航行体齐射出水指在较短时间内将多发航行体连续弹射出水过程．航行体的出水过程涉及复杂的多相流场环境，多航行体之间的流动干扰会导致空泡形态发生不对称演变，同时影响运动姿态的稳定性．水下发射过程涉及大尺度空泡群演化，因此早期的单空泡相关研究成果难以应用[1-3]．目前，大多数相关学者利用数值模拟和试验手段对航行体出水非定常空化演变与运动特性展开了研究．在数值模拟方面，文献[4]利用大涡模拟(LES)与均匀空化模型对水翼空化流动进行了研究；文献[5]利用VOF(界面追踪)方法研究了弗劳德数、韦伯数等无量纲参数对自由液面演化过程的影响；文献[6]采用动网格技术研究了航行体水下发射肩部空泡形态和出筒过程的压力分布；文献[7]分析了不同头型及出水攻角对航行体出水流场的影响；文献[8]模拟了艇速效应下航行体出水全过程，分析了航行体出水姿态角的演变规律；文献[9]发现艇速效应的增强会导致航行体所受的法向力和俯仰力矩增大．在试验研究方面，文献[10]研究了自旋速率对飞溅和空腔演化及流体动力学特性的影响；文献[11]对不同发射条件下航行体空泡形态开展了试验研究；文献[12]发现细长体的运动姿态与非定常空泡水下闭合位置密切相关；文献[13]研究了超空泡航行体带迎角穿过自由液面过程；文献[14-15]针对单发航行体出水过程空泡发展、脱落及出水载荷与空泡溃灭机理展开了系统研究．由于航行体齐射出水过程中涉及到多体间运动干扰水动力学概念较新，此部分相关文献较少，但可以参考多细长体在无固壁条件下相互干扰特性的研究[16-17]．此外，近些年，部分学者针对多体出入水过程流动干扰现象进行了初步探究．文献[18]研究了双发航行体以不同时序出水过程，发现当反向旋转涡对出现时，对次发航行体的运动姿态产生较大的影响．文献[19]研究了回转体齐射出水过程空泡演化规律与弹道特性，并分析了艇速对其影响．目前，国内外相关研究学者在单个航行体水下发射过程的空泡演变及溃灭载荷特性方面取得了一部分进展．其中当液体局部压力瞬间低于饱和蒸汽压时，会发生相变形成空泡．筒口气团的产生是由于高压气体在筒间隙发生了泄气现象，从而产生筒口气团[20-22]．空泡和形成与筒口气团的产生有着本质性的区别；而在筒口泄气影响下双体齐射出水过程流场特性研究基本还未涉及．因此，本研究通过开展双体齐射出水试验，探讨在筒口泄气影响下有无艇速条件首发和次发航行体之间相互影响产生的空泡及运动姿态不对称演变特性．1 试验平台与模型设计本研究中多体齐射出水试验系统部分有计算机控制系统、艇速发射装置、高速摄像系统和回收防护系统．如图1所示，试验水箱尺寸为1 800 m×10.13245/j.hust.230403.F001图1试验系统示意图1 200 m×1 200 m，玻璃厚度为20 mm，最大水深为1 m，满足整个出水试验要求．艇速发射装置由高压气瓶、水下平行导轨、减速电机、发射筒及各种线路(电路、气路)等组成．航行体出筒须要通过操纵控制系统调节水中高压气瓶气压来使达到所要求速度；本试验通过减速电机带动滚动轴来实现发射装置在细长导轨上运动，以此来模拟实际发射中的艇速(SOS)效应，并通过调节发射筒在卡槽中的位置实现不同间距下发射需求．控制系统由控制电脑、光电门、防水电磁阀及控制程序等组成．当发射装置运动至第一对光电门位置时，防水电磁阀立即被触发，从而实现双体以不同时序齐射出水过程，并自动关闭减速电机；试验中为了防止水下发射装置速度过快而导致水箱侧壁破损，设置第二对光电门进行限位．高速摄像系统由控制计算机、Phantom型号高速摄像机及相应线路等组成．