波面環(huán)境對高速入水載荷及彈道特性影響試驗研究

楊曉光, 黨建軍, 王鵬, 王亞東, 韓穎駿, 陳誠, 李得英

(1.西北工業(yè)大學 航海學院, 陜西 西安 710072; 2.北京機電工程研究所, 北京 100074)

高速入水過程中，物體以高瞬態(tài)穿越水氣界面，伴隨了入水空泡形成與演變、瞬變非線性流體動力生成過程，入水流場與物體運動呈緊耦合狀態(tài)發(fā)展。真實情形下，水氣自由界面受多方面因素的影響，不可避免存在波面環(huán)境，使得高速入水研究更加復雜化，而獲得波面環(huán)境下的入水特性，是入水技術(shù)實際應用的必備基礎(chǔ)。

針對高速條件下入水過程，國內(nèi)外學者開展了大量研究。Kazuo等[1]針對小型射彈射的高速入水問題，開展了基于X射線成像方法的試驗，獲得了實測入水圖像，并進行了入水沖擊流場引發(fā)的池壁壓力場定量測量、不同材質(zhì)彈丸入水特性研究。Alaoui等[2]以勻速入水的剛性物體為研究對象，通過加速度計等設備測得了入水過程的水動力特性，并針對速度等因素的影響進行了分析。張偉等[3]用試驗方法研究了小型彈丸高速條件下入水彈道及速度衰減特性。王云等[4]采用預置頭部斜面的方法實現(xiàn)了入水彎曲彈道，施紅輝等[5]利用小尺度模型獲得了入水空泡形成與演變的歷程，但以上高速入水試驗研究均未涉及波面環(huán)境的影響。針對波面環(huán)境對入水過程影響，王文華和楊衡等[6-7]以圓柱體為對象，建立數(shù)值造波方法研究了波高、周期、入水點相位等影響；王平等[8]采用數(shù)值手段研究了楔形體波浪入水問題，獲得了波浪對楔形體入水的影響主要由波浪內(nèi)部流場變化及表面波形決定的結(jié)論；鄒麗等[9]通過自由落體的入水方式，分別在靜水和規(guī)則波中開展了2種不同橫剖面的曲面楔形體入水砰擊問題試驗研究，揭示了波浪載荷和砰擊載荷的共同作用會使模型所受砰擊壓力顯著增大的特性。文獻[10-11]利用基于速度勢理論的完全非線性邊界元方法，研究了楔形體在不同弗勞德數(shù)和波浪參數(shù)下的入水過程，獲得了運動與波浪載荷的相互作用以及楔面的壓力分布規(guī)律。Jin等[12]基于有限體積法建立了楔形體波浪入水的數(shù)值仿真模型，研究獲得了物體在不同波面位置入水過程的運動參數(shù)和流場變化過程。Xiang等[13]對圓柱體入水后在水流和波浪影響下的運動規(guī)律開展了理論研究。以上波浪環(huán)境影響的相關(guān)研究，多集中于低速入水情形，而對于物體高速攜超空泡入水條件下的波面影響的研究相對較少。

本文以搭載可測量并記錄入水過程加速度及角度的內(nèi)測系統(tǒng)模型為研究對象，采用造波機與空氣炮相協(xié)同的設備開展了波面條件下的高速入水試驗，獲得了入水過程的軸向加速度及模型姿態(tài)演變歷程，并針對入水點相位、波高等參數(shù)開展了系列化參數(shù)影響試驗研究，分析了波面環(huán)境對入水過程影響的機制以及有利于入水彈道穩(wěn)定的條件。

1 試驗設備與模型

1.1 主要試驗設備

試驗在室外水池開展，試驗區(qū)域尺度為10 m×5 m×2 m,采用3個單元組合搖板式造波機產(chǎn)生波浪，每單元寬0.5 m，高2 m，搖擺角度8.5°，最大造波頻率1 Hz，最大波高0.5 m，造波機如圖1所示。

圖1 造波機

采用圖2所示壓縮空氣炮為動力源將模型加速到指定速度。該裝置由高壓氣艙、電磁閥、發(fā)射管、支架、充氣組件和空壓機組成。炮管內(nèi)徑60 mm，最大設計壓力1.0 MPa，炮管長度6 m，其具備將2 kg的模型加速到100 m/s的發(fā)射能力。

