物體入水問題近年來受到廣泛關(guān)注,但關(guān)于運(yùn)動體并聯(lián)入水的研究較少。相對于單運(yùn)動體入水,多運(yùn)動體并聯(lián)入水在軍事中也有很強(qiáng)的應(yīng)用背景,例如水上多枚魚雷空投、超空泡射彈齊射入水等,這種多層次飽和打擊能夠大幅提高對水下運(yùn)動目標(biāo)的毀傷效果。為了探索雙運(yùn)動體并聯(lián)入水的流體動力特點(diǎn),開展了不同橫向間距下的雙球同步入水實(shí)驗(yàn),分析了入水后雙空泡演化過程與運(yùn)動特性。結(jié)果表明,并聯(lián)入水后由于雙球內(nèi)側(cè)流場和壓力發(fā)生變化,水-汽-壁三相接觸線傾斜在球體表面,且傾斜角度隨雙球間距增大而減小;雙球的空泡形態(tài)和三相接觸線具有良好的彼此對稱性。當(dāng)雙球以較小的橫向間距（≤2.5D）并聯(lián)入水時(shí),空泡尾部內(nèi)側(cè)壁面會發(fā)生融合,形成"臼齒形"空泡,且其潰滅首先發(fā)生在壁面融合處,潰滅尾跡交織呈云團(tuán)形;當(dāng)間距增加至3.5D時(shí),空泡潰滅尾跡向內(nèi)側(cè)偏、交匯呈馬蹄形;當(dāng)間距進(jìn)一步增加到5.5D和7.5D時(shí),雙球空泡尾跡相互干擾很弱,與單球空泡尾跡形態(tài)比較接近。當(dāng)雙球橫向間距小于3.5D時(shí)空泡表面閉合誘導(dǎo)產(chǎn)生的水柱頂部發(fā)生分離并兩側(cè)拋灑,隨著橫向間距的不斷增加,空泡發(fā)展受相鄰運(yùn)動體的影響逐漸減弱,但均呈現(xiàn)出良好的對稱性,其長度、直徑與濺起水花... 

【文章來源】：振動與沖擊. 2020,39(15)北大核心EICSCD

【文章頁數(shù)】：9 頁

【部分圖文】：

單球入水空泡形態(tài)

由于小球撞水時(shí)與周圍流體存在較大的速度差,其三相接觸線沿球體表面以較快速度向上運(yùn)動,并誘導(dǎo)流動分離,最后穩(wěn)定在球體赤道線附近并沿后方形成空泡,如圖4所示。Ding等[32]對接觸線的運(yùn)動以及誘導(dǎo)空泡產(chǎn)生的現(xiàn)象進(jìn)行了多次實(shí)驗(yàn)研究,發(fā)現(xiàn)接觸線總是固定在赤道線附近,而其仿真結(jié)果表明,在赤道線下方流域出現(xiàn)了逆壓梯度,流動由低壓流向高壓。由此可以推斷,這種逆壓梯度對接觸線沿表面向上運(yùn)動的行為起到阻滯作用,當(dāng)阻滯作用較強(qiáng)時(shí)接觸線停止運(yùn)動。實(shí)驗(yàn)中我們觀察到雙球并聯(lián)入水后形成的接觸線并不平行于赤道線,而是與其呈約7.6°夾角。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是雙球向下運(yùn)動過程中與周圍流體發(fā)生動量交換,其前方流體質(zhì)點(diǎn)相對運(yùn)動體而言有向上與兩側(cè)的相對速度,部分流體向雙球內(nèi)側(cè)繞流而獲得兩側(cè)運(yùn)動體的動能[26],從而使得雙球內(nèi)側(cè)區(qū)域存在更大的運(yùn)動速度與更低的壓力,削弱了球體赤道線附近逆壓梯度的阻滯作用,使得接觸線內(nèi)側(cè)端穩(wěn)定在球體表面較高位置,從而產(chǎn)生傾斜的現(xiàn)象,同時(shí)也使得雙球入水濺起的水花出現(xiàn)內(nèi)側(cè)較高、外側(cè)較低的現(xiàn)象,如圖4所示。當(dāng)t=10 ms時(shí)(圖3(c1)),雙空泡內(nèi)側(cè)壁重合形成一個(gè)新的界面,其形狀類似“臼齒”形。這種臼齒形空泡產(chǎn)生的原因可能是:雙球撞水排開周圍流體的瞬間與大氣環(huán)境存在壓差,同時(shí)卷吸空氣,在空泡表面閉合之前使其與外部大氣保持連通狀態(tài);隨著雙球向下運(yùn)動,空泡內(nèi)外壓差逐漸趨于零;而空泡尾部由于離水面較近,因此在大氣壓作用下擴(kuò)張程度較大,導(dǎo)致尾部壁面重合。隨著雙球繼續(xù)運(yùn)動,t=20 ms時(shí)潰滅首先發(fā)生在空泡尾部壁面重合區(qū)域(圖3(e1)),空泡壁上大量微氣泡迅速蔓延,在周圍流體的沖擊下空泡迅速潰滅,出現(xiàn)這種現(xiàn)象可能是由于雙球中間部分流體獲得更大的動能和勢能,具有較大的向上的相對速度,對雙空泡之間形成的重合壁面產(chǎn)生沖擊,加劇了空泡演化過程中的不穩(wěn)定性,導(dǎo)致其失穩(wěn)潰滅。

