严晨祎 陈 瑛

(上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院,水动力学教育部重点实验室,上海 200240)

引言

物体穿越水面的入水问题与许多军事应用直接相关,如:舰载发射航行体入水[1]、船舶砰击[2]、飞机迫降[3]等.物体入水问题的研究已经持续了近一个世纪,这个经典问题的影响因素有很多:物体几何形状[4-6]、冲击速度和角度[5]、物体密度和表面材质[6]等.当引入变化的物体密度[7]和物体入水带有旋转时[8],问题变得更加复杂.研究圆球高速旋转入水过程的空泡特性和精细流场结构,可为将来基于多物体入水[9]的新型航行体入水降载方式提供关键性的力学机理认识.

入水问题的关注点主要包括入水冲击和入水空泡两个方面.Von Karman[10]提出的附加质量方法为入水冲击研究提供了先驱性理论指导,其后国际上的理论研究大多围绕该理论展开.对于圆球入水问题,Watanabe[11]开展的相关试验为后人理论模型的发展提供了关键的验证数据.入水空泡的研究最早始于19 世纪末Worthington 和Cole[12]的工作,其采用电子闪光摄像捕捉圆球的垂直入水过程,首次系统地阐述了水面飞溅、空泡闭合和射流等现象.Truscott等[8,13-14]对圆球高速旋转入水作了系统性的试验探究,包括采用不同入水速度和入水转速,球面采用不同接触角的涂层以及采用不同密度的圆球进行试验.他们发现由于圆球表面的无滑移边界,使得圆球旋转会在空泡内部形成横向楔形射流,并导致圆球弹道会发生明显的横向……