圖2 壓縮空氣炮

炮管口布置有2個激光傳感器，通過捕捉2個下降沿信號，結(jié)合傳感器間距離，得出模型出管速度。由于模型空中飛行阻力小、時間較短，可近似將出管速度作為入水速度。

采用高速攝像記錄入水過程，高速攝像采用Phantom系列V711型號高速攝像機，滿分辨率(1 280×800)拍攝幀速率為5 000 frame/s時，可持續(xù)拍攝4 s，本試驗采用1 000 frame/s速率在水面上拍攝入水彈道及流場的演變過程。

定制專用的發(fā)控系統(tǒng)實現(xiàn)造波機、高速攝像及壓縮空氣炮的統(tǒng)一管理，可實現(xiàn)造波機開啟、模型延遲發(fā)射、高速攝像硬觸發(fā)的同步控制，以滿足調(diào)整模型入水遭遇波面不同位置的試驗需求。

各試驗設備在試驗場地的布置如圖3所示。

圖3 試驗布置

1.2 模型及內(nèi)測系統(tǒng)

以截錐頭回轉(zhuǎn)體作為入水試驗模型，模型總長225 mm，圓柱段直徑60 mm，質(zhì)量為1.9 kg，轉(zhuǎn)動慣量Ixx=5.0×10-4kg·m2,Iyy=Izz=5.3×10-4kg·m2。具體尺寸及模型實物如圖4所示。

圖4 試驗模型

定制了測量與記錄模型入水過程三軸加速度和三軸角速度時間歷程原始數(shù)據(jù)的內(nèi)測系統(tǒng)，簡稱內(nèi)測系統(tǒng)，采用模塊化設計，3個通道的加速度計通過延長線與主板連接，加速度計模塊采用單面電路板設計，用2個螺釘剛性連接在金屬材質(zhì)的內(nèi)測支架上。模型開始加速時刻，內(nèi)測系統(tǒng)根據(jù)軸向加速度值變化特征作為觸發(fā)條件。主要技術(shù)指標為：加速度計的量程為±250g；陀螺儀的量程為±2 000 °/s；采樣精度為16位；采樣率為3 kHz；數(shù)據(jù)存儲器可連續(xù)工作時間為4.5 s。

2 結(jié)果與分析

由于水池波浪耗散衰減較慢，為了保證試驗條件，相鄰發(fā)次的時間間隔不得小于10 min。本試驗中，炮管與水平面夾角為20°，模型的標稱入水速度均選為70 m/s，實際數(shù)值會因發(fā)射條件的微弱差異存在小幅波動，但差值較小。

2.1 平靜水面工況

不啟動造波機，開展平靜水面下的入水試驗，提供對照的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，試驗測得不同時刻入水空泡形態(tài)如圖5所示。

圖5 平靜水面入水流場與彈道

本文重點針對模型以超空泡狀態(tài)高速入水初期的水動特性開展研究，由于模型關(guān)于縱平面對稱，同時試驗結(jié)果也表明模型以穩(wěn)定狀態(tài)運動時其力學特性集中于軸向，姿態(tài)特性集中于在縱平面內(nèi)轉(zhuǎn)動，本文中只給出了軸向加速度和俯仰角，其他參數(shù)均為小量，且對本文研究結(jié)果無影響，對此不再贅述。

圖6 軸向加速度-時間歷程

圖7 俯仰角-時間歷程

對于平靜水面入水工況，內(nèi)測系統(tǒng)實測的軸向加速度及俯仰角如圖6～7所示。 結(jié)果表明：入水過程中作用于模型上的流體動力在毫秒級的時間內(nèi)迅速達到峰值，而后逐漸衰減；模型入水后被超空泡包裹，在40 ms內(nèi)重力矩作用下自由偏轉(zhuǎn)約8°后模型尾部接觸空泡壁面，產(chǎn)生回復力矩，模型姿態(tài)偏轉(zhuǎn)減小，本文不再對之后時間段的運動狀態(tài)進行研究。

2.2 入水相位影響

模型以70 m/s速度入水，其穿越水面過程僅需要數(shù)毫秒時間，相比而言，波浪的周期要大幾個量級，故而從直觀上分析，波面對模型入水的影響應主要體現(xiàn)在改變了模型與水面的相對夾角。

按以上思路，探究模型入水點處于不同波面位置時的影響。引入入水點相位的概念，其定義如圖8所示。

圖8 相位定義示意圖

通過發(fā)控系統(tǒng)控制模型在波面環(huán)境下不同遭遇點的方法：調(diào)整發(fā)控系統(tǒng)造波機與模型發(fā)射同步控制的時延量，開展預試發(fā)射試驗，獲得模型在波面上的不同入水相位，標定出時延量與入水相位的關(guān)系，供正式試驗選擇。