防护回收系统由泡沫防护板、起吊装置等组成．此外，对双体齐射出水过程的位置关系和区域进行系统划分，如图2所示．10.13245/j.hust.230403.F002图2齐射出水位置和区域说明试验以半球头型航行体作为试验模型，模型直径为D，长度为L，质量为G，其中航行体头部、尾端与身段采用过盈配合，均采用铝合金材质，并通过添加配重块来调节质心，最后将模型进行氧化处理，如图3所示．此外，不同初始发射条件下试验工况参数设置如表1所示．10.13245/j.hust.230403.F003图3航行体试验模型10.13245/j.hust.230403.T001表1不同工况下试验参数汇总表数量艇速/(m∙s-1)间距/mm纵向间距/mm单体0.0——双体0.02D0.5D双体0.22D0.5D2 试验结果分析2.1　单体出水过程气团演化特性在单发航行体出筒时刻，筒口的气体主要来自发射筒中的气体．由于存在筒口间隙，因此在航行体出筒时刻，筒底部的高压气体被快速释放出来，高压气体在压力梯度的作用下被压缩，当压缩至极值点时，筒口压强远小于海水压强．气团在收缩过程中航行体头部中心穿过两相界面，航行体与水面接触的瞬间出现一高压点，该点的压强在受到航行体撞击后快速回至正常状态．航行体尾部完全出筒后，筒内高压气体溢出筒口，并近似形成一个与航行体尾部闭合的圆柱形空泡．航行体在向上运动过程中，尾部气团在沿发射方向上逐渐拉长，与此同时，尾部气团与在航行体外壁上的筒内气体慢慢融合，包裹住航行体尾部．此气团随着航行体上升的过程中被分割成两部分，其中在弹体尾部附着一部分气团，另一部分始终依附在发射筒口处，演化为筒口气团[20-21]．为了方便分析，选取航行体头部触及自由液面时为0时刻，水中运动阶段为负，出水阶段为正．从图4中可知：航行体在水中航行阶段及出水阶段经历了空泡闭合、空泡随动[20]及脱落空泡溃灭过程．10.13245/j.hust.230403.F004图4无艇速作用下单发航行体出水过程空泡闭合阶段是指空泡壁面受压收缩，从而导致与筒口气团相互连通的通道发生闭合，即图中-3 ms时刻．在航行体出筒过程中，高压气体会从弹筒间隙首先逸出，在筒口周围形成大量不均匀气团．在高速航行体穿越该气团的过程中，一部分气团附着在航行体周围，形成类似超空泡，并随着航行体不断向自由液面运动；随着航行体不断远离发射筒口，其尾端空泡不断被拉长，同时空泡在水平方向惯性力作用下向外侧扩张，空泡体积不断增大，压力不断降低．由于水的黏性阻力与泡内外压差影响，因此空泡壁面沿着水平方向扩张速度不断减小，之后在受压水体反弹作用下，空泡体积不断缩小，导致航行体空泡尾端与筒口不均匀气团完全分离．空泡随动是指空泡完成闭合后，随着航行体继续向自由液面运动直至空泡完全脱落过程，即图中0～30 ms阶段．当航行体头部触及自由液面时，出现了明显的水冢现象，随后航行体不断向上运动，头部与大气相连接，直至水冢现象消失．此时，一部分水体由于表面张力、惯性力等作用下附着在航行体周围，并随其向上运动，形成水膜．脱落后的尾迹以涡旋形式向航行体中轴线两侧运动．脱落空泡溃灭是指当航行体头部出水时，在回射流、大气压力、泡内压力及表面张力等共同作用下导致水膜和水下空泡形成的空腔发生溃灭现象．2.2　无艇速作用下双体齐射出水过程空泡演化特性如图5所示，在无艇速作用下双体齐射出水试验过程中，航行体的空泡形态演化过程都包含了空泡闭合、空泡随动及脱落空泡溃灭阶段；双体齐射过程中空泡形态发生了不对称演化，主要是因为齐射中双体之间内侧区域流动干扰影响，根据空泡独立膨胀原理，腔体的扩张幅度取决于航行体肩部流动分离点经过该截面位置时速度、泡内外压差等参数．