物体高速出入水实验装置研制及流场可视化

摘要

超空泡减阻技术已经对海战武器的研制产生了巨大的影响。目前欧美,日本等发达国家都在进行超空泡减阻技术的基础与应用研究。尤其是高速物体的出水和入水的问题成为该研究的一个重点,但是由于高速物体出入水所产生的空泡问题涉及到液面和空泡面两个非线性自由边界,具有强非线性和瞬态特性,无论是试验研究还是理论数值模拟都有待于进一步深入。
　　 本文以实验研究为主,分别对高速细长体在水中形成的自然空泡到出水时空泡的变化以及高速细长体从空气中进到水中时所产生的空泡变化进行了观察和分析。课题源于浙江省自然科学基金项目(Z1110123)——带有超空泡的气液两相流动机理研究及水中航行体超空泡减阻技术开发。主要的工作和研究成果包括:(1)根据研究工作的需要,自行研制了可以方便观察高速物体出入水的实验设备,这也是研究自然超空泡的发展变化规律,形态特征及其稳定性等基础问题的比较有效手段;(2)推导出了作为本实验理论依据的公式并且采用了减小误差的测量方法;(3)通过对本研究的实验数据统计分析,验证了空化数小于0.1时会出现自然汽化超空泡,速度达到40m/s左右为空泡与超空泡的临界速度;(4)细长体出水时,其尖端露出水面之前一刻的瞬时速度为出水前的最低值,即细长体从水中刚进入空气中时,有一个比较明显的加速趋势,但总的趋势依然是减速;(5)采用不同的高速摄影设备,观察到了如果细长体在水中运动方向不是垂直向上,当其完全出水逐渐远离液面,并且摆脱气液的束缚之后,将改变原来的运动方向,开始垂直向上运动:(6)通过观察和分析细长体高速入水实验数据,证明了物体在水中时间与速度的关系同样遵循公式v=v0/βv0t+1,其中v0为物体起始速度;(7)通过分析不同入射角度的细长体入水实验,发现了细长体高速入水,在超空泡完全形成之后,其运动的速度会比刚进入水面之时有所增大,体现了超空泡的“减阻效应”。