破碎浮冰環(huán)境下結(jié)構(gòu)物傾斜入水空泡演化特性實(shí)驗(yàn)研究

中圖分類號(hào)：O354;TJ012.3 國(guó)標(biāo)學(xué)科代碼：13025 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Abstract：Toinvestigate the influenceof thedensityofcrushed iceregiononthecavityevolutionofastructure，anoblique water-entry experiment of the structure was conducted byhigh-speed photography technology under different crushed ice cover densities.Moreover，bycomparing the water-entryprocess oftheoblique structure in varying densities ofcrushed ice cover，the influenceofcrushedicecoverdensityoncavityevolution duringtheoblique water-entryprocessofthestructure was obtained.Results indicate that during the cavity expansion， the presence of crushed ice reduces the cavity diameter by impedingtheoutward expansionof thefluidnear thefreesurface，compared withtheice-freeenvironment.Whenthecavity closes，crushedicealsoimpedes theinwardcontractionof thefreesurfacefluidand prolongs thecavity expansiontime.The augmentationinthetotal volumeofairwithin thecavityresultsina decrementof the pressure diferentialbetweentheinside andoutsideofthecavity，ultimately leading toaretardation inthecavityclosuretime.Inconditions of lowercrushed ice densities，jetspointtotheinteriorof thecavitywhenthecavitycoapses.Asthecoveragedensityofcrushedicegradual increases，the impedance exerted by the crushed ice on the inward contraction of fluid at the free surface progressively intensifies.This enhancedobstruction fromthe crushedice further prolongs thecavityclosure time andconcurrntlyaugments itslengthand maximumdiameter.Besides，underconditionsofhighercrushedicecoverdensities，thecavitywallis wrinkled by the irregular impact of thefluid. As the submerged depth of the structure increases，the cavity undergoes a dep necking underthe influenceof ambient pressure.As thecoverage densityof crushed ice gradually increases，thevelocity of the underwater motion of the structure shows a trend offaster decay compared with those in ice-free environments.

Keywords：crushed floating ice environment； oblique water-entry； water-entryexperiment；cavityevolution；structure

在北極的復(fù)雜環(huán)境中，全球氣候變暖致使海面上存在大量破碎浮冰，破碎浮冰的存在會(huì)影響結(jié)構(gòu)物的入水過程。首先，破碎浮冰會(huì)影響結(jié)構(gòu)物人水時(shí)的能量傳遞，從而影響空泡演化過程；其次，結(jié)構(gòu)物入水時(shí)可能會(huì)與液面破碎浮冰發(fā)生碰撞，影響結(jié)構(gòu)物的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性。因此，開展不同碎冰環(huán)境下結(jié)構(gòu)物入水實(shí)驗(yàn)研究，可為北極破碎浮冰環(huán)境作戰(zhàn)的武器裝備研制提供一定的理論依據(jù)。

