【担保 网站】 撞水

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[拼音]:zhuangshui

[英文]:water impact

鱼雷、反潜导弹等物体从空气中穿过水面进入水中所经历的撞击水面的过程。航天飞船的仪器舱和载人座舱在海面溅落,水上飞机降落以及向海面空投物体,也都经历撞击水面的过程。此外,滑行快艇及其他高速舰艇在有波浪的海面上航行,也会出现船体与水面相碰撞的现象。

撞水的最初瞬时,在水中有一个短暂的、以水中声速传播的声波。物面上的水动压力

,式中υ0n为撞水初速度在物面法线方向上的投影,c为水中声速;当υ0n>c时,即出现激波。声波和激波波后的压力虽然很大,但由于水的自由面起著解除安装作用,这种大压力持续的时间极短,对撞水后一阶段的流动影响很小。若物面与自由面上水质点的遭遇速度大于水中声速,则自由面不起解除安装作用。遭遇速度大于水中声速,并不一定要求撞水初速大于水中声速。例如,顶角为2β的圆锥体以初速度υ0垂直撞击水面,则遭遇速度为υ0tgβ,故只要υ0>c/tgβ,遭遇速度即大于水中声速。研究遭遇速度大于水中声速的撞水问题必须考虑水的可压缩性。

物体撞水时可产生数倍于驻点压力的撞击水动压力,它的分布也不同于无界流体绕物体流动的压力分布,最高压力点不在驻点,而在接近自由面的地方。

物体撞水初期会出现喷溅,喷溅的形状和下落过程,会影响入水空泡的生灭过程。

如果撞水物体在接触水面前它的头部表面与自由面平行或夹角很小(如小于3度),则在物体快撞到水面时,物水之间的空气受到压缩,压力增大,迫使物体正下方的水面向下凹陷。凹陷区域周边的水面略有升高,物面首先与此升高的水面接触,于是形成封闭气垫。物体继续向下运动时,垫内的空气受挤压而逸入水中。

物体高速撞水时,受到巨大水动力的作用,可发生振动,出现大变形,甚至破坏;若物体质量不是很大,则物体的负加速度很大;物体高速撞水时,在其内部出现传播和来回反射的弹性波。所有这些现象使撞水物体内部的仪表、机构不能正常工作,使乘员难于忍受。

撞水初速度不垂直水面的撞水叫斜撞水。斜撞水时,在物体下侧可能有一个低压区,甚至出现蒸汽空泡,产生使物体折转的力矩。

撞水实验是在撞击水箱、拖曳水池或入水实验室内进行的。实验室中,除了几何相似外,还要做到弗劳德数

、质量数m/ρL3、转动惯量数I/ρL5和质量分布数xC/L、yC/L、zC/L相似,这里υ为撞水初速度;m为入水物体质量;I为转动惯量;ρ为水的密度;L为入水物体的特征长度;xC、yC、zC为物体的质心座标;g为重力加速度。当要考虑物体应力、应变和振动时,还要考虑结构的弹性。

物体撞水的实验研究工作始于19世纪末,而大量的实验研究工作是20世纪30年代开始的。理论工作最早是T.von卡门开始的,接著德国H.瓦格纳,苏联Л.И.谢多夫、Μ.В.凯尔迪什和Μ.А.拉夫连季耶夫做了基础性的研究工作,后因遇到数学上的困难而无重大发展。目前中国和美国、苏联、英国、日本等国的学者在继续做撞水研究工作。

参考书目

V.G.SzebehelyandM. K.Ochi,Hydrodynamic Impactand Water Entry, Applied Mechanics Surveys, Spartan Books, Washington, D. C., 1966.

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