10.13245/j.hust.230403.F005图5无艇速作用双体齐射出水过程对于首发航行体，当经过某一截面位置时，航行体两侧速度基本相同，但由于次发航行体头部周围流场影响，因此导致首发航行体尾端内侧环境压力较低，泡内外压差较大，进而导致其内侧区域的空泡壁面扩张幅度较大；对于次发航行体而言，由于其内侧区域的空泡受到首发航行体周围流场的影响，形成低压区，泡内外压差作用导致其内侧区域的空泡壁面扩张幅度大于外侧区域(如图5所示），因此航行体两侧空泡轮廓发生不对称演变．为进一步研究双体齐射出水过程空泡演化特性，定义具体参数如图6所示，图中：r*为空泡轮廓到中轴线的距离，定义其轮廓线在航行体右侧为正，左侧为负；Y为航行体某截面位置到航行体头部的距离；y为空间竖直方向位置，定义水面位置为0，水面之下为正，水面之上为负；h为航行体头部到水面的距离，当其头部在水面以下为正．定义：r*/D为无量纲空泡半径；h/D为无量纲实时高度；Y/L为航行体无量纲位置；y/L为无量纲空间竖直方向位置．10.13245/j.hust.230403.F006图6变量定义此外，对空泡轮廓进行识别提取，并与原始图像进行对比，图像处理方式如图7所示，识别的空泡轮廓与真实空泡轮廓符合度较好，可以认为此提取方式有效．10.13245/j.hust.230403.F007图7空泡轮廓识别图8为单体和无艇速效应下双体在水下6D，4D，2D和头部触及水面等4个典型位置的两侧空泡轮廓对比图．由图8可知：单体在水下运动阶段，水体在其肩部发生了流动分离，随着航行体不断向水面运动，两侧气团轮廓呈流线型，且基本对称．双体齐射中的首发航行体，其内侧区域的气团轮廓受到次发航行体的影响，导致气团两侧周围环境出现差异，气团轮廓不再呈对称状，出现了明显的振荡；对于次发航行体，由于首发航行体尾部流场的影响，因此在其内侧区域存在低压区，泡型在内外压差的作用下向低压区不断扩张，导致内侧气团轮廓出现局部膨胀，而其外压力不受首发航行体的尾流场影响，与单发航行体外侧泡型基本保持一致．10.13245/j.hust.230403.F008图8水下特征位置处两侧空泡轮廓对比如图9为单体和双体头部出水0D，2D，4D及6D等4个典型位置水面之下空泡轮廓对比．为了方便描述航行体出水过程特征位置的气团轮廓演变规律，将图8中的Y/L改用y/L作为纵坐标．10.13245/j.hust.230403.F009图9出水过程特征位置处空泡轮廓对比由图9可知：单体和双体的泡型呈现扩张趋势，这是因为航行体头部出水过程中水膜的形成，并与水下空泡形成密闭空腔，此时空泡下方相对于空泡上方为高压区，在压差的作用下气流不断向上方运动，致使空泡在水面附近不断扩张．单体两侧气团轮廓大小基本对称，泡型不一致的主要原因在于发射筒口不均匀气团的影响．双体齐射中的首发航行体在其头部出水过程中，运动姿态发生了变化，导致两侧气团呈现不对称状态；对于齐射中次发航行体，此过程中首发航行体尾流场对其泡型影响减弱，致使其两侧气团轮廓基本呈对称状．2.3　艇速作用下双体齐射出水过程空泡演化特性如图10所示，与无艇速下双体齐射出水过程相比，艇速效应下航行体的迎流侧表现为高压区，泡内外压差较小；背流侧为低压区，泡内外压差较大．对比迎流侧泡型，背流侧空泡扩张程度较大，加上艇速效应产生的水体冲击作用，水下航行体过程中两发航行体都存在背流侧空泡扩张程度大于迎流侧，同时伴随着明显的尾迹．