مطالعه عددي و آزمايشگاهي مسيله ورود يك پرتابه به آب و بررسي اثر سرعت برخورد بر زمان و عمق جدايش حباب

Numerical and Experimental Investigation of a Projectile Water Entry Problem and Study of Velocity Effect on Time and Depth of Pinch-off

در اين مقاله مسيله ورود به آب يك پرتابه سه بعدي با دماغه نيم كروي با استفاده از روش آزمايشگاهي و عددي مورد مطالعه قرار گرفته است. براي حل عددي يك مدل سه بعدي از پرتابه با دماغه نيم‌كروي و در شرايط شش درجه آزادي در نظرگرفته شده است. از الگوريتم كوپل اويلري- لاگرانژي براي در نظر گرفتن برهم كنش بين سيال و سازه (پرتابه) استفاده شده است. از طريق تماس اويلري- لاگرانژي، جسم لاگرانژي (پرتابه) مي تواند با ماده اويلري (آب) برهم كنش نمايد. همچنين از يك معادله حالت براي بيان رفتار هيدروديناميكي ماده اويلري استفاده شده است. نتايج حل عددي هم با نتايج آزمايشگاهي موجود مربوط به سقوط كره در مقالات و هم با نتايج آزمايشگاهي كار حاضر كه مربوط به پرتابه است، مقايسه شده است. آزمايش براي يك پرتابه با دماغه نيم‌كروي و در يك تانك آب مجهز به سيتم پرتابگر و دوربين سرعت بالا انجام شده است. نتايج شبيه‌سازي عددي شامل شكل حباب هواي تشكيل شده و مسير حركت پرتابه با نتايج آزمايشگاهي كار حاضر مقايسه شده است. تطابق خوب نتايج عددي و آزمايشگاهي دقت و كاربرد الگوريتم عددي را آشكار مي كند. همچنين مشاهده گرديد كه لحظه وقوع جدايش حباب تابع بسيار ضعيفي از سرعت برخورد است ولي عمق جدايش با افزايش سرعت برخورد، به‌صورت خطي افزايش مي يابد.

In this study, the water entry problem of a spherical-nose projectile is investigated numerically and experimentally. For the numerical simulations, a three dimensional model of the projectile with six–degree–of–freedom rigid body motion is considered. A Coupled Eulerian-Lagrangian (CEL) method is employed for modeling fluid-structure interactions. Through Eulerian-Lagrangian contact, Eulerian material can interact with Lagrangian elements. Also, an equation of state model describes the hydrodynamic behavior of the material. The numerical results are well compared with the available experimental results of a falling sphere in the literature and also the experiments of the current study. The experiments are performed for a spherical-nose projectile in a water tank equipped with a launching system and a high speed camera. The simulation results such as air cavity shape and the projectile trajectory are compared with the presented experiment data. The good agreement observed between the numerical results and those of the experiments, revealed the accuracy and capability of the proposed numerical algorithm. Also, it has been shown that the pinch–off time is a weak function of impact velocity, however, increasing velocity leads to a linear increase in depth of pinch-off.