Page 122 - 《爆炸与冲击》2025年第5期

第 45 卷 杨 帅，等： 破碎浮冰环境下结构物倾斜入水空泡演化特性实验研究 第 5 期

densities, jets point to the interior of the cavity when the cavity collapses. As the coverage density of crushed ice gradually
increases, the impedance exerted by the crushed ice on the inward contraction of fluid at the free surface progressively
intensifies. This enhanced obstruction from the crushed ice further prolongs the cavity closure time and concurrently augments
its length and maximum diameter. Besides, under conditions of higher crushed ice cover densities, the cavity wall is wrinkled
by the irregular impact of the fluid. As the submerged depth of the structure increases, the cavity undergoes a deep necking
under the influence of ambient pressure. As the coverage density of crushed ice gradually increases, the velocity of the
underwater motion of the structure shows a trend of faster decay compared with those in ice-free environments.
Keywords: crushed floating ice environment; oblique water-entry; water-entry experiment; cavity evolution; structure

在北极的复杂环境中，全球气候变暖致使海面上存在大量破碎浮冰，破碎浮冰的存在会影响结构物
的入水过程。首先，破碎浮冰会影响结构物入水时的能量传递，从而影响空泡演化过程；其次，结构物入
水时可能会与液面破碎浮冰发生碰撞，影响结构物的运动稳定性。因此，开展不同碎冰环境下结构物入
水实验研究，可为北极破碎浮冰环境作战的武器装备研制提供一定的理论依据。
随着无冰环境下入水问题研究成果的不断积累，以及对极地海洋入水设备快速发展的需求，越来越
多的学者着手开展了冰环境下结构物入水及出水问题研究。张润东等 [1] 基于任意拉格朗日-欧拉方法建
立了碎冰环境下的航行体高速入水流固耦合计算模型，研究发现，碎冰会影响航行体入水后的飞溅演
化。张军等 [2] 利用欧拉-拉格朗日耦合方法对射弹进行了流固耦合计算，发现流体应力会影响结构物运
动，不同冰体分布会造成弹体质心位移。闫雪璞 [3] 基于浮冰扰动下结构物入水流固耦合数值计算方法，
发现单块浮冰的存在会破坏空泡的对称性。蔡晓伟等 [4] 基于 LS-DYNA 软件研究了细长体穿越冰-水混
合物的出水流场，获得了接触和非接触 2 种工况下流场的主要特征并验证了该方法的适用性。杨哲等 [5]
利用数值模拟研究了不同冰孔孔径下圆柱体的入水运动过程，结果表明，冰孔通过改变自由液面的流动
情况进而影响表面喷溅，并且会约束空泡扩张。张东晓等 [6] 开展了冰孔约束条件下结构物倾斜入水实
验，并对比了不同速度的空泡演化特性，结果表明，空泡的长度和最大直径随着入水初速的提高而增大，
且局部冲击溃灭宽度增加。Lu 等 [7] 基于高速摄影技术开展了冰孔约束条件下圆柱体倾斜入水实验，发
现冰孔对空泡的扩张和闭合均有影响。Tang 等 [8] 开展了截锥形弹头以及平弹头穿过冰水混合物实验，
结果表明，2 种工况下空泡直径都会随弹体速度的增加而增大，并且结构物在撞击冰粒后会发生偏转。
[9]
Hu 等 基于重叠网格技术研究了结构物穿过水下冰洞时的空泡动力学特性，结果表明，结构物在穿过冰
洞时，空泡先缩小后膨胀，冰洞的存在影响了结构物周围空泡演化的速度。Wang 等 [10] 基于有限体积法
和重叠网格技术模拟了圆柱低速垂直进入无冰和冰水混合物的过程，发现空泡表面未闭合，导致空泡内

外压差发生变化。You 等 [11] 建立了碎冰分布场下高速航行体出水过程模型，通过与实验结果的对比得
出了碎冰环境对航行体出水过程的影响机理。Gao 等 [12] 基于流体体积多相流模型和重叠网格技术，对
不同间距的结构物和浮冰进行了数值模拟，结果表明，浮冰通过影响自由液面流体进而影响空泡演化。
张健宇 [13] 采用数值计算与实验相结合的方法，发现冰的存在破坏了出水空泡的形态，改变了出水过程的
载荷特性。张松等 [14] 结合重叠网格技术和接触耦合算法，发现碎冰的存在使得流场演化更加剧烈，改变
了空泡的演化过程和溃灭形式。
目前，对冰环境下结构物入水行为的研究主要集中在结构物的垂直入水和出水，并且大多数研究采
用简化后的浮冰场进行数值模拟分析。这些研究在一定程度上揭示了结构物与冰环境相互作用的基本
规律。然而，针对结构物在复杂浮冰环境下入水行为的研究相对较少，且现实中的浮冰场往往具有高度
的不规则性和动态变化性。基于此，为弥补现有研究的不足，本文中将通过模拟实际复杂浮冰环境，开
展不同破碎浮冰环境下结构物倾斜入水的实验研究。

1 实验设备

破碎浮冰环境下结构物倾斜入水实验系统如图 1 所示，主要由发射系统、高速摄像机、水箱以及照

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