截锥体低速入水实验研究

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近些年来,运动体入水已逐渐成为热门研究方向,而其中最受关注的是运动体的运动规律以及伴随运动体入水的空泡姿态变化规律。入水空泡是一种复杂有趣的物理现象,空泡的形成、扩张、闭合、溃灭等会影响运动体入水航行的流体动力学特性,进而引起航行姿态和运动特性的变化,反过来航行姿态和运动特性的变化又会对空泡的演变产生重要影响,因此,对其进行耦合研究是研制超空泡射弹等跨介质弹药的基础。研究表明,运动体头型是影响空泡演变和运动规律的重要因素之一,不同头型运动体的入水空泡和运动参数差异较大,研究不同头型运动体入水过程具有重要意义。本文对国内外近几十年来对于入水空泡方面的研究进行归纳总结,对空泡问题的研究方向进行讨论,并深入展开了针对不同截锥体头型运动体入水过程的实验研究。采用高速摄像机对运动体入水过程中的空泡流动进行拍摄,包括不同头部直径、不同锥角、不同入水角以及不同入水速度等参量的比较,对运动体入水航行的运动特性进行了归纳性分析。比较分析了不同工况下各截锥体头型运动体入水参数的变化,深入讨论了各截锥体头型运动体在不同入水角下入水过程中空泡演变规律和运动体运动规律,并给出了相关介绍和相应的动力学机理解释。综上,本文的研究结果主要为:(1)对截锥体头型运动体垂直入水情况进行了分析,得到了入水速度对空泡特性、运动特性以及流体动力学特性的影响。结果表明:深闭合状态运动体速度变化规律基本一致,转向表面闭合状态的过程中速度规律开始发生转变;入水初速越大,越快发生表面闭合;随体空泡与尾部空泡分离越早,尾部空泡越晚与液面接触;截锥体头型运动体在表面闭合阶段,运动体一般性速度规律为:先增加后减小,平缓过渡后再增加;速度较高时,速度规律转变为持续下降;截锥体头型运动体头部直径越大,壁面波动现象越明显。(2)对截锥体头型运动体不同头部直径倾斜入水过程进行实验探究,取其中两种工况,给出了特定速度下倾斜入水过程规律图,综合分析了入水运动体的结构尺寸、入水参数等对入水空泡姿态、运动特性以及流体动力学特性产生的影响规律。结果表明:截锥体头型运动体头部直径越大,尾部早与空泡发生碰撞;截锥体头型运动体头部直径大小对空泡闭合时间几乎没有影响;液面处空泡随头部直径增大而增大;截锥体头型运动体头部直径过大或者过小均不利于入水稳定性;当截锥体头型运动体入水速度较低时,运动体入水速度低于其临界值时,速度呈上升趋势,速度高于临界值时,呈现下降趋势。(3)对截锥体头型运动体不同头部锥角倾斜入水过程进行实验探究,取不同速度和不同头型共9组实验进行对比分析,得到了入水运动体的头部锥角、入水初速等对入水空泡姿态、运动特性以及流体动力学特性产生的影响规律。结果表明:截锥体头型运动体头部锥角越小,尾部越早与空泡下壁面发生碰撞;头部锥角越小,初速越快,空泡深闭合时间时间越晚;运动体空泡随头部锥角减小而增大,随速度增加而增大;锥角越大,入水时顺时针合力矩越小或逆时针合力矩越大,对入水后俯仰角变化有着较大的影响。本文对截锥体头型运动体入水空泡问题开展了相关实验研究,对运动体低速入水的多种实际情况进行分析,可为相关研究和项目提供参考和技术支撑。
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