波面环境对高速入水载荷及弹道特性影响试验研究

2022-01-11杨晓光党建军王鹏王亚东韩颖骏陈诚李得英

西北工业大学学报 2021年6期

杨晓光, 党建军, 王鹏, 王亚东, 韩颖骏, 陈诚, 李得英

(1.西北工业大学航海学院, 陕西西安 710072; 2.北京机电工程研究所, 北京 100074)

高速入水过程中，物体以高瞬态穿越水气界面，伴随了入水空泡形成与演变、瞬变非线性流体动力生成过程，入水流场与物体运动呈紧耦合状态发展。真实情形下，水气自由界面受多方面因素的影响，不可避免存在波面环境，使得高速入水研究更加复杂化，而获得波面环境下的入水特性，是入水技术实际应用的必备基础。

针对高速条件下入水过程，国内外学者开展了大量研究。Kazuo等[1]针对小型射弹射的高速入水问题，开展了基于X射线成像方法的试验，获得了实测入水图像，并进行了入水冲击流场引发的池壁压力场定量测量、不同材质弹丸入水特性研究。Alaoui等[2]以匀速入水的刚性物体为研究对象，通过加速度计等设备测得了入水过程的水动力特性，并针对速度等因素的影响进行了分析。张伟等[3]用试验方法研究了小型弹丸高速条件下入水弹道及速度衰减特性。王云等[4]采用预置头部斜面的方法实现了入水弯曲弹道，施红辉等[5]利用小尺度模型获得了入水空泡形成与演变的历程，但以上高速入水试验研究均未涉及波面环境的影响。针对波面环境对入水过程影响，王文华和杨衡等[6-7]以圆柱体为对象，建立数值造波方法研究了波高、周期、入水点相位等影响；王平等[8]采用数值手段研究了楔形体波浪入水问题，获得了波浪对楔形体入水的影响主要由波浪内部流场变化及表面波形决定的结论；邹丽等[9]通过自由落体的入水方式，分别在静水和规则波中开展了2种不同横剖面的曲面楔形体入水砰击问题试验研究，揭示了波浪载荷和砰击载荷的共同作用会使模型所受砰击压力显著增大的特性。文献[10-11]利用基于速度势理论的完全非线性边界元方法，研究了楔形体在不同弗劳德数和波浪参数下的入水过程，获得了运动与波浪载荷的相互作用以及楔面的压力分布规律。Jin等[12]基于有限体积法建立了楔形体波浪入水的数值仿真模型，研究获得了物体在不同波面位置入水过程的运动参数和流场变化过程。Xiang等[13]对圆柱体入水后在水流和波浪影响下的运动规律开展了理论研究。以上波浪环境影响的相关研究，多集中于低速入水情形，而对于物体高速携超空泡入水条件下的波面影响的研究相对较少。

本文以搭载可测量并记录入水过程加速度及角度的内测系统模型为研究对象，采用造波机与空气炮相协同的设备开展了波面条件下的高速入水试验，获得了入水过程的轴向加速度及模型姿态演变历程，并针对入水点相位、波高等参数开展了系列化参数影响试验研究，分析了波面环境对入水过程影响的机制以及有利于入水弹道稳定的条件。

1 试验设备与模型

1.1 主要试验设备

试验在室外水池开展，试验区域尺度为10 m×5 m×2 m,采用3个单元组合摇板式造波机产生波浪，每单元宽0.5 m，高2 m，摇摆角度8.5°，最大造波频率1 Hz，最大波高0.5 m，造波机如图1所示。

图1 造波机

采用图2所示压缩空气炮为动力源将模型加速到指定速度。该装置由高压气舱、电磁阀、发射管、支架、充气组件和空压机组成。炮管内径60 mm，最大设计压力1.0 MPa，炮管长度6 m，其具备将2 kg的模型加速到100 m/s的发射能力。

图2 压缩空气炮

炮管口布置有2个激光传感器，通过捕捉2个下降沿信号，结合传感器间距离，得出模型出管速度。由于模型空中飞行阻力小、时间较短，可近似将出管速度作为入水速度。

采用高速摄像记录入水过程，高速摄像采用Phantom系列V711型号高速摄像机，满分辨率(1 280×800)拍摄帧速率为5 000 frame/s时，可持续拍摄4 s，本试验采用1 000 frame/s速率在水面上拍摄入水弹道及流场的演变过程。

定制专用的发控系统实现造波机、高速摄像及压缩空气炮的统一管理，可实现造波机开启、模型延迟发射、高速摄像硬触发的同步控制，以满足调整模型入水遭遇波面不同位置的试验需求。

