潜射超空泡射弹出水的流体力学现象的实验研究

贾会霞，施红辉，胡俊辉，陈 波

（浙江理工大学 机械与自动控制学院 流体工程系，杭州 310018）

潜射超空泡射弹出水的流体力学现象的实验研究

贾会霞，施红辉，胡俊辉，陈 波

（浙江理工大学 机械与自动控制学院 流体工程系，杭州 310018）

对带有超空泡的潜射射弹出水过程的流体力学现象进行了实验研究。用高速摄影机拍摄了射弹模型出水的全过程，清晰地观察了射弹在航行中空泡的发展、脱落与自由面相互作用及溃灭过程，分析了空泡对射弹出水姿态的影响。通过测量射弹的速度，发现出水时射弹的速度有时会呈突增现象，进一步了解了潜射射弹出水的复杂过程。

潜射射弹；出水；超空泡；空泡溃灭

0 引 言

带有超空泡的潜射导弹/射弹的出水是一个非常复杂的过程，它涉及运动着的气、液、固三相界面，因此很难建立相关的数学模型。在出水时潜射导弹所受的作用力是非定常和非线性的[1]，这直接关系到导弹出水后的速度、动量、偏角等物理量，甚至会影响到弹体的强度和安全性。不过，潜射导弹的速度不高，一般为17～20m/s，只能产生局部超空泡[2]。德国研制了反气垫船超空泡射弹，先将射弹垂直地布置在海底，当确定攻击目标后，超空泡射弹在不到1 s时间内可完成攻击任务[3]。未来潜射超空泡射弹有可能成为反直升飞机的武器。

带有超空泡的物体穿越水面前后，物体经历从水下到空气两种不同介质，涉及的流动过程十分复杂。1961年Waugh和Stubstad[4]利用球形头部航行体进行了带空泡出水过程的实验研究，指出航行体的出水姿态角受空泡溃灭的影响很大。Zhu等[5]采用CPI数值计算方法对考虑非线性自由面的二维圆柱体出水过程进行仿真，并和实验结果进行了对比。李杰等[6]在考虑粘性和重力的情况下，利用CFD方法以及动网格技术，对细长体出水过程中航行体受力波动、液面的升高，航行体尾部拖水等问题进行了研究。权晓波等[7]利用压力传感器和高速摄影技术对高速运动航行体出水过程的空泡发展与溃灭过程航行体表面受力开展了实验研究，并通过简化模型进行计算，重点分析了空泡溃灭产生的压力机理，讨论了空泡溃灭时压力脉冲的大小与空泡形态的关系。

对于潜射导弹出水问题，目前的研究大多集中在理论和数值计算方面[8-10]，对导弹出水时的气液两相流动机理的实验研究还比较少，对出水空泡流的流动与溃灭机理的认识还比较有限。而对于超空泡射弹出水问题的研究结果就更少了。本文介绍了对后者开展的实验研究，较详细地观察了射弹模型出水的过程，研究了不同模型和参数下射弹出水过程中水动力学参数的变化。

1 实验系统与方法

图1示出了本课题组开发的高速物体出水实验系统，它主要由观察水箱和测量装置以及垂直一级轻气炮组成。观察水箱主要包括射弹模型捕获器5、观察窗6、水箱支架7、法兰8、球阀9、防水隔膜10和法兰盖板11，射弹模型从发射管加速射出后，垂直向上地冲破防水隔膜进入水箱，并在水中形成超空泡。测量装置采用美国Cooke公司的pco.1 200s高速摄影仪2，高速摄影仪和工控计算机1相连，可以实时传递拍摄图像到计算机，摄影所需的光源由3盏1 000W的照明灯3提供。一级轻气炮由高压气源4、高压气缸14、电磁阀13和发射管12等部件组成，通过调节高压气缸内气体压力驱动发射管中射弹模型加速运动。实验前水箱中的水是静止的，处于室压、室温状态（20℃）。实验所采用的模型材料为铝镁合金，其外形及其尺寸如图2所示，尺寸单位为mm。

首先，闭合球阀阀门，往水箱中注入适量的清洁水，将一支直尺垂直放入水箱中预计射弹模型经过的位置并保持直尺和观察窗面平行；其次，调节光源的位置、角度以及摄影仪的焦距和实验设定的帧数使直尺在监控器中的画面效果最佳，拍摄记录此时直尺的照片作为后续处理照片的缩放依据；接着，向发射管内装填射弹模型并向高压气缸内充入高压氮气，打开球阀和光源；然后，触发电磁阀使模型在高压气体膨胀下加速从发射管内射出，冲破防水隔膜，进入水箱并形成超空泡。最终，模型出水后被捕获器捕获，与此同时高速摄影仪记录射弹模型从水中到空气中的整个过程。在射弹模型破膜进入水箱之后立即关闭球阀防止水的泄露。