隨著無冰環(huán)境下人水問題研究成果的不斷積累，以及對(duì)極地海洋入水設(shè)備快速發(fā)展的需求，越來越多的學(xué)者著手開展了冰環(huán)境下結(jié)構(gòu)物人水及出水問題研究。張潤(rùn)東等基于任意拉格朗日-歐拉方法建立了碎冰環(huán)境下的航行體高速入水流固耦合計(jì)算模型，研究發(fā)現(xiàn)，碎冰會(huì)影響航行體人水后的飛濺演化。張軍等[2利用歐拉-拉格朗日耦合方法對(duì)射彈進(jìn)行了流固耦合計(jì)算，發(fā)現(xiàn)流體應(yīng)力會(huì)影響結(jié)構(gòu)物運(yùn)動(dòng)，不同冰體分布會(huì)造成彈體質(zhì)心位移。閆雪璞[3基于浮冰擾動(dòng)下結(jié)構(gòu)物入水流固耦合數(shù)值計(jì)算方法，發(fā)現(xiàn)單塊浮冰的存在會(huì)破壞空泡的對(duì)稱性。蔡曉偉等[4]基于LS-DYNA軟件研究了細(xì)長(zhǎng)體穿越冰-水混合物的出水流場(chǎng)，獲得了接觸和非接觸2種工況下流場(chǎng)的主要特征并驗(yàn)證了該方法的適用性。楊哲等[5]利用數(shù)值模擬研究了不同冰孔孔徑下圓柱體的入水運(yùn)動(dòng)過程，結(jié)果表明，冰孔通過改變自由液面的流動(dòng)情況進(jìn)而影響表面噴濺，并且會(huì)約束空泡擴(kuò)張。張東曉等[6]開展了冰孔約束條件下結(jié)構(gòu)物傾斜入水實(shí)驗(yàn)，并對(duì)比了不同速度的空泡演化特性，結(jié)果表明，空泡的長(zhǎng)度和最大直徑隨著入水初速的提高而增大，且局部沖擊潰滅寬度增加。Lu等基于高速攝影技術(shù)開展了冰孔約束條件下圓柱體傾斜入水實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)冰孔對(duì)空泡的擴(kuò)張和閉合均有影響。Tang等[8開展了截錐形彈頭以及平彈頭穿過冰水混合物實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，2種工況下空泡直徑都會(huì)隨彈體速度的增加而增大，并且結(jié)構(gòu)物在撞擊冰粒后會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)。Hu 等[基于重疊網(wǎng)格技術(shù)研究了結(jié)構(gòu)物穿過水下冰洞時(shí)的空泡動(dòng)力學(xué)特性，結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)物在穿過冰洞時(shí)，空泡先縮小后膨脹，冰洞的存在影響了結(jié)構(gòu)物周圍空泡演化的速度。Wang 等[]基于有限體積法和重疊網(wǎng)格技術(shù)模擬了圓柱低速垂直進(jìn)人無冰和冰水混合物的過程，發(fā)現(xiàn)空泡表面未閉合，導(dǎo)致空泡內(nèi)外壓差發(fā)生變化。You等[1]建立了碎冰分布場(chǎng)下高速航行體出水過程模型，通過與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比得出了碎冰環(huán)境對(duì)航行體出水過程的影響機(jī)理。Gao等[12]基于流體體積多相流模型和重疊網(wǎng)格技術(shù)，對(duì)不同間距的結(jié)構(gòu)物和浮冰進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果表明，浮冰通過影響自由液面流體進(jìn)而影響空泡演化。張健宇[13]采用數(shù)值計(jì)算與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，發(fā)現(xiàn)冰的存在破壞了出水空泡的形態(tài)，改變了出水過程的載荷特性。張松等[結(jié)合重疊網(wǎng)格技術(shù)和接觸耦合算法，發(fā)現(xiàn)碎冰的存在使得流場(chǎng)演化更加劇烈，改變了空泡的演化過程和潰滅形式。

目前，對(duì)冰環(huán)境下結(jié)構(gòu)物入水行為的研究主要集中在結(jié)構(gòu)物的垂直人水和出水，并且大多數(shù)研究采用簡(jiǎn)化后的浮冰場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬分析。這些研究在一定程度上揭示了結(jié)構(gòu)物與冰環(huán)境相互作用的基本規(guī)律。然而，針對(duì)結(jié)構(gòu)物在復(fù)雜浮冰環(huán)境下入水行為的研究相對(duì)較少，且現(xiàn)實(shí)中的浮冰場(chǎng)往往具有高度的不規(guī)則性和動(dòng)態(tài)變化性。基于此，為彌補(bǔ)現(xiàn)有研究的不足，本文中將通過模擬實(shí)際復(fù)雜浮冰環(huán)境，開展不同破碎浮冰環(huán)境下結(jié)構(gòu)物傾斜入水的實(shí)驗(yàn)研究。