基于上述雙球入水現(xiàn)象的研究方法,繼續(xù)開展a=2.5D、3.5D、5.5D和7.5D的雙球入水實(shí)驗(yàn),并分別展示了入水后15 ms和40 ms時(shí)不同橫向間距下空泡形態(tài),并與單球入水過程進(jìn)行對比,如圖5所示。隨著雙球橫向間距增加,入水后空泡尾部向內(nèi)側(cè)擴(kuò)張的程度逐漸減小。當(dāng)橫向間距為1.5D和2.5D時(shí),雙空泡尾部壁面重合形成臼齒形空泡,如圖5(a1)～(b1);當(dāng)a=3.5D時(shí),由于雙球內(nèi)側(cè)流體域進(jìn)一步變大,每個(gè)流體質(zhì)點(diǎn)所獲得的來自運(yùn)動體傳遞的動能平均值減小,因此局部壓力較高,增大了空泡向內(nèi)側(cè)擴(kuò)張的衰減速度,空泡較早停止擴(kuò)張,因此內(nèi)側(cè)壁面沒有重合,雙球入水后各自形成形態(tài)較為完整的空泡,表面閉合時(shí)雙空泡尾部內(nèi)側(cè)壁面呈現(xiàn)出類似單球閉合時(shí)的收縮曲線,但空泡底面傾斜,如圖5(c1);當(dāng)a=7.5D時(shí),雙空泡形態(tài)與單球入水空泡基本一致(圖5(e1)～(f1))。當(dāng)t=40 ms時(shí),在間距較小的情況下(圖5(a2)～(b2)),由于空泡兩側(cè)壓差較大,空泡外側(cè)為一段曲率較大的弧線,而內(nèi)側(cè)輪廓線筆直,形成兩個(gè)對稱的月牙形空泡;橫向間距增加至3.5D時(shí),雙空泡的形態(tài)彼此獨(dú)立(圖5(c2))。由于相鄰空泡在演化過程中相互干擾,潰滅后的尾跡形態(tài)與單空泡有所不同,且在不同橫向間距下其形態(tài)也有一定區(qū)別。當(dāng)a≤2.5D時(shí)(圖5(a2)～(b2)),由于雙空泡重合面發(fā)生潰滅,在外側(cè)較高壓力的作用下空泡向內(nèi)收縮塌陷,兩個(gè)空泡的尾跡交織纏繞在一起形成云團(tuán)形,其體積略大于圖5(f2)中單空泡潰滅形成的普通尾跡;當(dāng)a=3.5D時(shí)(圖5(c2)),空泡尾跡交織成馬蹄形。圖6展示了馬蹄形尾跡的演化過程,空泡內(nèi)側(cè)首先出現(xiàn)大量微氣泡,隨后沿壁面向兩側(cè)蔓延,由于空泡內(nèi)壓低于水域壓力,空泡外側(cè)壁(實(shí)線)在法向水域壓力的擠壓下持續(xù)收縮;而根據(jù)伯努利原理可知,雙空泡內(nèi)側(cè)流體受到左右兩側(cè)空泡壁面運(yùn)動產(chǎn)生的剪切作用力,相對于外側(cè)而言產(chǎn)生更大的相對速度,因此內(nèi)側(cè)流體的壓力低于外側(cè),使得在這部分區(qū)域中空泡內(nèi)外壓差更小,所以空泡向內(nèi)側(cè)膨脹,且在膨脹形態(tài)(虛線)相較收縮形態(tài)(實(shí)線)較為穩(wěn)定,如圖6(a)～(c)所示。在圖6(d)中,空泡潰滅形成的氣團(tuán)尾跡首先在尾部發(fā)生向內(nèi)的偏移,由上文的分析可知雙球之間的流體被加速后存在向上的速度分量,而氣團(tuán)由于質(zhì)量較小,易受到內(nèi)側(cè)流體運(yùn)動慣性的影響而向上運(yùn)動,但這種影響隨著動能的衰減而削弱,因此氣團(tuán)尾部在雙空泡外側(cè)壓力的主導(dǎo)作用下產(chǎn)生向內(nèi)的速度分量,最終氣團(tuán)交匯形成馬蹄形尾跡,如圖6(e)所示,最后尾跡擴(kuò)散成云團(tuán)形。隨著橫向間距的不斷增加,空泡潰滅尾跡的相互影響逐漸減弱,當(dāng)a=7.5D時(shí)(圖5(e2)),雙空泡潰滅尾跡形態(tài)已經(jīng)與單空泡潰滅的普通尾跡一致。

【參考文獻(xiàn)】：
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本文編號：3466809