Page 16 - 《爆炸与冲击》2026年第01期
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第 46 卷             李    尧，等： 结构体高速倾斜入水的尾拍载荷及姿态稳定性                               第 1 期

               suppressed, causing it to be in a brief state of rest.
               Keywords:  High-speed water entry; tail-slapping; tail rudder; the cavity collapse; the trajectory stability

                   跨介质结构体的高速入水过程涉及湍流、相变、高速射流、多相流相互作用等复杂的物理现象，具
                                                                                                    [1]
               有高度非定常、非线性的特点。在穿越水空界面瞬间结构体头部首先受到巨大的砰击载荷作用 ，在随
                                                      [2]
               后的入水过程中因姿态变化引起的尾拍现象 还会引起局部结构受到较大的水击载荷作用，由此诱发的
               抬头力矩可能影响结构体的入水稳定性。除主体结构外，附体在入水砰击、尾拍的作用下同样面临着结
               构承载过大的问题。因此，研究跨介质结构体在高速入水全过程中的尾拍载荷特性及入水结构体入水
               稳定性具有重要的科学及工程意义。
                   最早的入水研究起源于           19  世纪末   Worthington  等 [3]  对小球自由垂直下落撞击平板的实验。第二次
               世界大战以后工程化的需求牵引了针对高速入水领域的研究浪潮，May                               [4-5]  通过大量的物体入水试验总
               结并获得了典型结构体入水过程中广泛的动力学特性，加深了对高速入水空泡多相流、入水稳定性及载
               荷特性的理解。对入水砰击载荷的研究可以追溯到                         von Karman  等 [6]  提出的入水砰击压力理论方法。
               Wagner [7]  考虑了水面变形和喷溅厚度，发展了二维楔形体入水砰击压力理论模型。在随后的数十年里，
               学者们又相继提出了更具普适性的基于势流理论 、水弹性理论                              [9]  的求解入水砰击问题的方法。进入
                                                           [8]
               21  世纪以来，越来越多的学者通过模型试验和数值模拟方法研究入水过程中的砰击过载及入水稳定
               性。Yan   等 [1]  通过对  AUV  模型的高速倾斜入水的试验研究覆盖了                 48.9°～74.9°的入水角度，以       70 m/s 的
               速度  60°倾角入水时的砰击加速度达到               350g。袁绪龙等     [10-11]  的研究发现跨介质入水结构体预置舵角引
               起的入水姿态偏转产生的周期性法向过载可达轴向的                         2.7  倍，威胁入水结构体的结构安全。张伟等                [12]  开
               展了平头、卵形和截卵形结构体的高速入水试验研究，发现头部越锐利越容易发生入水姿态的偏转。
               Shi 等  [13]  利用  ALE  法开展了不同头型的入水结构体高速入水的数值计算研究，结果表明头型、入水速度
               和倾角对砰击压力峰值和过载值均有显著影响。Chen                       等 [14]  和  Sui 等 [15]  对不同头型的入水结构体模型高
               速入水试验研究定量地揭示了砰击载荷峰值随入水速度、头型的变化规律。Liu                                    等 [16]  利用自有开发的
               浸没边界法模拟了高速入水过程中的尾拍过程，结果表明入水结构穿越自由表面时产生的俯仰力矩是
               导致尾拍形成的主要原因，尾拍导致的巨大载荷和弯矩严重威胁结构的安全性。尤其在需要入水后的
               转平阶段，尾拍的影响更加不可忽视                [17] 。然而，这种尾拍载荷并非一直有害，有时可以利用增加尾裙的
               方式充分利用尾拍时的水动升力提高转平效率                     [18] 。
                   综上所述，对结构体高速入水的研究已经取得了长足的进步。大部分针对高速入水载荷的研究主
               要集中在入水初期，对入水结构体自空泡形成至空泡夹断收缩、溃灭过程中的多次尾拍现象及其载荷特
               性的研究较少。目前，直径            200 mm  以上的大尺度入水结构体模型高速入水全过程的尾拍形态及载荷特
               征较难通过试验直接获取，且尾拍过程的高度非线性使其难以通过相似理论直接推导获得。因此，借助
               于数值方法计算实尺度模型高速入水尾拍全过程成为了研究该类问题的关键途径。为此，本文参考美
               国  SUBROC  火箭  [19]  设计一种带附体尾舵的入水结构体，开展对该结构体在高速入水过程中的多次尾拍
               现象及载荷特性、入水结构体入水稳定性的研究：构建基于                          VOF（volume of fluid）多相流方法的入水全过
               程的高精度数值模型，通过对不同工况下入水结构体入水空泡发展全过程的数值模拟，研究入水结构体
               的多重尾拍现象及载荷特性，探索入水倾角对入水砰击载荷以及入水稳定性的影响机制，尤其关注入水
               过程中尾舵的载荷特性，以期为高速入水尾拍载荷研究提供支撑。

                1    数值模拟方法

                1.1    物理模型及基本方程

                   跨介质入水结构体高速入水涉及水-气-汽三相流及其与结构的相互作用，是一个非定常、高度非线
               性  的  物  理  过  程  。  采  用  VOF  多  相  流  模  型  进  行  水  - 气  - 汽  三  向  流  动  的  界  面  捕  捉  及  特  征  模  拟  ， 空  化  模  型  为
               Schnerr-Sauer 模型，流体域求解的控制方程基于不可压缩流动的质量、动量控制方程：



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