1實(shí)驗(yàn)設(shè)備

破碎浮冰環(huán)境下結(jié)構(gòu)物傾斜入水實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示，主要由發(fā)射系統(tǒng)、高速攝像機(jī)、水箱以及照明系統(tǒng)組成。水箱尺寸為 ，為便于高速攝像機(jī)拍攝，水箱前后兩側(cè)均為鋼化玻璃，水箱底部布置接彈板，實(shí)驗(yàn)前水箱內(nèi)的注水高度為 。發(fā)射系統(tǒng)主要由輕氣炮發(fā)射裝置、角度調(diào)節(jié)器、儲(chǔ)氣裝置、高壓氮?dú)馄亢桶l(fā)射控制裝置組成；發(fā)射裝置由一根內(nèi)徑為 ，長(zhǎng)度約 的鋼制身管制成，通過改變儲(chǔ)氣裝置的初始?jí)毫Λ@得不同的初始發(fā)射速度；發(fā)射控制裝置由電磁擊發(fā)裝置和電磁氣閥組成，可用于記錄結(jié)構(gòu)物發(fā)射時(shí)的氣壓，并負(fù)責(zé)結(jié)構(gòu)物的擊發(fā)和高速攝像機(jī)的時(shí)序控制。角度調(diào)節(jié)器固定在支撐架上，可通過液壓裝置使其繞軸旋轉(zhuǎn)，以達(dá)到調(diào)節(jié)發(fā)射角度的目的。在水箱前側(cè)布置高速攝像機(jī)，其圖像采集幀率為 。水箱的背面布置照明系統(tǒng)，在燈板與水箱中間設(shè)置柔光屏，用于提升拍攝畫面的質(zhì)量。拍攝范圍內(nèi)布置有 坐標(biāo)紙，用于實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果的校準(zhǔn)。

實(shí)驗(yàn)所采用的結(jié)構(gòu)物模型為平頭圓柱體結(jié)構(gòu)物，結(jié)構(gòu)物全長(zhǎng) ，直徑 ，材料為鋼。為更好地探究浮冰對(duì)結(jié)構(gòu)物入水運(yùn)動(dòng)過程及空泡演化的影響，選取聚丙烯板并且在其內(nèi)部截去 的方孔用以放置浮冰，該聚丙烯板與水箱內(nèi)部寬度相同以限制其滑移，從而減小浮冰移動(dòng)所帶來的實(shí)驗(yàn)誤差。將純凈水注入不同大小的制冰模具中進(jìn)行冷凍處理，制冰模具由不銹鋼焊接而成，深度為 ，水平尺寸分別為 、 及 ，通過面積計(jì)算得到不同的碎冰覆蓋密度的工況。定義 $＼delta { = } S / S _ { 0 } { ＼times } 1 0 0 ＼%$ ，其中 s 為破碎浮冰覆蓋面積， 為方孔的面積，如圖2所示。利用上述實(shí)驗(yàn)裝置開展 δ 取值為 0 % 、 30 % 、 50 % 和 70 % 下結(jié)構(gòu)物傾斜入水實(shí)驗(yàn)。為確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性，獲取有效的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果，對(duì)每個(gè)工況均進(jìn)行至少3次實(shí)驗(yàn)。

2碎冰環(huán)境下結(jié)構(gòu)物入水空泡演化特性分析

實(shí)驗(yàn)工況如圖3所示，其中結(jié)構(gòu)物以 的初速入水，且入水角均為 ，將結(jié)構(gòu)物與水面接觸的瞬間定義為 。此外，為便于分析人水過程，以結(jié)構(gòu)物軸線為分界線，軸線右側(cè)為背水面，軸線左側(cè)為迎水面。

