——运动体的速度;
——运动体表面任一点处的压力。
定义 的负值为减压系数,则有:(2.2)
根据式(2.2),水中运动体表面具有最小压力 的点处,将具有最大的减压系数,则有:
由式(2.4)可见,随着水下运动体速度的增大,其表面上最小压力点处的压力 将不断下降。当 下降到接近于水的饱和蒸汽压时,流经此处的液体被汽化,溶解在水中的微气核重新逸出,在运动体表面不断形成充满水和水蒸气的空泡。
不同流动条件下,空泡的形态尺度差别很大。在流固耦合中,如果运动体的速度较低或其周围压力较高,基本没有明显的气泡出现;相反,如果运动体速度较高或其周围压力非常低,就会产生较长的蒸汽空泡。
2.2.2流动中的超空泡
空化起始之后,形成附着在固定边界上的一种相对稳定的空泡,这种空泡称为固定空泡。当固定空泡的长度发展到超过绕流体的尺寸时,固定空泡转变成超空泡。超空泡形成的重要标志是固定空泡的尾部远离绕流体[22]。
在超空泡状态下,空化现象的许多重要特性将发生明显地改变。在超空泡中的运动体被汽体所包围,运动体的阻力与周围介质的密度成正比,而汽体介质只是水的密度的几百分之一,因此,运动体的阻力将大大降低,从而实现运动体的超高速航行。
2.3运动体的入水弹道特点
运动体在“入水”过程中,包含水面撞击和侵水、流动分离形成入水空泡、带空泡航行和溃灭四个阶段。
撞击和侵水:当运动体空中弹道结束,即为水中弹道开始。海水作为不可压缩流体,当运动体以较高的速度入水时,对水面将产生一个巨大的撞击。需要指出的是,运动体入水冲击与力学上两个刚体相撞完全不同,因为撞击时,运动体不是不动,而是穿过水面进入水中,在一个极短时间内,产生巨大的撞击力,不仅使水面出现高速激波,而且改变了运动体的速度和姿态。
流动分离形成入水空泡:对水撞击之后,运动体在惯性力作用下继续下潜,同时运动体周边的水流也被带入运动状态,在运动体周围产生一个气泡,该空泡的上端(水面)对大气是敞开的。由于运动体不断向下运动,空泡将进一步拉长,空气不断补充到运动体后面的空泡中。
带空泡航行:随着运动体继续向下运动,静水压力不断增大,当运动体运动至水下某一深度时,空泡闭合,终止了外部空气的流入。
溃灭:由于空泡腔内的气体在运动体尾端以气水掺混方式进一步泄出,使得空泡腔内压力继续下降,最终使得空泡体积缩小,脉动多次后溃灭消失,当运动体上的空泡消失后,运动体进入全湿航行阶段。
运动体带空泡航行,水中弹道的末参数将成为后期全湿弹道的初始条件,空泡的形状和尺度主要取决于弹型、入水角度、速度、入水深度以及环境的密度和压力,而弹体在空泡中的运动姿态主要受弹体湿水部分的水动力影响,空泡的变化过程(发生、发展和溃灭)对运动体的水中弹道具有重要影响。
运动体的入水弹道,从数学、物理和力学的角度看,它涉及空气、水和运动体三者之间的相互作用和不定常的运动问题;既是一个具有自由液面和特殊空泡的不定常流体力学问题,又是一个有可能引起结构破坏的高速撞击问题。
3 运动体入水方程组
3.1运动体入水坐标系及变量定义
运动体入水坐标系定义如图3.1所示。地面坐标系 。的原点 取运动体入水过程中与水瞬时接触那点; 沿运动体的纵对称面的交线,指向前方; 轴铅垂向上; 轴垂直于 轴和 轴。弹体坐标系 也称固连系,该坐标系各轴与运动体固连,也就是相对于运动体静止不动的坐标系,这一坐标系的各轴称为固连轴。弹体坐标系的坐标原点 取在运动体质心上, 轴沿运动体的对称轴线,指向头部; 轴位于纵对称面内,与铅垂平面重合,且垂直于 轴,指向上方; 轴垂直于 轴和 轴,其方向使该坐标系成为右手系。 一些物体的水中运动分析仿真+文献综述(4):http://www.751com.cn/wuli/lunwen_6462.html