Page 128 - 《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

速大的地方压强小，因此，在压力差的作用下，结 δ=0%
构物周围的流体动能逐渐转化为流体压力势能。 80 δ=30%
δ=50%
随着结构物的持续运动，空泡长度持续增加，流 δ=70%
60
体的径向扩张速度逐渐减小为零，在空泡外部环
境 压 力 作 用 下 ， 流 体 开 始 反 向 运 动 ， 即 空 泡 收 D/mm 40
缩。由于空泡内部气体分布不均，并且随着入水 52 74
50
深度的增加，空泡外部的流体压力越来越大，空 20 D/mm 48 D/mm 72
70
泡内部的气体压力无法平衡外部环境压力，使得 46 68
0 3.6 3.8 4.0 6.0 6.4 6.8
空泡不同壁面处流体径向运动速度不同，因此， t/ms t/ms
2 3 4 5 6 7
出现空泡颈缩现象，且随着时间的推移，空泡颈
t/ms
缩区域逐渐收缩变窄，最终发生夹断现象。
图 9 不同工况下的空泡直径变化曲线
为进一步探究破碎浮冰环境对入水空泡的
Fig. 9 Variation curves of cavity diameter
影响，选择测量 100 mm 水深处的空泡直径（D）
under different working conditions

并进行定量分析。图 9 给出了水下 100 mm 处空
泡 直 径 随 时 间 的 变 化 曲 线 。 从 图 9 可 以 看 出 ， 1 000 660
δ=0% 工况的空泡直径呈现先增大后减小的趋 L/mm 650
800 640
势，而其他 3 个工况则表现出持续增长的趋势。 9.8 10.2 10.6
t/ms
这是因为，δ=0% 工况在 t=3.20 ms 时空泡尾部就 600 δ=0%
δ=30%
出现了收缩现象，空泡扩张速率减慢，待空泡表 L/mm 400 δ=50%
δ=70%
面闭合后，在压力作用下，空泡会随着结构物的
200
运动逐渐收缩拉长，空泡直径减小。而其他 3 个
工况则受破碎浮冰的影响，导致空泡的闭合并未 0
在该时间段内发生，空泡直径呈现出一直增大的 0 5 10 15 20
趋势。同时，δ=0% 工况在结构物入水前期空泡 t/ms
直径是最大的，随着 δ 的增大，空泡直径越来越 图 10 不同工况下的空泡长度变化曲线
小。当 t=6.4 ms 时，δ=30% 工况空泡尾部收缩， Fig. 10 Variation curves of cavity length
因此，空泡直径增长速率减小，此外，δ=70% 工况 under different working conditions
的空泡直径最大。图 10 为不同工况下空泡长度
60 δ=0%
（ L） 的 变 化 曲 线 ， 从 图 10 可 以 看 出 ， δ=0% 与 δ=30%
δ=50%
δ=30% 工况曲线变化趋势相似，均呈现先增大后 55 δ=70%
减小的趋势；而 δ=50% 与 δ=70% 工况曲线呈持 50
续增长趋势。并且在碎冰工况中，δ=30% 工况 v/(m·s −1 ) 45
在 t=10.00 ms 前的空泡长度最大，这是因为，液
面碎冰会扰动结构物入水点周围的流体，使得结 40
构物入水时的流体阻力增大，进而能量消耗增 35
加。随着碎冰数量的增加，结构物需克服更大的
30
流动阻力，这会消耗部分用于空泡扩张的能量。 0 2 4 6 8 10
t/ms
图 11 给出了不同工况下的速度衰减曲线。
从图 11 可以看出，δ=50% 与 δ=70% 工况结构物 图 11 不同工况下的结构物速度变化曲线
速度衰减曲线相近，并且在结构物入水时的速度 Fig. 11 Velocity decay curves of the structure
under different working conditions
衰减幅度较大，随后为 δ=30% 工况，δ=0% 工况
速度衰减幅度最小。结合本文中对空泡直径和空泡长度变化曲线的分析，可以推断液面碎冰是导致结
构物速度大幅衰减的主要原因。而液面碎冰数量越多，结构物转移的动能越多，速度衰减幅度越大。随
着结构物速度的衰减，流体阻力也会随之减小，因此，速度衰减速率减小。

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