不同工況下結(jié)構(gòu)物人水空泡擴(kuò)張過程如圖4所示。從圖4（a）可以看出， 時(shí)，4種工況下結(jié)構(gòu)物入水時(shí)均出現(xiàn)了向右的入水噴濺，8 % 工況下，背水面噴濺呈彎曲的短弧形與液面相接，并且噴濺相對(duì)集中；而 8 % 和 7 0 % 工況下，背水面噴濺呈無規(guī)則狀且較分散。究其原因，一方面，是因?yàn)橐好娓”鶗?huì)阻礙液體的飛

濺，導(dǎo)致破碎浮冰環(huán)境只有一小部分液體形成噴濺；另一方面，由于結(jié)構(gòu)物入水產(chǎn)生擾動(dòng)，自由液面上的小塊碎冰會(huì)有一部分向上運(yùn)動(dòng)，而另一部分則從浮冰體間的間隙中飛出，從而造成噴濺分散現(xiàn)象。 時(shí)，背水面噴濺逐漸向上運(yùn)動(dòng)， 8 % 工況形成了一條狹長(zhǎng)的弧形噴濺，而其他3個(gè)工況則隨著δ 的增大，背水面噴濺愈加分散。這是因?yàn)椋S著 δ 的增大，自由液面處破碎浮冰數(shù)量增多，同時(shí)結(jié)構(gòu)物入水沖擊造成了更多的破碎浮冰向上運(yùn)動(dòng)，最終導(dǎo)致背水面噴濺越來越分散。

為進(jìn)一步分析碎冰環(huán)境對(duì)空泡演化的影響，對(duì)比分析了水深為50和 處不同 δ 的空泡直徑。從圖4（b）可以看出，相比 8 % 工況， 8 % 、 8 % 和 8 % 工況的空泡直徑分別減小了 5 . 6 7 % ，7 . 6 6 % 和 1 0 . 0 1 % 。從上述分析可知，碎冰抑制了空泡的擴(kuò)張，導(dǎo)致空泡直徑減小。與無冰工況相比，破碎浮冰環(huán)境下結(jié)構(gòu)物入水時(shí)，液面碎冰會(huì)阻礙能量的有效傳遞，使得空泡擴(kuò)張的部分能量轉(zhuǎn)化為浮冰的動(dòng)能。此外，由于破碎浮冰對(duì)流體流動(dòng)的阻礙作用，結(jié)構(gòu)物周圍流體的擴(kuò)散速率降低，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)物剛?cè)胨畷r(shí)所形成的空泡擴(kuò)張速度較小。由此可知，破碎浮冰環(huán)境對(duì)空泡的擴(kuò)張行為產(chǎn)生了顯著影響。究其原因，是在破碎浮冰環(huán)境中，空泡擴(kuò)張過程會(huì)受到自由液面碎冰的限制，從而導(dǎo)致相同水深條件下空泡直徑減小。同時(shí)，空泡直徑隨著 δ 的增大而減小。這是因?yàn)椋S著 δ 的增大，自由液面上的破碎浮冰數(shù)量增多，這些破碎浮冰對(duì)能量傳遞以及流體流動(dòng)的阻礙作用進(jìn)一步增強(qiáng)，導(dǎo)致 水深處的空泡直徑隨著 δ 的增大而減小。在水深 處，與 8 % 工況相比， 8 % 二 8 % 和 8 % 工況的空泡直徑分別減小 0 . 8 0 % 、 1 . 5 0 % 和 3 . 9 8 % 。這表明浮冰對(duì)結(jié)構(gòu)物空泡擴(kuò)張的影響逐漸減弱。根據(jù)空泡截面獨(dú)立擴(kuò)張?jiān)砜芍嚎张莸臄U(kuò)張只取決于物體通過截面瞬間的速度、阻力和結(jié)構(gòu)物的大小以及無限遠(yuǎn)處與空泡內(nèi)的壓力差，與空化物體在該時(shí)刻之前或之后的運(yùn)動(dòng)幾乎無關(guān)。因此，破碎浮冰環(huán)境僅影響自由液面處的空泡擴(kuò)張，并且隨著 δ 的增加，破碎浮冰對(duì)空泡擴(kuò)張的阻礙作用逐漸增強(qiáng)。

