Page 102 - 《爆炸与冲击》2026年第11期

第 46 卷 李 腾，等： 头部锥角对弹体高速入水流场变化特性的影响 第 11 期

型的有效性和准确性。试验弹体入水速度为 110 m/s，攻角为 0°，90°着角垂直入水。相机拍摄及数值模
拟得到弹体入水运动 1.25 m 水深时的空泡图像分别见图 7(a)～(b)，提取空泡轮廓对比可知，在同一时刻
下，试验和数值模拟得到的弹体入水空泡整体吻合较好，试验拍摄得到的空泡长度和宽度略大于数值模
拟的，误差在可接受范围内，初步验证了数值模型的有效性。

Test
Simulation

(a) Test cavitation (b) Simulated cavitation (c) Comparison of cavitation contours
图 7 水深 1.25 m 时试验和数值模拟空泡对比
Fig. 7 Comparison of cavitations between test and simulation at a water depth of 1.25 m

为了进一步验证所建立入水数值模型的准确性，详细对比试验和数值模拟结果，对弹体高速垂直入
水运动过程进行分析，揭示弹体入水后不同阶段的空泡发展演化规律。试验中弹体经电磁发射装置加
载后入水，依次经历出筒、空气中运动、入水、水中运动及触底减速运动阶段，高速相机拍摄的弹体入水
运动全过程如图 8 所示，以弹体入水瞬间作为零时刻。
试验后分析高速摄影结果得到弹体垂直入水速度约 110 m/s，弹体出筒后需先经历一段空气中运动
再入水，入水后弹体表面形成空泡，同时在自由液面引起喷溅，约 6.4 ms 弹体完全入水，之后空泡继续扩
张，其长度和宽度均快速增长。约 15.6 ms 时，弹体入水运动约 1.73 m 后，尾空泡发生面闭合，之后尾空
泡长度进一步增大，而宽度逐渐变小，弹体运动消失在视野后，尾空泡逐渐衰减直至完全溃灭。可观察
区域内弹体一直处于被空泡完全包裹的超空化状态，运动姿态良好，弹道竖直向下保持稳定。
对高速摄像获取的结果进一步分析，得到弹体入水运动后位移和速度的时程曲线如图 9 所示。由图 9
可知，弹体入水后运动了约 27 ms，向下运动了 2.84 m，速度衰减了 6.1 m/s。
对试验弹体入水运动过程图像进一步分析，得到了空泡的总长度变化和空泡末端向下运动的位移
变化如图 10 所示。其中空泡长度变化图像的零时刻定义为弹体头部触水时刻；空泡末端向下运动位移
变化图像的零时刻定义为尾空泡发生面闭合的时刻。由图 10 可知，空泡长度随着弹体向下运动不断增
大，增长速度较为线性，从弹体入水约 27 ms 后，空泡长度增加至 2 740 mm，后半段空泡长度的增长速率
呈下降趋势；空泡闭合后，空泡末端向下朝着追赶弹体尾部的方向运动，末端速度逐渐升高，空泡末端到
达的位置越深，运动速度越高，空泡衰减脱落的程度越强。
选择不同时刻下的弹体入水运动图像，处理得到弹体表面空泡轮廓变化如图 11 所示。弹体头部触
水时刻定义为零时刻。入水初期，随着弹体向下运动，空泡长度、宽度均增大。入水运动过程中空泡最
大宽度出现的位置也不断变深，逐渐远离水面，水面处空泡宽度呈现先增大后减小的趋势，空泡面闭合
后，长度继续增大，最大宽度逐渐减小。
在数值模拟中，弹体入水速度设置为 110 m/s，入水后作六自由度运动，计算得到弹体入水运动流场
相云图变化如图 12 所示。仍以弹体头部触水时刻作为零时刻，观察到约 16 ms 时弹体尾空泡已经发生

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