水下射彈超空泡可視化研究

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1、水下射彈超空泡可視化研究摘要：（目的）針對水下高速射彈超空泡可視化中模型隨時間變化的問題，（方法）分析了超空泡模型的特點，采用了橢圓擬合原理構建了簡化的空泡模型，（結果）在此基礎上采用OpenGL編程技術完成了實時數(shù)據(jù)驅動的超空泡模型，并開發(fā)出基于VegaPrime的水下超高速射彈道空泡對視化仿真系統(tǒng)。（結論）在實際數(shù)據(jù)的驅動下，該視景系統(tǒng)有效再現(xiàn)了射彈超空泡生滅的過程。關鍵詞：超空泡;町視化；仿真；橢圓擬合超空化現(xiàn)象就是當射彈在水下以一定的速度運行時，彈體周圍液體便會氣化，從而產(chǎn)生覆蓋部分彈體或全部表而的空泡，空化現(xiàn)象將使得射彈在水中的阻力減少一個數(shù)量級，這種減阻技術為水下武器應用帶來了一個

2、嶄新的時代。（研究的重要意義）它的巨大潛力使得越來越多的人投入到空化技術的研究中。為方便研究空化現(xiàn)彖、空泡形成機理提供直觀的試驗數(shù)據(jù)，清晰完整的重現(xiàn)空泡演變過程就顯得尤為重要。目前，國內(nèi)對于超空泡可視化的研究已經(jīng)展開了許多。（前人研究進展）文獻【4】釗對超空泡形成的工作機理，建立了超空泡的三維實體模型，實現(xiàn)了超空泡水下航行器的運行過程；文獻【5】針對彈道關鍵點進行插值并生產(chǎn)全彈道數(shù)據(jù)，通過鍵盤控制視點切換形象逼真地模擬了超高速魚雷水下運行過稈；文獻【6】對超高速魚雷運動的數(shù)學仿真方法、超高速角雷定常運動下的模型簡化技術和復雜、時變、多因素影響下的超高速他雷運動建模技術等突破的關鍵技術進行了分析

3、和總結。（研究的切入點）本文以水下射彈超空泡為研究對彖，利用Multigen-Creator進行三維實體建模，采川OpenGL編程，開發(fā)岀基于VegaPrime的水下超高速射彈道空泡可視化仿真系統(tǒng)。（研究擬解決的關鍵問題）為實現(xiàn)逼真的仿真效果，文中采用橢圓擬合原理優(yōu)化了空泡模型，提高仿真度，展現(xiàn)出超高速射彈超空泡生滅的場景。木文所建立逼真的仿真系統(tǒng)，淸晰地展示超空泡牛滅過程，為科研人員進一步研究超空泡技術提供了有效地工具。1超空泡模型在射彈?超空泡可視化的仿真設計中,為了要建立超空泡模型，需要對其形狀特點分析研究。1.1空泡基本模型及相關經(jīng)驗公式在高速攝像機拍攝下，我們能看到的完整超空泡前部分

4、是和射彈頭部模型相類似的流體氣泡，尾部因為水下環(huán)境、射彈模型及射彈速度的因索而影響而有所不同。理論上來說空泡就是包裹著彈體的光滑外殼C研究人員通過多年研究發(fā)現(xiàn)表征超空泡流的最亜要的物理特征Z—是空化數(shù)：”妝4(1)式?。篵為空化數(shù)，。為液體的密度，°。為來流無窮遠處壓力，°”為空泡內(nèi)壓力，心為來流無窮遠處速度。圖1超空泡基本模型Fig」Themodelofsupercavitation在研究過程中發(fā)現(xiàn)，空化數(shù)是影響彈空泡外形的主要因素，它和其他因素，例如亜力因素等，共同作用影響空泡的外形?？蒲腥藛T對通常都是以空泡的t度和最大直徑來描述空泡外形，Reichardt>Waid等在理論分析和試驗的經(jīng)

5、驗基礎上，給出了關于超空泡形狀計算的若「經(jīng)驗公式，如表1所示?？张蓍L度山厶/D”描述、空泡直徑山D/D”描述，式中為空化器底端直徑，C”為阻力系數(shù)。表1空泡外形經(jīng)驗公式Tab.lThesupercavitationshapeofempiricalformula公式名稱空泡直徑空泡長度LengthofSupercavitationNameofFonnulaDiameterofSupercavitationReichardtDmaxCd8cr—0.132(77仏二b+0.008Dnb(0?066+1?7b)b1一().132/Waid=0.534cr"MX+1%^^-=1.08o_,118D“Gc

6、irabedian"max實際拍攝到得空泡模型，類似于橢球型，空泡倫廓縱切而可以描繪成一個普通的橢球,兀2V2這-點RcichM、Waid也都有相同的認知。如果橢圓方程為廬+產(chǎn)1,這樣就可以把Lmax=2a、Dmax=2b作為空泡的長度和最大直徑。為了能在視景仿真屮靈活運川公式，有必要對其進行優(yōu)化。鑒于空泡縱切面近似橢I員I形的這一特殊性質(zhì)，町以采取橢圓擬合法取得空泡的長度和最人垃徑。首先，在高速攝像頭下提取關鍵幀,得到分辨率較高的完整空泡圖片；然后,通過畸變矯止修止誤差，再利用邊緣檢測，圖像增強等方法，提取出空泡輪解；再次，利用屏幕取點工具獲取空泡邊界點的處標；最后利用橢圓擬合的方法即可求得

7、空泡的相關參數(shù)。從而提取橢惻的半長和半寬，同時，也獲得了空泡外形參數(shù)化1111線的描述。為了獲得更楮確的空泡輪廓模型，抑制人工測量引入的誤差，采用最小二乘法的橢圓擬合法來優(yōu)化空泡輪廓，其原理如下：任意平血的橢圓的一?般線性方程表示為x2+Axy+By2+Cx+Dy+E=Q(2)參數(shù)方程為202一/)血20b2cos20+a2sin20/?2sin2<9+6(2cos2/9h2cos20+a2sin