10.13245/j.hust.230403.F010图10艇速效应下航行体齐射出水试验图为了进一步研究有无艇速条件下双体齐射过程空泡轮廓演变规律，给出各工况下航行体在特征位置处空泡轮廓分布规律，如图11所示．从图11可知：在水下航行阶段(h0），无艇速作用下双体齐射中首发航行体左侧泡型比右侧大1倍左右；艇速作用下双体齐射过程中次发航行体背流侧泡型比迎流侧较大，而首发航行体右侧作为迎流面，其空泡背流侧反而较大．这是因为当无艇速效应时，首发航行体内侧为低压区，泡内外压差作用致使其扩张程度增大，加之航行体运动姿态的变化，导致内侧空泡进一步扩张；在艇速作用下，航行体迎流侧环境压力较高，加上水体的冲刷作用，泡型扩张幅度一般较小，但当首发航行体在出筒时，受到筒口不均匀气团较大的影响，其运动姿态发生了变化，从而导致首发航行体迎流侧泡型较大．在出水阶段10.13245/j.hust.230403.F011图11各工况下航行体在特征位置处空泡轮廓对比(h0），无艇速作用下双体内侧低压区流动干扰进一步加剧，致使其内侧区域空泡轮廓相互掺混融合；而在艇速作用下首发航行体迎流侧气团轮廓不断发展，其气团轮廓反而大于背流侧空泡．这是因为当首发航行体头部触及水面时，运动姿态发生了逆时针偏转，加之艇速较小，出现了迎流侧空泡轮廓大于背流侧的情况．2.4　航行体出水过程运动特性本研究对航行体运动轨迹进行了分析．在无艇速作用下，首发航行体出筒后其运动轨迹就发生了变化，而次发航行体运动轨迹和单体近似为一条竖直方向的直线．主要原因是首发航行体出筒过程受不均匀气团较大影响，其次还受筒口密封膜表面张力及初始发射气压等因素影响，导致其初始运动姿态就发生了变化，从而影响整个发射过程航行体运动轨迹．此外，由于筒口大量不均匀气团的存在，因此航行体出筒过程中形成类似于超空泡现象，导致次发航行体运动轨迹基本没有受到首发航行体尾流场的影响．在艇速作用下，双体沿着背流侧方向不断发生水平偏移，并最终完成出水全过程．为进一步分析航行体运动姿态演变规律，本研究定义偏转角为航行体中轴线与竖直方向之间的夹角，其中航行体逆时针偏转时偏转角为正，顺时针为负，同时定义航行体头部接触水面时刻为0时刻．如图12所示，3种工况下航行体的运动姿态在出筒阶段就发生了逆时针偏转，在航行体不断向水面运动过程中，偏转角逐渐增大；在航行体头部穿越水面过程中，偏转角增长趋势进一步扩大．无艇速作用首发航行体受到筒口不均匀气团影响最大，在初始提取数据时刻就已经发生了约3°逆时针偏转，并最终以8°偏转角完成出水过程．10.13245/j.hust.230403.F012图12偏转角变化曲线3 结论a．根据无艇速作用下双体齐射出水过程空泡形态演变规律可知：两发航行体的内侧区域受到彼此间流场影响，表现为低压区，空泡内外侧压差导致内侧泡型扩张幅度较大，空泡两侧轮廓呈现出明显的不对称性．b．根据艇速效应下双体齐射出水过程中空泡轮廓演变规律可知：在艇速作用下，航行体迎流侧环境压力较高，加上水体的冲刷作用，泡型扩张幅度一般较小，但由于首发航行体在出筒时，受到筒口泄气产生的不均匀气团较大的影响，因此其运动姿态发生了变化，从而导致首发航行体迎流侧泡型较大．c．根据航行体出水过程中运动特性可知：单体和有无艇速效应下双体齐射中，其初始运动姿态均极易受发射筒口不均匀气团的影响，并且无艇速作用首发航行体受到筒口不均匀气团影响最大，其次还有筒口密封膜表面张力及发射气压等因素影响，表现出较强的随机性，从而影响航行体运动姿态的稳定性．