水下射弹超空泡可视化研究

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1、水下射弹超空泡可视化研究摘要：（目的）针对水下高速射弹超空泡可视化中模型随时间变化的问题，（方法）分析了超空泡模型的特点，采用了椭圆拟合原理构建了简化的空泡模型，（结果）在此基础上采用OpenGL编程技术完成了实时数据驱动的超空泡模型，并开发出基于VegaPrime的水下超高速射弹道空泡对视化仿真系统。（结论）在实际数据的驱动下，该视景系统有效再现了射弹超空泡生灭的过程。关键词：超空泡;町视化；仿真；椭圆拟合超空化现象就是当射弹在水下以一定的速度运行时，弹体周围液体便会气化，从而产生覆盖部分弹体或全部表而的空泡，空化现象将使得射弹在水中的阻力减少一个数量级，这种减阻技术为水下武器应用带來了一个

2、崭新的时代。（研究的重要意义）它的巨大潜力使得越来越多的人投入到空化技术的研究中。为方便研究空化现彖、空泡形成机理提供直观的试验数据，清晰完整的重现空泡演变过程就显得尤为重要。目前，国内对于超空泡可视化的研究已经展开了许多。（前人研究进展）文献【4】钊对超空泡形成的工作机理，建立了超空泡的三维实体模型，实现了超空泡水下航行器的运行过程；文献【5】针对弹道关键点进行插值并生产全弹道数据，通过键盘控制视点切换形象逼真地模拟了超高速鱼雷水下运行过稈；文献【6】对超高速鱼雷运动的数学仿真方法、超高速角雷定常运动下的模型简化技术和复杂、时变、多因素影响下的超高速他雷运动建模技术等突破的关键技术进行了分析

3、和总结。（研究的切入点）本文以水下射弹超空泡为研究对彖，利用Multigen-Creator进行三维实体建模，采川OpenGL编程，开发岀基于VegaPrime的水下超高速射弹道空泡可视化仿真系统。（研究拟解决的关键问题）为实现逼真的仿真效果，文中采用椭圆拟合原理优化了空泡模型，提高仿真度，展现出超高速射弹超空泡生灭的场景。木文所建立逼真的仿真系统，淸晰地展示超空泡牛灭过程，为科研人员进一步研究超空泡技术提供了有效地工具。1超空泡模型在射弹•超空泡可视化的仿真设计中,为了要建立超空泡模型，需要对其形状特点分析研究。1.1空泡基本模型及相关经验公式在高速摄像机拍摄下，我们能看到的完整超空泡前部分

4、是和射弹头部模型相类似的流体气泡，尾部因为水下环境、射弹模型及射弹速度的因索而影响而有所不同。理论上来说空泡就是包裹着弹体的光滑外壳C研究人员通过多年研究发现表征超空泡流的最亜要的物理特征Z—是空化数：”妝4(1)式小：b为空化数，。为液体的密度，°。为来流无穷远处压力，°”为空泡内压力，心为来流无穷远处速度。图1超空泡基本模型Fig」Themodelofsupercavitation在研究过程中发现，空化数是影响弹空泡外形的主要因素，它和其他因素，例如亜力因素等，共同作用影响空泡的外形。科研人员对通常都是以空泡的t度和最大直径来描述空泡外形，Reichardt>Waid等在理论分析和试验的经

5、验基础上，给出了关于超空泡形状计算的若「经验公式，如表1所示。空泡长度山厶/D”描述、空泡直径山D/D”描述，式中为空化器底端直径，C”为阻力系数。表1空泡外形经验公式Tab.lThesupercavitationshapeofempiricalformula公式名称空泡直径空泡长度LengthofSupercavitationNameofFonnulaDiameterofSupercavitationReichardtDmaxCd8cr—0.132(77仏二b+0.008Dnb(0・066+1・7b)b1一().132/Waid=0.534cr"MX+1%^^-=1.08o_,118D“Gc

6、irabedian"max实际拍摄到得空泡模型，类似于椭球型，空泡伦廓纵切而可以描绘成一个普通的椭球,兀2V2这-点RcichM、Waid也都有相同的认知。如果椭圆方程为庐+产1,这样就可以把Lmax=2a、Dmax=2b作为空泡的长度和最大直径。为了能在视景仿真屮灵活运川公式，有必要对其进行优化。鉴于空泡纵切面近似椭I员I形的这一特殊性质，町以采取椭圆拟合法取得空泡的长度和最人垃径。首先，在高速摄像头下提取关键帧,得到分辨率较高的完整空泡图片；然后,通过畸变矫止修止误差，再利用边缘检测，图像增强等方法，提取出空泡轮解；再次，利用屏幕取点工具获取空泡边界点的处标；最后利用椭圆拟合的方法即可求得

7、空泡的相关参数。从而提取椭恻的半长和半宽，同时，也获得了空泡外形参数化1111线的描述。为了获得更楮确的空泡轮廓模型，抑制人工测量引入的误差，采用最小二乘法的椭圆拟合法来优化空泡轮廓，其原理如下：任意平血的椭圆的一•般线性方程表示为x2+Axy+By2+Cx+Dy+E=Q(2)参数方程为202一/)血20b2cos20+a2sin20/?2sin2<9+6(2cos2/9h2cos20+a2sin