头部喷气物跨越气液界面的流体动力学特性研究

头部喷气发射物入水问题是一个非定长、非线性的问题，它与很多空间科技和军事科技前沿问题密切相关。探索头部喷气发射物入水冲击的缓冲机理，具有重要的学术价值和军事应用价值。项目组拟采用高速摄影技术以及PIV激光粒子测速仪等设备，对头部喷气发射物穿越气液界面引起的水体自由表面突变过程、自由表面附近流场的变化规律、水下气穴的形成机制及头部喷气在减缓入水冲击和稳定弹道方面进行实验研究，试图揭示发射物体、喷气气流与水体相互作用的流体动力学机理。同时，尝试用ALE（Arbitrary Lagrange-Euler）方法，直接数值模拟头部喷气发射物的入水过程。最终，揭示入水初期水面表层流场及自由表面的突变规律，建立能够正确描述入水物体所受到冲击作用与运动物体形状、自身质量、入水角度、入水速度、运动物体头部喷气速度和喷气质量等因素之间关系的数学模型。

该项目是一个非定常、非线性的物体发射入水问题，它与很多空间科技和军事科技前沿问题密切相关。项目完成了物体入水的瞬态特性研究、圆柱弹体垂直入水空泡瞬态特性研究、圆柱体垂直入水冲击特性研究以及头部形状和Froude数对弹体入水空泡形态影响的数值模拟研究等主要研究内容，建立了物体入水实验系统和压缩空气冲击实验系统，并进行了相应的模型试验和测试，开展了物体头部喷气、无头部喷气以及不同头部形状入水过程的模拟计算，发展了气泡动力学的界面捕获数值技术（Level- Set方法及VOF方法），同时建立了能够正确描述入水物体所受到冲击作用与运动物体形状、自身质量、入水角度、入水速度、运动物体喷气速度和喷气质量等因素之间关系的数学模型，研究了物体入水过程的压力、速度、冲击载荷、阻力性能的变化，揭示了发射物体、喷气气流与水体相互作用的流体动力学机理，这些机理为进一步研究物体入水问题提供了全新思路。研究结果对推动水中兵器的发展具有重要意义。