速度降為22.1%,通氣超空泡減阻效果顯著。

2)跨介質(zhì)航行器出入水全彈道運(yùn)動(dòng)過(guò)程可分為入水階段、超空泡航行階段以及出水階段:入水階段,航行器受到預(yù)置舵角產(chǎn)生的抬頭力矩作用,以尾裙穩(wěn)定滑行方式入水實(shí)現(xiàn)航行器入水-轉(zhuǎn)平運(yùn)動(dòng);超空泡航行階段,航行器主要以雙側(cè)尾拍運(yùn)動(dòng)為主,維持水中彈道穩(wěn)定;出水階段,航行器以單側(cè)尾拍運(yùn)動(dòng)方式完成出水運(yùn)動(dòng)。

3)跨介質(zhì)航行器出入水連續(xù)彈道過(guò)程中流體動(dòng)力呈脈沖式振蕩特性,軸向力和法向力系數(shù)隨沾濕面積增大而增大;入水初期,航行器受到較大的彎曲力矩作用,對(duì)跨介質(zhì)航行器的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度提出一定的要求;預(yù)置舵角錐形空化器提供穩(wěn)定升力和抬頭力矩,是航行器實(shí)現(xiàn)入水-轉(zhuǎn)平-出水運(yùn)動(dòng)的重要因素,尾裙提供的恢復(fù)力矩使得俯仰角速度減幅周期性變化,進(jìn)而提高了航行器出入水彈道的穩(wěn)定性。