Page 126 - 《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

力，并且其闭合过程相对对称，如图 6 所示。因此，破碎浮冰环境下的空泡闭合时间相比无冰环境下更
晚。并且在空泡闭合时，液面碎冰的移动和不规则分布导致空泡两侧的流体收缩不对称，最终使空泡的
闭合过程呈现非对称性。此外，δ=50% 和 δ=70% 工况下空泡迎水面均出现空泡局部溃散现象。由不同
深度处的空泡直径分析结果可知，结构物在穿越自由液面时，液面浮冰会阻碍空泡的扩张，而浮冰在挤
压空泡表面的同时会破坏空泡壁结构，从而导致空泡壁发生局部溃散。
从图 5(b) 可以看出，t=6.25 ms 时，δ=0% 工况的空泡已经开始溃灭，并在结构物运动方向产生指向
空泡内部的尾部射流，尾部射流出现的原因是，在空泡闭合时，其尾部会形成高压区，而空泡内部为相对
的低压区，两者之间会形成压力梯度差。随着空泡的不断溃灭，尾部高压区会沿着结构物的运动方向移
动。由于空泡内部为空气与水蒸气的混合物，当空泡溃灭一段时间后，空泡内部体积缩小，水蒸气浓度
升高。在高压区的影响下，水蒸气发生液化，最终出现尾部射流。此时，δ=30% 工况的空泡尾部开始收
缩闭合，而 δ=50% 和 δ=70% 工况的空泡在浮冰的影响下仍处于扩张阶段。

Reduced air Crushed-ice move Massive air
inflow in the opposite inflow
direction to the fluid Reflected flow

Free flow Impeded flow

图 6 不同入水条件下的流体特征
Fig. 6 Flow characteristics under different water-entry conditions

图 7 给出了空泡表面闭合阶段的空泡演化图像。从图 7(a) 可以看出，t=15.29 ms 时，δ=0% 工况的空
泡经历一段时间的溃灭后，于溃灭尾迹发生断裂。随着结构物的持续运动，尾部射流最终触及结构物的
头部，此时空泡头部的迎水面一侧出现明显的涨起现象。同时，整个空泡区域的图像呈现出暗淡的特
征。究其原因，当尾部射流到达结构物头部时，会导致空泡头部压力增大，进而空泡在压力作用下发生
局部断裂；尾部射流在向下运动的过程中会形成大量气液混合液滴，这些液滴会反射入射光线使得透射
光强度减弱，从而导致空泡区成像暗淡。t=15.29 ms 时，δ=30% 工况的空泡开始溃灭，在其尾部产生气泡
簇，并伴随局部冲击溃灭。此外，δ=50% 和 δ=70% 工况在迎水面空泡壁均出现褶皱。产生这一现象的原
因在于，结构物入水时，部分能量会转化为浮冰的动能。随着浮冰的滑移，其不断对周围流体产生扰动，
导致周围流体流动路径发生偏转，进而使得周围流体对空泡尾部造成无规则冲击，δ 增大时，液面碎冰数
量增加，加剧了周围流体对空泡壁的冲击，导致空泡表面失去了原有的光滑性，出现了空泡壁褶皱现
象。同时，δ=50% 工况呈现出空泡拉断的趋势，而 δ=70% 工况仍然处于空泡扩张阶段，本节中分析得到
破碎浮冰环境结构物的空泡闭合时间延迟，可知，随着 δ 的不断增大，空泡闭合越来越迟。这是由于，
δ 增大时，结构物周围的破碎浮冰数量增加，破碎浮冰对液面流体收缩的阻碍作用进一步增强，导致空泡
的闭合越来越迟。t=18.48 ms 时，δ=0% 工况空泡头部出现了明显的坍缩现象，空泡两侧以及尾部均出现
了小尺度的空泡团脱落。这是因为，尾部射流在到达空泡头部后受到空泡边界流体流动影响逐渐向下
游发展，同时空泡外侧的流体压力会导致空泡头部边界出现凹陷，随着结构物的持续运动，空泡的凹陷
越来越深，导致空泡在其尾部断开并形成小尺度的空泡脱落。δ=30% 工况的结构物在向下运动一段距
离后，溃灭尾迹与空泡拉断，空泡末端也出现了指向空泡内部的尾部射流。δ=50% 工况的空泡在自由液
面以下闭合，这是因为，随着结构物的运动，空泡的长度不断增加，空泡内部空气也随之向下流动，在空
泡外部大气压力与液体压力共同作用下，空泡发生闭合。而 δ=70% 工况的空泡仍未闭合，空泡尾部与外
部空气相连。
图 8 给出了空泡溃灭阶段的空泡演化图像，因 δ=0% 和 δ=30% 工况的空泡已完全溃灭，因此，对其
不再单独进行分析。当 t=29.47 ms 时，δ=50% 和 δ=70% 工况的空泡溃灭较慢。这是因为，空泡在闭合

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