开放空腔壳体入水流场结构及流体动力特征研究

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1、2016年11月北京航空航天大学学报NoVember2016竺竺堂竺!!塑!!：：竺坚兰竺兰竺』兰兰兰兰兰兰兰竺竺兰兰竺兰尘竺竺竺竺兰：：：：：：!兰兰兰竺http：／／bhxb．buaa．edu．cajbuaa@buaa．edu．onDOI：10。13700／j．bh．1001-5965．2015．0711开放空腔壳体入水流场结构及流体动力特征研究路中磊，魏英杰4，王聪，孙铁志(哈尔滨工业大学航天学院，哈尔滨150001)摘要：基于混合介质雷诺平均Navier．Stokes方程，对开放空腔壳体

2、垂直入水运动过程开展了数值研究，得到了压力场、速度场分布，空泡波动、闭合特征，空腔气体涨缩规律，以及流体动力变化规律，并分析了空腔结构在入水运动过程中对流场结构和流体动力的影响。结果表明：液体随气体涨缩同步进出开放端；开放端局部形成波动的压力源和周期性的压力场、速度场分布；入水空泡呈现波动形态，其扩展程度与开放端液体流速相关；空泡内形成气体漩涡，随空腔涨缩往返进出空泡，对空泡闭合具有抑制作用；流体动力呈波动变化规律，频率与气体涨缩频率一致，幅值与气体涨缩程度成正比。开放空腔结构在入水过程中空腔内

3、气体发生涨缩运动，对流场结构和流体动力产生周期性扰动作用，在一定程度上可以减缓冲击、维持空泡及运动的稳定性。关键词：入水；开放空腔壳体；流场结构；流体动力；数值计算中图分类号：TBl26；V19文献标识码：A文章编号：1001-5965(2016)11．2403-10运动体由空气域穿越自由液面进入水域完成入水运动，入水过程运动体将改变静态流场结构，产生湍动涡、空泡流等现象，同时在流体动力作用下，改变入水弹道，甚至引发结构变形，流场运动与结构体运动两者相互耦合，是一个非常复杂的过程，一直以来，入水

4、问题都是国内外学者重点关注的问题之一。对于开放空腔壳体入水而言，其开放端位于下方首先撞击水面，流人的液体将空腔内气体封闭形成一个相对独立的流域空间。腔体内气液两相流体相互作用、对外部流场的扰动以及附加质量作用，均对流场结构和流动动力等特征产生影响，相对于传统实心体入水过程¨1，其结构的特殊性增加了入水问题的复杂性。相关应用也较为广泛，例如航天飞机固体火箭助推器(SolidRocketBoosters，SRB)的回收¨1、机载声呐浮标的投放p1等，此类特殊结构体入水问题已经成为入水问题研究的重要分

5、支。对入水问题的早期研究多采用试验方法，最早可以追溯到19世纪初，Worthington¨。首次借助于高速摄像技术观察记录了液滴和球型结构体入水全过程，记录并描述了入水喷溅、空泡演化等现象；近年来，Duclaux∞1、Truscott¨。71以及何春涛¨o等众多国内外学者依然延续摄影试验方法对结构体入水问题开展了研究，对入水运动规律、入水空泡演化、流体动力特征以及影响因素进行了分析。随着计算机技术和计算流体力学的发展，数值方法在入水问题研究中得到了广泛应用，可以获得更加丰富、更加精细的流场结构信

6、息。Lee等∽1针对射弹人水空泡的闭合方式和闭合点特征开展了理论和数值计算，其基于能量守恒原理建立了收稿13期：2015-11-02；录用13期：2015—12—18；网络出版时间：2016-01—1417：42网络出版地址：WWW．cnki．net／kcms／detail／11．2625．V．20160114．1742．001．html基金项目：国家自然科学基金(11672094)；黑龙江省自然科学基金(A201409)；中央高校基本科研业务费专项资金(HIT．NSRIF201159)；哈尔滨

7、市科技创新人才研究专项资金(2013RFLXJ007)$通讯作者：Tel．：0451-86413510E-mail：weiyingjie@gmail．cornBt用格式：路中磊，魏英杰，I聪，等．开放空睦壳体入水流场结构及流体动力特征研究【J1．北京航空航天大学学报。2016．42(J1)：2403·2412．LUZL，WEIYJ，WANGC，et“．Flowfieldstructureandfluiddynamiccharacteristicsofsemi—closedcylin—derwat

8、er—entry【j1．JournalofBeqingUniversityofAeronauticsandAstronautics，2016，42(11)：2403—2412(inChinese)．2404北京航空航天大学学报2016年空泡演化的理论模型，分析了影响闭合方式的因素，以及深闭合方式下空泡的几何、运动特征参数；何春涛等¨钊对锥头圆柱体入水流场特征进行数值计算，获得了不同入水速度条件下泡内压力变化规律，以及空泡内压力场、速度场分布情况；陈晨等。1¨对高速射弹入水过程开展了数值计算研究，