試驗過程中所造正弦波的波長均為1.56 m，周期均為1 s，波高0.15 m開展試驗。

測得了入水點分別位于波形的0°,90°,180°和270°相位的軸向加速度及俯仰角度，數(shù)據(jù)對比如圖9～10所示，提取的特征數(shù)據(jù)值見表1，并以平靜水面下的軸向加速度峰值為基準，將不同相位下的軸向加速度峰值無量綱化。

圖9 不同相位下軸向加速度對比

圖10 不同相位下俯仰角對比

表1 不同相位下入水特征參數(shù)

從試驗結(jié)果來看，當模型入水點對應90°和270°相位，即處于波峰或波谷位置時，入水沖擊載荷相對較小，且與上節(jié)中給出的平靜水面下入水特征基本一致；當入水點位于0°相位時，沖擊載荷進一步減小，但入水彈道發(fā)生明顯偏轉(zhuǎn)，彈道失穩(wěn)；入水點位于180°相位時，沖擊載荷增大，而入水彈道相對穩(wěn)定。

波浪環(huán)境下模型與入水處自由面的夾角改變，進而導致模型的實際入水角改變。從圖8可以看出，入水點位于0°相位時相當于減小了入水角，180°情形相反。根據(jù)前期開展的平靜水面下變?nèi)胨菍S向載荷的影響研究[14]可知，模型撞水時，水體向四周流動，出現(xiàn)液面隆起現(xiàn)象，入水角越小，水流向水面以上流動受到的阻力越小，水面隆起效果越明顯，從而使航行體頭部上部分高壓區(qū)域泄壓較快，形成相對低壓區(qū)，進而導致模型受到的軸向沖擊載荷峰值減小。

圖11 0°相位入水流場

2.3 波高影響

上節(jié)獲得了入水點相位對模型入水特性的影響，其最危險的情形為0°入水，雖然入水沖擊載荷小，但彈道上揚將導致入水過程失敗，故本文選取0°相位為典型工況開展了進一步研究。入水點相位確定后，波高成為了影響相對入水角的另一主要因素。本節(jié)針對0.1與0.2 m波高開展試驗，研究波高對入水特性的影響。

值得說明的是，當波高為0.2 m時，波形在0°相位處的斜率大于20°角，因此模型以20°入水角入水時無法遭遇0°相位，實際相位約為180°，如圖12所示。

圖12 波高對入水點影響示意圖

圖13 不同波高下軸向加速度對比

圖14 不同波高下俯仰角對比

3種波高工況對應的入水軸向加速度及入水過程俯仰角變化如圖13～14所示，提取的特征參數(shù)見表2。

表2 不同波高對應特征參數(shù)

結(jié)果表明：波高對入水特性的影響仍體現(xiàn)為局部入水角度，波高值越大，波傾角越大，實際入水角度減小，對于0°入水工況，模型更易發(fā)生跳彈；但當波高達到一定數(shù)值時，入水點無法達到0°相位，實際為180°相位，實際入水角度增大，入水載荷增加，但在彈道上有利于穩(wěn)定入水。

3 結(jié) 論

本文利用造波機與壓縮空氣炮相協(xié)同的試驗設備，采用截錐頭回轉(zhuǎn)體構(gòu)型的試驗模型，開展了波面環(huán)境下的入水試驗，利用模型內(nèi)測系統(tǒng)獲得了軸向加速度與模型姿態(tài)，分析了波面環(huán)境對入水載荷與姿態(tài)的影響，主要結(jié)論如下：

1) 波浪環(huán)境改變了模型入水時刻相對水面的入水角度，入水點相位為90°或270°時，實際入水角與平靜水面下一致，入水點相位為180°時，實際入水角增大，入水點相位為0°時，實際入水角減小，隨著實際入水角度減小，軸向沖擊載荷減??；

2) 入水點相對波面的相位對入水過載、入水彈道存在直接影響，入水點位于0°相位時雖有利于減小入水載荷，但可能產(chǎn)生模型跳彈現(xiàn)象；

3) 0°相位下波高越大，波浪對相對入水角的影響越大，進而導致對過載及彈道影響更大，但波高超過一定程度時，不會出現(xiàn)0°相位入水的情形。