图1 高速物体出水实验装置示意图Fig.1 Schematic of the experimental set-up

图2 实验模型的尺寸Fig.2 Geometry ofthe test models

表1给出了模拟实验所设定的4个工况，利用上述实验方法就可以模拟潜射导弹出水过程中所形成的超空泡流场。将拍摄的射弹模型出水图像和实验之前拍摄到的直尺图像（图3）导入AutoCAD中，根据直尺上的刻度取得图像的缩放比例，再把图像缩放到实际尺寸后就可以在AutoCAD上测量射弹模型的位移。本文实验的拍摄速度为4 000帧/秒，即相邻两张照片的时间间隔为0.25ms，通过数学处理就可以得到空泡形态以及射弹模型的航行速度、阻力系数等相关水动力学参数。表中射弹初速的差异，可归因于模型加工误差的缘故。

图3 高速摄影仪拍摄的直尺图片Fig.3 Real scales in water and air

表1 模型出水过程研究工况Tab.1 Cases of water-exit experiments

2 实验结果与分析

2.1 潜射射弹的出水过程

潜射射弹出水时往往伴随空泡的发展、脱落、再生与溃灭。图4示出了工况1情况下射弹模型的出水过程，相邻照片的时间间隔为0.25ms。射弹模型进入水箱后，由于发射速度较高，在模型周围迅速形成了完全包裹航行体的超空泡。且射弹模型在阻力的作用下其速度不断降低，在图4（4）中，射弹模型速度降至27.19m/s，空泡从尾部开始自下而上不断地拉断并脱落，经过1 ms后在图4（8）所示时刻空泡头部脱落；从图4（9）开始，射弹模型的头部产生了新的空泡，此时射弹模型的速度较低（23.04m/s），文献[2]的研究表明：“只要水足够深，出水的整个过程可能会出现一到两个空泡脱落周期”，本文的实验验证了这个观点。

图4 工况1情况下的模型出水过程Fig.4 High-speed photographs of water exit of Case 1

图4（14）～（22）是射弹模型穿越水面阶段。在图4（14）时刻，射弹模型头部和自由面接触，水面在射弹模型垂直向上运动、液体粘性力等作用下，水面抬高，并形成包裹空泡的水膜，在大气与泡压的径向压差下，液膜水层冲击，并形成飞溅，空泡开始了自上而下的收缩溃灭，溃灭的空泡产生的压力脉冲会对射弹模型造成强烈的冲击载荷，进而影响航行体出水姿态[11]。

图4（23）之后，射弹模型尾部离开水面，同时伴随着向上喷溅的水花。实验发现很多时候喷溅水花的速度超过射弹模型的速度，见图5（18）～（22）。因此有可能对其造成向上的作用力。

如果射弹的速度足够高，如图5工况4情况射弹模型初始速度达52.76m/s。由图可知，射弹模型产生稳定的超空泡并垂直出水，空泡直到射弹出水后（图5（12））才开始溃灭，会同空泡末端回射流，形成强烈的喷溅水花。

对于高速超空泡射弹，常会发生物体尾部与空泡壁面的碰撞，发生所谓的尾击现象。即使射弹速度在1 200m/s时[12]。图6为工况2的射弹的出水过程。定义以向右的水平方向为基准，逆时针旋转方向为正，反向为负。射弹模型在刚进入水箱时的入射角度为+86°（图未给出）。从图6（1）-（5）中，可看到在空泡的左侧壁上存在一个皱褶，这是射弹模型尾部与空泡壁面碰撞后的痕迹；碰撞后模型受到顺时针方向的力矩，模型开始向反方向偏转，在图6（11）时以+94°出水，在3.5ms的时间内偏转了6°。由于出水，这一偏转角速度未能使射弹尾部与空泡右侧壁碰撞而抑制，基本上保留到空中。见图6（14）～（28）。

