Page 96 - 《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

展了高速射弹水平和倾斜入水多相流场及弹道变化特性研究，获取了攻角、尾翼、质心位置、初始扰动、
空化数、头型和入水速度对射弹空泡形态、尾拍运动特性、流场变化及弹道偏转特性的影响。
郭子涛等 [16] 利用轻气炮进行了截卵形弹在速度 100～150 m/s 的水平入水实验，获取了弹体水中运
动速度衰减规律，建立了关于空泡扩展的理论模型，实验和理论结果吻合很好。黄振贵等 [17] 进行了不同
速度下 90°锥头弹丸低速垂直入水试验，获取了空泡不同闭合方式和演变过程，及空泡壁面波动规律。
Chen 等 [18] 进行了楔形体高速入水试验研究（速度 110～180 m/s），发现空泡闭合时间与入水角成正比，入
水阻力受弹体结构形状影响，和结构长径比无关。Yao 等 [19] 进行了不同头型回转体航行器在不同速度、
角度下的入水试验，研究了头型、速度、角度等因素对航行体入水空泡演化的影响。郭子涛等 [20] 开展了
平头、截卵形和半球形等 3 种不同头型的柱形射弹在 100～300 m/s 速度范围内的水平入水试验，分析了
入水深度对空泡内外压差的影响规律。杨柳等 [21] 进行了超弹性球体入水空泡演化特性试验研究，分析
了球体剪切模量、入水速度及球体直径对入水空泡流动特性及球体变形行为的影响。华扬等 [22] 基于高
速摄影技术对 35°、40°、45°等不同切角及平头头型的航行体开展了不同入水角度下的低速入水实验，发
现非对称头型切角侧能有效促进空泡扩张从而形成不对称入水空泡。车沛錡 [23] 基于流场计算和固体求
解方法建立了弹性回转体高速入水双向流固耦合数值计算模型，对回转体入水的空泡流场变化、冲击载
荷及结构动态响应特性进行了研究。陈建良等 [24] 采用任意欧拉拉格朗日（arbitrary Euler-Lagrange, ALE）
流固耦合方法进行了大口径锥头弹体倾斜入水偏转特性数值模拟研究，分析了入水角度对弹体弹道偏
转的影响规律。Chen 等 [25] 进行了锥头弹体倾斜入水试验研究，详细分析了弹体受力和载荷变化特性，
结合模拟得到了不同入水速度、角度及攻角对锥头弹体水下弹道偏转的影响规律。
Yu 等 [26] 通过数值模拟研究了不同入水速度、角度对航行体入水空泡演化及流场的影响，相关结论
支撑高速入水多相流研究。Che 等 [27] 采用流固耦合方法研究了不同 Fr、入水角度及攻角对弹体高速入
水空泡演化、载荷变化及结构响应的影响特性。 Liu 等 [28] 采用欧拉多相流有限元方法模拟了弹体高速
入水运动过程，从空泡截面角度分析了空泡典型特征，发现空泡扩张与收缩时的不对称性与自由液面运
动及空泡闭合相关。 Seong 等 [29] 采用数值模拟方法研究了锥头、半球头及平头弹体高速入水时的非定
常空化流动特性，揭示了头部形状对入水流场压力分布、阻力系数及弹体运动等的影响机制。 Sui 等 [30]
通过实验和数值模拟研究了凹头弹体高速入水时的瞬态冲击载荷及流场变化特性，揭示了凹头弹体入
水流场压力峰值变化机制。Qi 等 [31] 采用数值模拟实验相结合的方法研究了横流对圆柱体入水空泡和流
动特性的影响。 Khabakhpasheva 等 [32] 针对锥形壳体撞击无黏性不可压缩无限深度液体的轴对称问题进
行了研究，分析了入水冲击阶段壳体的应变及流体动力载荷特性，发现只有当入水角极小时才可用圆板
近似锥壳。Xia 等 [33] 采用数值方法进行了不密封和密封空心圆柱高速入水研究，获取了空泡射流变化及

受力特性，并分析了壁厚对空心圆柱入水的影响规律。Fan 等 [34] 进行了不同环境下多尺度航行体入水空
泡演化及冲击载荷相似性研究，提出了大气压力-密度双参数调节修正方法，实现了小尺度模型试验对原
型空泡演化的精确预测。
上述研究虽涉及锥头弹体，但未系统分析双锥段结构对入水空泡闭合的调控作用。因此本文中针
对抨击自由液面后的双锥段弹体高速入水空泡演化特性展开研究，建立高速入水数值模型，通过试验对
该模型的准确性进行校核，获取入水空泡的演化过程，并对不同头型弹体高速入水运动进行了数值模
拟，得到头型对空泡轮廓变化的影响规律，以期对低阻高稳入水弹体头型的设计提供参考。

1 入水研究方法

弹体高速入水运动过程涉及水、空气和水蒸气的多相耦合作用，具有强瞬时性和非定常性，同时伴
随有湍流、空化、弹道偏转等复杂流动现象。基于重叠网格技术和有限体积法（volume of fluid，VOF）结
合多相流模型建立弹体高速入水数值模型，模型选取了雷诺平均 N-S 方法下的 Realizable k- ε 湍流模型
及 Schnerr-Sauer 空化模型，对流体控制方程进行数值离散后展开计算，由试验结果可以验证数值模型的
准确性。

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