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喷气协助航行体入水空泡流动特性实验研究
摘要
本文通过数值模拟和实验研究探究了喷气协助航行体（Jet-PropelledBody，JPB）入水空泡流动特性。数值模拟结果表明，当JPB倾斜角度为30度时，基于稳态雷诺平均Navier-Strokes方程的模拟结果与实验数据吻合度较高。进一步分析发现，快速移动入水的JPB会产生较大的水面涡旋，进而形成空泡，并将空气带入水中，形成被称为气-液边界层（gas-liquidboundarylayer）的流体现象。实验结果显示，JPB进入水中的速度和倾斜角度对空泡长度和必要推力有着显著影响，其中，推力和倾斜角度的关系呈现出较为明显的正比例趋势。
关键词：喷气协助航行体；入水空泡；流体现象；数值模拟；实验研究
Introduction
喷气协助航行体（Jet-PropelledBody，JPB）在水下运动中具有很好的推力控制和灵敏响应性，因此被广泛应用于海底勘探、水下机器人等领域。由于其独特的运动特性，JPB在入水过程中会形成空泡，带入流体的进一步探索变得更加复杂。目前，虽然已有许多文献报道了JPB入水空泡的流体现象，但其入水空泡流动特性仍然需要进一步探讨。
本文采用数值模拟和实验研究相结合的方式，探究JPB入水空泡的流动特性，并对其进行分析。本文的研究主要分为以下两个部分：第一部分是基于数值模拟分析JPB入水空泡流动的特性；第二部分是利用实验研究手段对其动力学性能进行验证和分析。通过该研究，可以更好地理解JPB在水下运动过程中的动力学特性，为开发更加高效、精确的水下机器人等应用提供理论基础和实验支持。
NumericalsimulationofJPBwaterentrywithaircavity
为了更好地研究JPB入水空泡流动特性，本文采用COMSOLMULTIPHYSICS软件进行数值模拟。数值模拟中考虑了以下四个主要因素：物理模型、材料性质、边界条件以及数值方法。其中，物理模型采用稳态雷诺平均Navier-Strokes方程（RANS）；材料性质按照海水的特性进行设定；边界条件包括物体、气-液边界以及远场无穷远边界；数值方法主要采用有限元方法进行求解。
通过数值模拟结果的分析，本文发现入水角度和JPB倾斜角度对空泡的形成具有重要影响。当JPB倾斜角度为30度，且速度为4.5m/s时，其模拟结果与实验数据吻合度较高。此外，数值模拟还表明，快速移动入水的JPB会产生比较强烈的水面涡旋，从而形成空泡，并将空气带入水中形成气-液边界层的流体现象。
ExperimentalstudyofJPBwaterentrywithaircavity
为进一步验证数值模拟结果的准确性和完整性，本文采用实验研究手段对JPB入水空泡的流动特性进行探究。实验研究中采用的实验设备主要包括水槽、JPB模型、测力仪以及摄像机等。
实验结果显示，在JPB进入水中的速度和倾斜角度相同时，其产生的空泡长度和必要推力呈现出一定的正比例趋势。当速度为4.5m/s，倾斜角度为30度时，其必要推力最大，空泡长度最长。
Conclusion
本文采用数值模拟和实验研究相结合的方式对JPB入水空泡流动特性进行了研究。数值模拟结果表明，当JPB倾斜角度为30度时，基于稳态雷诺平均Navier-Strokes方程的模拟结果与实验数据吻合度较高。实验结果表明，JPB进入水中的速度和倾斜角度对空泡长度和必要推力有着显著影响，其中，推力和倾斜角度的关系呈现出较为明显的正比例趋势。该研究结果有望为开发更加高效、精确的水下机器人等应用提供实验支持和理论基础。
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