[发明专利]一种入水通气多相流动实验模拟机构

说明书

技术领域

本发明涉及一种实验模拟机构，尤其涉及一种入水通气多相流动实验模拟机构。

背景技术

随着水中多相流减阻技术的发展与应用，对于水面和空中入水的航行体，为了实现在水中超低阻力航行，航行体在入水之前，通气系统已经开始工作。所以为发展入水通气多相流动实验模拟技术是解决入水通气多相流的关键技术。

另一方面，对于普通的水面及空中飞行的航行体在入水后也会空化，在之后的航行过程中，由于空泡的溃灭会导致航行体的弹道失稳。May和Waugh指出，如果能够控制入水空泡的稳定性便可以保证航行体弹道的稳定性，且该问题到目前仍然未获得有效解决。随着水中多相流技术的发展，借助通气多相流的可控性，可以实现解决普通水面及空中飞行的航行体在入水后会形成空泡溃灭导致航行体弹道失稳问题。因此开展入水通气多相流研究有助于解决入水空化导致航行体弹道失稳问题。

对于没有通气系统工作的航行体垂直入水时，表面闭合通常先于深水闭合。然而，在某些情况下(特别是倾斜入水)，深水闭合可能比表面闭合发生的更早。航行体入水后形成发生表面闭合或深水闭合的形式与时间，主要取决于入水条件。而空泡表面闭合与深水闭合之间的关系，决定了入水时卷入空气量的多少及卷入的空气在空泡内的弹性效应。这些因素是空泡在进一步发展中失稳及溃灭导致航行体运动失稳的决定性因素。特别是对于在入水时通气系统工作的情况下，由于通入气体的作用，会改变入水时卷入空气的量及卷入空气在空泡内的弹性效应。在通入气体及卷入空气的共同作用下，表面闭合和深水闭合会出现新的关系及形式，这将导致新的空泡失稳及溃灭机制。通气多相流在卷入空气、通入气体及航行深度变化联合作用下势必导致空泡内气体堆积、空泡界面剪切层和空泡外部压力波等现象的存在。在这种情况下，存在持续的外界压力变化、空泡内气体的弹性增加和界面剪切层的共同作用。最终将导致空泡出现由通气失稳(空泡内堆积过多气体)、剪切层失稳(空泡边界滑移速度的存在)或气泡振荡失稳(外界环境压力变化)等单一存在或多种形式联合存在的空泡失稳的新机制。

Worthington最先研究了入水现象，观察到了球体入水时产生的喷溅和空泡。其后研究者主要针对空投运动体入水过程中结构破坏、弹道失稳及跳弹等问题来展开入水的研究。更多关注入水过程空化演化对航行体载荷特性的影响，而对空泡流本身关注于如何避免其负面效应。实验研究方面，Reichardt等对圆盘，圆锥空化器在水洞及拖曳水池中进行了大量的实验研究，获得空化器经验阻力计算公式。Michel实验研究了二维水中通气多相流长度与弗劳德数、通气空化数及通气量之间的关系，给出了拟合曲线。Savchenko领导的团队开展了大量的水中多相流实验研究，得到了轴对称多相流流的空泡形状拟合公式、弗劳德数对通气多相流流影响的判断标准及入水多相流发展等。Kuklinski，Kawakami对通气水中多相流的迟滞效应等进行了一系列研究。Arndt等带领的团队通过大量水中多相流流控制实验研究。Backer研究了圆锥垂直入水过程的阻力变化特性。Gekle实验研究了空泡深闭合过程中空泡内部空气流场的运动情况,Truscott开展了球体低速垂直入水多相流形态变化以及多相流对球体流体动力的影响规律实验研究。国内，陈鑫等对航行体通气多相流及自然多相流流动机理开展了大量的数值和实验研究。王一伟基于射弹实验及数值计算考虑了通气局部多相流的稳定性机制。何春涛对锥心头部航行体开展了大量实验，给出了空泡流动结构及航行体的阻力特性。

综上所述，入水问题一直是被大家关注的焦点和难点之一，前期主要针对航行体入水过程的载荷及弹道特性进行了广泛的研究。随着水中多相流减阻技术的发展，入水多相流发展得到广泛重视，并开展了入水多相流研究。但是针对入水多相流发展规律的研究处于起步阶段，特别是对入水通气多相流初期生长的闭合行为研究缺乏足够的认识，没有针对该问题的实验方法。主要问题在于，一般实验通气系统采用管路供气可准确控制流量，但入水实验处于运动状态，携带通气系统管路会严重影响模型的运动轨迹及多相流形成，如何实现在水筒中模拟入水通气多相流及通气量的准确确定揭示入水通气多相流初期生长闭合行为的前提条件。所以急需一种入水通气实验模拟机构。

发明内容

本发明的目的是为了研究航行体入水通气多相流初期生长的闭合行为而提供一种入水通气多相流动实验模拟机构。