圖5給出了不同工況下結(jié)構(gòu)物入水的空泡演化圖像。從圖5（a）可以看出，當(dāng) 時(shí)， 8 % 工況中空泡尾部在表面張力及環(huán)境壓力的作用下開始收縮，且迎水面空泡壁輪廓彎曲較大；而 8 % 工況中空泡壁平直光滑，空泡仍處于擴(kuò)張階段。由此可見，破碎浮冰環(huán)境延遲了空泡的表面閉合時(shí)間。這是因?yàn)椋杂梢好嫣幍钠扑楦”捎谌怂疀_擊而獲得一定的動(dòng)能，而碎冰較大的慣性使其保持遠(yuǎn)離空泡運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，因而破碎浮冰的運(yùn)動(dòng)方向與空泡尾部流體收縮的方向相反，這極大地延長(zhǎng)了空泡的擴(kuò)張時(shí)間；與此同時(shí)，外部的空氣不斷流入空泡，空泡內(nèi)部空氣總量增多，導(dǎo)致空泡內(nèi)部的壓力增大，進(jìn)而空泡尾部與外界環(huán)境壓力差減小，這會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致空泡表面閉合延遲。而在無冰環(huán)境下，由于液面流體沒有受到外部干擾，空泡尾部可以順暢地向內(nèi)收縮，因而空氣流入總量少，空泡尾部壓力遠(yuǎn)低于外部環(huán)境壓力，并且其閉合過程相對(duì)對(duì)稱，如圖6所示。因此，破碎浮冰環(huán)境下的空泡閉合時(shí)間相比無冰環(huán)境下更晚。并且在空泡閉合時(shí)，液面碎冰的移動(dòng)和不規(guī)則分布導(dǎo)致空泡兩側(cè)的流體收縮不對(duì)稱，最終使空泡的閉合過程呈現(xiàn)非對(duì)稱性。此外， 8 % 和 8 % 工況下空泡迎水面均出現(xiàn)空泡局部潰散現(xiàn)象。由不同深度處的空泡直徑分析結(jié)果可知，結(jié)構(gòu)物在穿越自由液面時(shí)，液面浮冰會(huì)阻礙空泡的擴(kuò)張，而浮冰在擠壓空泡表面的同時(shí)會(huì)破壞空泡壁結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致空泡壁發(fā)生局部潰散。

從圖5（b）可以看出， 時(shí)， 8 % 工況的空泡已經(jīng)開始潰滅，并在結(jié)構(gòu)物運(yùn)動(dòng)方向產(chǎn)生指向空泡內(nèi)部的尾部射流，尾部射流出現(xiàn)的原因是，在空泡閉合時(shí)，其尾部會(huì)形成高壓區(qū)，而空泡內(nèi)部為相對(duì)的低壓區(qū)，兩者之間會(huì)形成壓力梯度差。隨著空泡的不斷潰滅，尾部高壓區(qū)會(huì)沿著結(jié)構(gòu)物的運(yùn)動(dòng)方向移動(dòng)。由于空泡內(nèi)部為空氣與水蒸氣的混合物，當(dāng)空泡潰滅一段時(shí)間后，空泡內(nèi)部體積縮小，水蒸氣濃度升高。在高壓區(qū)的影響下，水蒸氣發(fā)生液化，最終出現(xiàn)尾部射流。此時(shí)， 8 % 工況的空泡尾部開始收縮閉合，而 8 % 和 8 % 工況的空泡在浮冰的影響下仍處于擴(kuò)張階段。

