Page 125 - 《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

为进一步分析碎冰环境对空泡演化的影响，对比分析了水深为 50 和 100 mm 处不同 δ 的空泡直
径。从图 4(b) 可以看出，相比 δ=0% 工况，δ=30%、δ=50% 和 δ=70% 工况的空泡直径分别减小了 5.67%、
7.66% 和 10.01%。从上述分析可知，碎冰抑制了空泡的扩张，导致空泡直径减小。与无冰工况相比，破
碎浮冰环境下结构物入水时，液面碎冰会阻碍能量的有效传递，使得空泡扩张的部分能量转化为浮冰的
动能。此外，由于破碎浮冰对流体流动的阻碍作用，结构物周围流体的扩散速率降低，导致结构物刚入
水时所形成的空泡扩张速度较小。由此可知，破碎浮冰环境对空泡的扩张行为产生了显著影响。究其
原因，是在破碎浮冰环境中，空泡扩张过程会受到自由液面碎冰的限制，从而导致相同水深条件下空泡
直径减小。同时，空泡直径随着 δ 的增大而减小。这是因为，随着 δ 的增大，自由液面上的破碎浮冰数量
增多，这些破碎浮冰对能量传递以及流体流动的阻碍作用进一步增强，导致 50 mm 水深处的空泡直径随
着 δ 的增大而减小。在水深 100 mm 处，与 δ=0% 工况相比，δ=30%、δ=50% 和 δ=70% 工况的空泡直径分
别减小 0.80%、1.50% 和 3.98%。这表明浮冰对结构物空泡扩张的影响逐渐减弱。根据空泡截面独立扩
张原理可知：空泡的扩张只取决于物体通过截面瞬间的速度、阻力和结构物的大小以及无限远处与空泡
内的压力差，与空化物体在该时刻之前或之后的运动几乎无关。因此，破碎浮冰环境仅影响自由液面处
的空泡扩张，并且随着 δ 的增加，破碎浮冰对空泡扩张的阻碍作用逐渐增强。
图 5 给出了不同工况下结构物入水的空泡演化图像。从图 5(a) 可以看出，当 t=3.20 ms 时，δ=0% 工
况中空泡尾部在表面张力及环境压力的作用下开始收缩，且迎水面空泡壁轮廓弯曲较大；而 δ=30% 工况
中空泡壁平直光滑，空泡仍处于扩张阶段。由此可见，破碎浮冰环境延迟了空泡的表面闭合时间。这是
因为，自由液面处的破碎浮冰由于入水冲击而获得一定的动能，而碎冰较大的惯性使其保持远离空泡运
动的趋势，因而破碎浮冰的运动方向与空泡尾部流体收缩的方向相反，这极大地延长了空泡的扩张时
间；与此同时，外部的空气不断流入空泡，空泡内部空气总量增多，导致空泡内部的压力增大，进而空泡
尾部与外界环境压力差减小，这会进一步导致空泡表面闭合延迟。而在无冰环境下，由于液面流体没有
受到外部干扰，空泡尾部可以顺畅地向内收缩，因而空气流入总量少，空泡尾部压力远低于外部环境压

Tail
contraction Flat wall Partial Partial
collapse collapse

δ=0% δ=30% δ=50% δ=70%
(a) t=3.20 ms

Tail Tail
collapse contraction

Tail jet

δ=0% δ=30% δ=50% δ=70%
(b) t=6.25 ms
图 5 空泡收缩阶段的空泡演化图像
Fig. 5 Cavity evolution in the cavity contraction stage

053401-5