各试验设备在试验场地的布置如图3所示。

图3 试验布置

1.2 模型及内测系统

以截锥头回转体作为入水试验模型，模型总长225 mm，圆柱段直径60 mm，质量为1.9 kg，转动惯量Ixx=5.0×10-4kg·m2,Iyy=Izz=5.3×10-4kg·m2。具体尺寸及模型实物如图4所示。

图4 试验模型

定制了测量与记录模型入水过程三轴加速度和三轴角速度时间历程原始数据的内测系统，简称内测系统，采用模块化设计，3个通道的加速度计通过延长线与主板连接，加速度计模块采用单面电路板设计，用2个螺钉刚性连接在金属材质的内测支架上。模型开始加速时刻，内测系统根据轴向加速度值变化特征作为触发条件。主要技术指标为：加速度计的量程为±250g；陀螺仪的量程为±2 000 °/s；采样精度为16位；采样率为3 kHz；数据存储器可连续工作时间为4.5 s。

2 结果与分析

由于水池波浪耗散衰减较慢，为了保证试验条件，相邻发次的时间间隔不得小于10 min。本试验中，炮管与水平面夹角为20°，模型的标称入水速度均选为70 m/s，实际数值会因发射条件的微弱差异存在小幅波动，但差值较小。

2.1 平静水面工况

不启动造波机，开展平静水面下的入水试验，提供对照的基础数据，试验测得不同时刻入水空泡形态如图5所示。

图5 平静水面入水流场与弹道

本文重点针对模型以超空泡状态高速入水初期的水动特性开展研究，由于模型关于纵平面对称，同时试验结果也表明模型以稳定状态运动时其力学特性集中于轴向，姿态特性集中于在纵平面内转动，本文中只给出了轴向加速度和俯仰角，其他参数均为小量，且对本文研究结果无影响，对此不再赘述。

图6 轴向加速度-时间历程

图7 俯仰角-时间历程

对于平静水面入水工况，内测系统实测的轴向加速度及俯仰角如图6～7所示。结果表明：入水过程中作用于模型上的流体动力在毫秒级的时间内迅速达到峰值，而后逐渐衰减；模型入水后被超空泡包裹，在40 ms内重力矩作用下自由偏转约8°后模型尾部接触空泡壁面，产生回复力矩，模型姿态偏转减小，本文不再对之后时间段的运动状态进行研究。

2.2 入水相位影响

模型以70 m/s速度入水，其穿越水面过程仅需要数毫秒时间，相比而言，波浪的周期要大几个量级，故而从直观上分析，波面对模型入水的影响应主要体现在改变了模型与水面的相对夹角。

按以上思路，探究模型入水点处于不同波面位置时的影响。引入入水点相位的概念，其定义如图8所示。

图8 相位定义示意图

通过发控系统控制模型在波面环境下不同遭遇点的方法：调整发控系统造波机与模型发射同步控制的时延量，开展预试发射试验，获得模型在波面上的不同入水相位，标定出时延量与入水相位的关系，供正式试验选择。

试验过程中所造正弦波的波长均为1.56 m，周期均为1 s，波高0.15 m开展试验。

测得了入水点分别位于波形的0°,90°,180°和270°相位的轴向加速度及俯仰角度，数据对比如图9～10所示，提取的特征数据值见表1，并以平静水面下的轴向加速度峰值为基准，将不同相位下的轴向加速度峰值无量纲化。

图9 不同相位下轴向加速度对比

图10 不同相位下俯仰角对比

表1 不同相位下入水特征参数

从试验结果来看，当模型入水点对应90°和270°相位，即处于波峰或波谷位置时，入水冲击载荷相对较小，且与上节中给出的平静水面下入水特征基本一致；当入水点位于0°相位时，冲击载荷进一步减小，但入水弹道发生明显偏转，弹道失稳；入水点位于180°相位时，冲击载荷增大，而入水弹道相对稳定。

波浪环境下模型与入水处自由面的夹角改变，进而导致模型的实际入水角改变。从图8可以看出，入水点位于0°相位时相当于减小了入水角，180°情形相反。根据前期开展的平静水面下变入水角对轴向载荷的影响研究[14]可知，模型撞水时，水体向四周流动，出现液面隆起现象，入水角越小，水流向水面以上流动受到的阻力越小，水面隆起效果越明显，从而使航行体头部上部分高压区域泄压较快，形成相对低压区，进而导致模型受到的轴向冲击载荷峰值减小。