圖7給出了空泡表面閉合階段的空泡演化圖像。從圖7（a）可以看出， 時(shí)， 8 % 工況的空泡經(jīng)歷一段時(shí)間的潰滅后，于潰滅尾跡發(fā)生斷裂。隨著結(jié)構(gòu)物的持續(xù)運(yùn)動(dòng)，尾部射流最終觸及結(jié)構(gòu)物的頭部，此時(shí)空泡頭部的迎水面一側(cè)出現(xiàn)明顯的漲起現(xiàn)象。同時(shí)，整個(gè)空泡區(qū)域的圖像呈現(xiàn)出暗淡的特征。究其原因，當(dāng)尾部射流到達(dá)結(jié)構(gòu)物頭部時(shí)，會(huì)導(dǎo)致空泡頭部壓力增大，進(jìn)而空泡在壓力作用下發(fā)生局部斷裂；尾部射流在向下運(yùn)動(dòng)的過程中會(huì)形成大量氣液混合液滴，這些液滴會(huì)反射入射光線使得透射光強(qiáng)度減弱，從而導(dǎo)致空泡區(qū)成像暗淡。 時(shí)， 8 % 工況的空泡開始潰火，在其尾部產(chǎn)生氣泡簇，并伴隨局部沖擊潰滅。此外， 和 8 % 工況在迎水面空泡壁均出現(xiàn)褶皺。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因在于，結(jié)構(gòu)物入水時(shí)，部分能量會(huì)轉(zhuǎn)化為浮冰的動(dòng)能。隨著浮冰的滑移，其不斷對(duì)周圍流體產(chǎn)生擾動(dòng)，導(dǎo)致周圍流體流動(dòng)路徑發(fā)生偏轉(zhuǎn)，進(jìn)而使得周圍流體對(duì)空泡尾部造成無規(guī)則沖擊， δ 增大時(shí)，液面碎冰數(shù)量增加，加劇了周圍流體對(duì)空泡壁的沖擊，導(dǎo)致空泡表面失去了原有的光滑性，出現(xiàn)了空泡壁褶皺現(xiàn)象。同時(shí)， 8 % 工況呈現(xiàn)出空泡拉斷的趨勢(shì)，而 8 % 工況仍然處于空泡擴(kuò)張階段，本節(jié)中分析得到破碎浮冰環(huán)境結(jié)構(gòu)物的空泡閉合時(shí)間延遲，可知，隨著 δ 的不斷增大，空泡閉合越來越遲。這是由于，δ 增大時(shí)，結(jié)構(gòu)物周圍的破碎浮冰數(shù)量增加，破碎浮冰對(duì)液面流體收縮的阻礙作用進(jìn)一步增強(qiáng)，導(dǎo)致空泡的閉合越來越遲。 時(shí)， 8 % 工況空泡頭部出現(xiàn)了明顯的坍縮現(xiàn)象，空泡兩側(cè)以及尾部均出現(xiàn)了小尺度的空泡團(tuán)脫落。這是因?yàn)椋膊可淞髟诘竭_(dá)空泡頭部后受到空泡邊界流體流動(dòng)影響逐漸向下游發(fā)展，同時(shí)空泡外側(cè)的流體壓力會(huì)導(dǎo)致空泡頭部邊界出現(xiàn)凹陷，隨著結(jié)構(gòu)物的持續(xù)運(yùn)動(dòng)，空泡的凹陷越來越深，導(dǎo)致空泡在其尾部斷開并形成小尺度的空泡脫落。 8 % 工況的結(jié)構(gòu)物在向下運(yùn)動(dòng)一段距離后，潰滅尾跡與空泡拉斷，空泡末端也出現(xiàn)了指向空泡內(nèi)部的尾部射流。 8 % 工況的空泡在自由液面以下閉合，這是因?yàn)椋S著結(jié)構(gòu)物的運(yùn)動(dòng)，空泡的長(zhǎng)度不斷增加，空泡內(nèi)部空氣也隨之向下流動(dòng)，在空泡外部大氣壓力與液體壓力共同作用下，空泡發(fā)生閉合。而 8 % 工況的空泡仍未閉合，空泡尾部與外部空氣相連。