图5 工况4情况下的模型出水过程Fig.5 High-speed photographs of water exit of Case 4

观察出水时水花的喷溅和射弹的出水姿态是十分有意义的。对比图4～6中射弹出水时喷溅的水花可以发现，图4中的喷溅水花大部分在射弹模型的左侧（图4（19）～（21）），射弹模型从图4（19）到图4（28）顺时针偏转3°；在图5中，水花的喷溅也发生在射弹模型的左侧（图5（12）～（17）），射弹模型从图5（12）到图5（28）顺时针偏转4°；在图6中，水花的喷溅发生在射弹模型的右侧（图6（13）～（19）），射弹模型从图6（13）到图6（28）逆时针偏转9°。产生这一现象的原因是比较复杂的，图6有明显的左侧尾击，有明显的无右侧尾击6（9）～（11）；图5（10）～（11）有可能的右侧尾击，喷溅水花的水平速度如果是与弹相互作用所致，则存在作用力与反作用力因果，也存在弹上作用点问题，鉴于模型尺度及仅有光测设备，进一步探讨原因尚有困难。

图6 工况2情况下的模型出水过程Fig.6 High-speed photographs of water exit of Case 2

2.2 射弹的出水过程中速度的变化

图7给出了工况1～4下射弹模型出水速度随时间的变化关系，设定射弹模型开始出现在拍摄区域的前一时刻为零时刻 （图4～6中零时刻的拍摄照片未给出），从图中可看出，各工况下的速度随时间呈衰减趋势。工况1和工况3的初始速度接近，但随着时间的推移，工况3的速度比工况1的衰减得慢一些，对比工况2和工况4也会发现类似规律。当射弹被超空泡全部包覆后，浮力也不存在，阻力将由浸湿的平头决定，按速度时域的解析解，同样初始速度下，质量大者衰减慢（工况2，4）；若空泡不时地被断裂，脱落再生，情况就复杂得多，但质量仍然是一个因素（工况1，3）。

工况2下射弹在5～6ms时出现了速度回升，在这1 ms期间，射弹模型速度从30.74m/s突然增加到34.34m/s，此时射弹对应图6（10）～（13）所处的位置。

同样，工况1下射弹在7～8ms时穿越水面（图4（17）～（21））也发生了速度的突然增加。但并不是所有情况下，射弹穿越水面阶段都会出现速度突然增加，工况3和工况4的穿越水面阶段分别为图6中5.5～8ms和4.75～6.75ms对应的阶段，射弹的速度只有稍微的波动。在射弹跨越水面过程中，其周围的介质由水变为空气，附加质量力、浮力、阻力都会迅速下降，射弹模型不仅会受到空泡溃灭的非定常冲击载荷，还会受到水中空泡末端回射闭合及喷溅水花的作用。出水穿越水面过程是射弹受力环境最为复杂阶段。同样由于模型尺度，测量参数限制，定量地分析尚有一定困难。

图7 不同工况下射弹模型的速度随时间变化曲线Fig.7 Velocity variations of the test models with time in various cases

3 结 论

（1）本文介绍了进行潜射航行体出水基础研究的试验设备，可靠、经济和高效；

（2）珍贵的影像资料呈现了不同速度出水物体的物理图像、类同及差异点；

（3）试验呈现了超空泡的断裂、脱落及再生、航行体在空泡中的尾击、穿越水面时速度增加；物体、自由面、空泡相互作用的复杂关系；

（4）不断增加精微的测试手段，以提高小尺度模型试验定量分析水平，是今后工作的目标。

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Experiments on water exit phenomenon of underwater launched projectiles with a supercavity

JIA Hui-xia,SHI Hong-hui,HU Jun-hui,CHEN Bo
(Department of Fluids Engineering,College of Mechanical Engineering and Automation,Zhejiang Sci-Tech University, Hangzhou 310018,China)

The hydrodynamic phenomena of the underwater launched projectiles with supercavities exiting from water were experimentally studied.A high-speed camera was used to record the whole process of different testing models.The cavities development,shedding,collapse and the interaction with the free surface were observed.The influence of the supercavity on the projectile attitude during the water exit was analyzed.The change of the velocity was calculated and the results show that the sudden increase of the velocity existed.

underwater-launched projectiles;water-exit;supercavitation;bubble collapse

O352 O359

A

10.3969/j.issn.1007-7294.2017.07.003

1007-7294（2017）07-0814-07

2017-01-30

浙江省自然科学基金项目（LY16A020003，LQ13A020005，LQ13A020006，Z1110123）

贾会霞（1977-），女，博士，讲师，E-mail：hhshi@zstu.edu.cn；

施红辉（1962-），男，教授，博士生导师，通信作者，E-mail：hhshi@zstu.edu.cn。