Page 123 - 《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

明系统组成。水箱尺寸为 6.7 m×2.5 m×2.0 m，为便于高速摄像机拍摄，水箱前后两侧均为钢化玻璃，水
箱底部布置接弹板，实验前水箱内的注水高度为 1.3 m。发射系统主要由轻气炮发射装置、角度调节器、
储气装置、高压氮气瓶和发射控制装置组成；发射装置由一根内径为 8 mm，长度约 2.1 m 的钢制身管制
成，通过改变储气装置的初始压力获得不同的初始发射速度；发射控制装置由电磁击发装置和电磁气阀
组成，可用于记录结构物发射时的气压，并负责结构物的击发和高速摄像机的时序控制。角度调节器固
定在支撑架上，可通过液压装置使其绕轴旋转，以达到调节发射角度的目的。在水箱前侧布置高速摄像
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机，其图像采集帧率为 7 200 s 。水箱的背面布置照明系统，在灯板与水箱中间设置柔光屏，用于提升拍
摄画面的质量。拍摄范围内布置有 50 mm×50 mm 坐标纸，用于实验测试结果的校准。

8 mm
40 cm
Experimental projectile
60 mm
Launch device
Crushed-ice area LED light panel

Tank

High-pressure High-speed
nitrogen cylinder camera Strike and pressure
Operating platform Computer monitoring divice

图 1 实验系统示意图
Fig. 1 Schematic diagram of the experimental system

实验所采用的结构物模型为平头圆柱体结构物，结构物全长 L=60 mm，直径 D=8 mm，材料为钢。为
更好地探究浮冰对结构物入水运动过程及空泡演化的影响，选取聚丙烯板并且在其内部截去 400 mm×
400 mm 的方孔用以放置浮冰，该聚丙烯板与水箱内部宽度相同以限制其滑移，从而减小浮冰移动所带
来的实验误差。将纯净水注入不同大小的制冰模具中进行冷冻处理，制冰模具由不锈钢焊接而成，深度
为 20 mm，水平尺寸分别为 510 mm×100 mm、510 mm×160 mm 及 510 mm×230 mm，通过面积计算得到不
同的碎冰覆盖密度的工况。定义 δ=S/S ×100%，其中 S 为破碎浮冰覆盖面积，S 为方孔的面积，如图 2 所
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示。利用上述实验装置开展 δ 取值为 0%、30%、50% 和 70% 下结构物倾斜入水实验。为确保实验结果
的可靠性，获取有效的实验数据结果，对每个工况均进行至少 3 次实验。

2 100 mm

400 mm

400 mm 1 000 mm
S 0
δ=0% δ=30%

S

δ=50% δ=70%

图 2 破碎浮冰工况示意图
Fig. 2 Schematic diagrams of different crushed floating ice conditions

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