Page 95 - 《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

入水运动过程涉及水、空气和水蒸气的多相流动作用，入水瞬间流场介质发生突变，伴随有湍流、空化
等复杂流动现象，同时空气和水介质在密度、黏度等特性上存在巨大差异，导致入水过程具有强瞬时性
和非定常性，入水时弹体表面也会受到强烈的流体作用力。
入水过程中弹体将部分动能传递给附近的流体从而使流体产生径向向外的流动，在弹体表面发生
空化现象形成空泡，空泡经历初生、发展、闭合、脱落溃灭的过程，影响弹体运动姿态偏转，同时引起流
场环境复杂变化。入水空泡的发展演化会影响弹体水下弹道稳定性，空泡脱落溃灭引起弹体表面出现
沾湿现象，沾湿面积非对称变化时，会导致弹体受力不均，从而弹道偏转，运动稳定性受到影响。因此针
对抨击自由液面弹体跨介质高速入水后的空泡演化特性展开研究，获取不同头型对空泡轮廓和流场变
化的影响规律，为弹形优化设计、水下弹道增稳提供支撑，具有重要意义。
有关入水问题的研究主要通过理论分析、数值模拟和试验验证的方法展开，入水空泡流动特性的研
究最初基于势流理论开展，忽略流体黏性影响后得到了超空泡的形态及升阻力计算公式。而由于入水
空泡的形成及其形态发展是一个复杂的多相流变化过程，空泡形态及喷溅特性受弹体头型、初始入水速
度、角度、自由液面表面张力等众多因素影响，且实际空泡中存在明显的气液交界面及高雷诺数的湍流
特征，流场变化复杂，空泡发展涉及一系列的动力学难题，通过直接求解势流理论方程无法准确描述入
水空泡的发展演化特性。因此现阶段针对入水空泡的研究主要集中在数值模拟和试验方法上。数值模
拟研究方面，主要包括 2 类方法：一类是基于流体势流理论的计算方法，主要包括 Logvinovich 空泡截面
独立膨胀原理和边界元方法；另一类是基于求解 Navier-Stokes 方程的计算流体动力学方法。数值模拟
可以获取试验难以测试的空泡流场内部压力、速度、涡量场变化等细节，得到更全面的水下空泡流场变
化信息。由数值模拟弹体入水运动过程，结合入水试验结果，共同预测空泡演变过程。

针对运动体入水问题，国内外学者进行了诸多研究。Worthington 等 [1] 采用闪光照相技术观察了小
球垂直落入不同液体时的空泡形态变化及液滴喷溅等现象，研究了入水速度、小球表面状态及液体密度
[2]
黏度特性对喷溅的影响，之后入水研究大量开展。Logvinovich 基于能量守恒定律推导提出了空泡截面
独立膨胀原理，其主要思想是，在单个独立的空泡截面内空泡的扩张收缩独立于弹体之前或之后的运动
轨迹，只与无穷远处压力及空泡内部压力、运动体速度及阻力系数等有关；Duclaux 等 [3] 基于气泡平衡理
论，推导了入水空泡半径随时间变化的数学模型，并基于该模型数值计算了球体和圆柱体的入水空泡形
态，与试验结果吻合较好。Grumstrup 等 [4] 对不同表面粗糙度的球体低速入水空泡形态展开了试验研究，
发现空泡波动与空泡的长度及深闭合时产生的压力脉冲相关。Yan 等 [5] 针对低弗劳德数（Fr＜10）条件
下的入水空泡问题，基于匹配渐近线法和势流理论分别推导了描述空泡形态变化的数学模型，2 种模型
的计算结果吻合较好，同时开展了球体自由落体试验验证了计算结果。Truscott 等 [6] 对旋转球体入水空
[7]
泡形态变化进行了研究，发现旋转球体入水的空泡和飞溅是非对称的。Belden 等 研究了弹性小球跳水
过程中的空泡特性，结合数值方法，对弹性小球的跳水机理进行了分析。
[8]
国内方面，张伟等 开展了在 35～160 m/s 速度条件下平头、卵形和截卵形弹体的入水试验，分析了
入水空泡形态和弹道变化特性，发现平头弹体入水弹道稳定性较好。何春涛等 [9] 进行了 140°锥头圆柱
形弹体垂直和倾斜入水试验研究，分析了入水空泡的生成、发展、闭合现象，发现入水速度影响空泡闭
合方式。施红辉等 [10-11] 进行了细长体高速入水试验研究，通过高速摄像清晰记录了细长体入水撞击自
由液面瞬间及空泡演变情况，获得了头型、入水速度及角度对空泡演变及液面稳定性的影响，并开展了
不同头型钝体在不同速度下倾斜、垂直入水试验研究，获取了头型、速度对入水空泡形态发展的影响特
性。杨衡等 [12] 进行了圆头、90°、120°和 150°锥角不同头型的弹体低速入水时入水速度和角度对空泡形
态及弹道稳定性的影响，发现圆头弹体入水时不易形成开空泡且弹道稳定性最差。马庆鹏等 [13] 针对球
体垂直入水问题展开了实验研究，分析了入水速度及表面沾湿状态对空泡演化的影响特性，发现球体表
面沾湿对入水空泡形成具有抑制作用。施瑶 [14] 进行了回转体型航行器高速入水空泡演变、冲击载荷特
性及缓冲防护技术方面的研究，结合入水冲击试验测试，获得了航行体头型、入水速度、入水攻角、壳体
厚度等对空泡形态、冲击载荷及结构响应的影响规律。赵成功 [15] 采用理论、模拟和试验结合的方法开

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