圖8給出了空泡潰滅階段的空泡演化圖像，因 8 % 和 8 % 工況的空泡已完全潰滅，因此，對(duì)其不再單獨(dú)進(jìn)行分析。當(dāng) 時(shí)， 8 % 和 δ % 工況的空泡潰滅較慢。這是因?yàn)椋张菰陂]合前，大量空氣涌入空泡內(nèi)部，在潰滅的過程中，這部分空氣只會(huì)被壓縮，因此，空泡潰滅較慢。當(dāng) ms時(shí)， 8 % 工況的空泡發(fā)生脫落潰滅； 8 % 工況的空泡沒有脫落潰滅，而是發(fā)生夾斷，形成上下2個(gè)獨(dú)立的空泡，且上方的空泡尾跡出現(xiàn)頸縮現(xiàn)象； 8 % 工況同樣出現(xiàn)空泡夾斷現(xiàn)象。結(jié)構(gòu)物在進(jìn)入自由液面時(shí)，會(huì)將動(dòng)能傳遞給周圍的流體，結(jié)構(gòu)物周圍的流體獲得一定的徑向速度，由伯努利原理可知，流體流

速大的地方壓強(qiáng)小，因此，在壓力差的作用下，結(jié)構(gòu)物周圍的流體動(dòng)能逐漸轉(zhuǎn)化為流體壓力勢(shì)能。隨著結(jié)構(gòu)物的持續(xù)運(yùn)動(dòng)，空泡長(zhǎng)度持續(xù)增加，流體的徑向擴(kuò)張速度逐漸減小為零，在空泡外部環(huán)境壓力作用下，流體開始反向運(yùn)動(dòng)，即空泡收縮。由于空泡內(nèi)部氣體分布不均，并且隨著入水深度的增加，空泡外部的流體壓力越來越大，空泡內(nèi)部的氣體壓力無法平衡外部環(huán)境壓力，使得空泡不同壁面處流體徑向運(yùn)動(dòng)速度不同，因此，出現(xiàn)空泡頸縮現(xiàn)象，且隨著時(shí)間的推移，空泡頸縮區(qū)域逐漸收縮變窄，最終發(fā)生夾斷現(xiàn)象。

為進(jìn)一步探究破碎浮冰環(huán)境對(duì)人水空泡的影響，選擇測(cè)量 水深處的空泡直徑 （ D ） 并進(jìn)行定量分析。圖9給出了水下 處空泡直徑隨時(shí)間的變化曲線。從圖9可以看出，8 % 工況的空泡直徑呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，而其他3個(gè)工況則表現(xiàn)出持續(xù)增長(zhǎng)的趨勢(shì)。這是因?yàn)椋?8 % 工況在 時(shí)空泡尾部就出現(xiàn)了收縮現(xiàn)象，空泡擴(kuò)張速率減慢，待空泡表面閉合后，在壓力作用下，空泡會(huì)隨著結(jié)構(gòu)物的運(yùn)動(dòng)逐漸收縮拉長(zhǎng)，空泡直徑減小。而其他3個(gè)工況則受破碎浮冰的影響，導(dǎo)致空泡的閉合并未在該時(shí)間段內(nèi)發(fā)生，空泡直徑呈現(xiàn)出一直增大的趨勢(shì)。同時(shí)， 8 % 工況在結(jié)構(gòu)物入水前期空泡直徑是最大的，隨著 δ 的增大，空泡直徑越來越小。當(dāng) 時(shí)， 8 % 工況空泡尾部收縮，因此，空泡直徑增長(zhǎng)速率減小，此外， 8 % 工況的空泡直徑最大。圖10為不同工況下空泡長(zhǎng)度（ L ） 的變化曲線，從圖10可以看出， δ % 與8 % 工況曲線變化趨勢(shì)相似，均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)；而 8 % 與 8 % 工況曲線呈持續(xù)增長(zhǎng)趨勢(shì)。并且在碎冰工況中， 8 % 工況在 前的空泡長(zhǎng)度最大，這是因?yàn)椋好嫠楸鶗?huì)擾動(dòng)結(jié)構(gòu)物入水點(diǎn)周圍的流體，使得結(jié)構(gòu)物入水時(shí)的流體阻力增大，進(jìn)而能量消耗增加。隨著碎冰數(shù)量的增加，結(jié)構(gòu)物需克服更大的流動(dòng)阻力，這會(huì)消耗部分用于空泡擴(kuò)張的能量。

圖11給出了不同工況下的速度衰減曲線。從圖11可以看出， 8 % 與 8 % 工況結(jié)構(gòu)物速度衰減曲線相近，并且在結(jié)構(gòu)物入水時(shí)的速度衰減幅度較大，隨后為 8 % 工況， 8 % 工況

圖10不同工況下的空泡長(zhǎng)度變化曲線

速度衰減幅度最小。結(jié)合本文中對(duì)空泡直徑和空泡長(zhǎng)度變化曲線的分析，可以推斷液面碎冰是導(dǎo)致結(jié)構(gòu)物速度大幅衰減的主要原因。而液面碎冰數(shù)量越多，結(jié)構(gòu)物轉(zhuǎn)移的動(dòng)能越多，速度衰減幅度越大。隨著結(jié)構(gòu)物速度的衰減，流體阻力也會(huì)隨之減小，因此，速度衰減速率減小。

3結(jié)論

利用高速攝影技術(shù)開展了不同破碎浮冰環(huán)境下結(jié)構(gòu)物傾斜入水實(shí)驗(yàn)，探究了碎冰對(duì)結(jié)構(gòu)物傾斜入水空泡演化過程的影響，并分析了不同破碎浮冰環(huán)境下結(jié)構(gòu)物空泡結(jié)構(gòu)演化特性，得到以下主要結(jié)論。

（1）當(dāng)空泡擴(kuò)張時(shí)，對(duì)比有冰工況和無冰工況，液面處的碎冰會(huì)阻礙空泡擴(kuò)張，導(dǎo)致空泡直徑減小。隨著 δ 的增大，碎冰的阻礙作用逐漸增強(qiáng)，從而使得空泡直徑進(jìn)一步減小。特別地，當(dāng) δ 為 50 % 和70 % 時(shí)，由于浮冰對(duì)流體擾動(dòng)影響較大，致使空泡壁迎水面出現(xiàn)褶皺，并且結(jié)構(gòu)物入水時(shí)的速度衰減幅度較大。

（2）在空泡表面閉合時(shí)，碎冰工況由于空泡尾部周圍流體受液面破碎浮冰的阻礙作用，空泡的擴(kuò)張時(shí)間延長(zhǎng)，進(jìn)而使得空泡內(nèi)部空氣總量增多，液面附近空泡的內(nèi)外壓差減小，以致空泡閉合時(shí)間延遲。隨著 δ 的增大，碎冰對(duì)流體的阻礙作用進(jìn)一步增強(qiáng)，導(dǎo)致空泡的閉合越來越遲。

（3）當(dāng)空泡潰滅時(shí)，無冰工況尾部出現(xiàn)指向空泡內(nèi)部的射流，當(dāng)尾部射流到達(dá)空泡頭部時(shí)，空泡在環(huán)境壓力的作用下開始發(fā)生坍縮。在 8 % 和 $8 { = } 7 0 ＼%$ 工況下，由于空泡各處環(huán)境壓力的差異，導(dǎo)致空泡壁因收縮速度不同而出現(xiàn)夾斷現(xiàn)象，空泡發(fā)生深閉合。

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（責(zé)任編輯 蔡國(guó)艷）