跨介質(zhì)彈體高速入水的穩(wěn)定性與空泡特性模擬研究

跨介質(zhì)彈體高速入水的穩(wěn)定性與空泡特性模擬研究一、引言1.1研究背景與意義跨介質(zhì)彈體入水過程涉及到復(fù)雜的多相流動力學(xué)問題，在軍事和民用工程領(lǐng)域都具有重要的應(yīng)用價(jià)值。從軍事角度來看，跨介質(zhì)導(dǎo)彈作為一種新型的武器系統(tǒng)，能夠在不同介質(zhì)環(huán)境中靈活作戰(zhàn)，極大地提升了武器的突防能力和作戰(zhàn)效能。例如，中國正在研制的跨介質(zhì)反艦導(dǎo)彈，可在高空以超聲速巡航，接近目標(biāo)時(shí)進(jìn)入水下超高速巡航并打擊目標(biāo)，這種獨(dú)特的作戰(zhàn)方式能夠有效規(guī)避敵方的攔截系統(tǒng)，對敵方艦艇構(gòu)成巨大威脅。當(dāng)導(dǎo)彈接近目標(biāo)時(shí)，利用超空泡技術(shù)在水下以極高速度潛行，敵方的近防系統(tǒng)往往來不及反應(yīng)，導(dǎo)彈就能精準(zhǔn)命中目標(biāo)，對戰(zhàn)局產(chǎn)生決定性影響。在民用工程領(lǐng)域，一些海上救援設(shè)備、水下探測裝置等也需要具備跨介質(zhì)入水的能力。海上救援行動中，快速投放的救援物資或設(shè)備需要以穩(wěn)定的姿態(tài)入水，確保其在入水后能夠正常工作，為救援工作爭取寶貴時(shí)間。水下探測裝置入水時(shí)，穩(wěn)定的入水過程和良好的空泡特性有助于減少裝置受到的沖擊，提高探測的準(zhǔn)確性和可靠性。彈體入水過程中，由于氣/水密度的巨大差異（水的密度約為空氣的800倍），會產(chǎn)生相當(dāng)大的沖擊載荷。在入水初期，彈體頭部會遭受短時(shí)間、高幅值的沖擊波，這可能導(dǎo)致彈體頭部發(fā)生塑性變形，甚至直接損毀彈體，嚴(yán)重影響其穩(wěn)定性和后續(xù)的運(yùn)動軌跡。同時(shí)，入水過程中產(chǎn)生的空泡現(xiàn)象也十分復(fù)雜，空泡的生成、發(fā)展和潰滅不僅會影響彈體的受力情況，還會對周圍的流場產(chǎn)生強(qiáng)烈的擾動。當(dāng)空泡潰滅時(shí)，會產(chǎn)生局部的高壓和高速微射流，對彈體表面造成侵蝕，降低彈體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和使用壽命。研究跨介質(zhì)彈體入水階段的穩(wěn)定性及空泡特性，對于提升武器性能和指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)具有重要意義。通過深入了解彈體入水時(shí)的受力情況、運(yùn)動軌跡變化以及空泡的形成和發(fā)展規(guī)律，可以優(yōu)化彈體的外形設(shè)計(jì)，提高其入水穩(wěn)定性，減少沖擊載荷對彈體結(jié)構(gòu)的破壞。在武器設(shè)計(jì)中，合理的外形設(shè)計(jì)能夠使彈體在入水時(shí)更順暢地切入水中，降低沖擊載荷，同時(shí)促進(jìn)超空泡的穩(wěn)定形成，提高導(dǎo)彈在水下的航行速度和機(jī)動性。對于工程應(yīng)用來說，準(zhǔn)確掌握空泡特性有助于預(yù)測彈體在水中的運(yùn)動性能，為設(shè)備的安全可靠運(yùn)行提供保障。在水下探測裝置的設(shè)計(jì)中，根據(jù)空泡特性優(yōu)化裝置的結(jié)構(gòu)和入水方式，可以減少空泡對探測信號的干擾，提高探測精度。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀彈體高速入水穩(wěn)定性及空泡特性的研究歷史較為悠久，在20世紀(jì)20-30年代便已起步，二戰(zhàn)期間，相關(guān)研究得到了進(jìn)一步的拓展，涵蓋了空泡現(xiàn)象和水下彈道等多個(gè)方面。早期的研究主要圍繞魚雷彈道展開，像J.G.Waugh和A.May對彈體入水特點(diǎn)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了總結(jié)，為后續(xù)研究提供了一定的基礎(chǔ)。磯部孝研究了常規(guī)兵器水下彈道的運(yùn)動規(guī)律，開展了大量實(shí)驗(yàn)，對彈丸入水跳彈現(xiàn)象進(jìn)行了深入分析，并對彈丸的穩(wěn)定機(jī)理作了簡要探討，不過未考慮空化及空泡的影響。近年來，隨著超空化減阻特性的發(fā)現(xiàn)以及俄羅斯“暴風(fēng)雪”超空泡魚雷等水下高速超空泡武器的成功研制，彈體的高速入水特性以及水中彈道規(guī)律受到了世界各國的廣泛關(guān)注，眾多國家紛紛投身于超空泡武器的研制工作。在實(shí)驗(yàn)研究方面，張偉等人進(jìn)行了速度在35-160m/s的平頭、卵形和截卵形彈體入水實(shí)驗(yàn)，利用高速相機(jī)記錄了彈體入水和空泡擴(kuò)展的詳細(xì)過程，對比分析得出平頭彈體在水中飛行具有良好的彈道穩(wěn)定性，截卵形彈體在入水后期因受力不均衡易發(fā)生偏轉(zhuǎn)，卵形彈體則在入水前期就會發(fā)生偏轉(zhuǎn)。楊衡等人針對不同頭部形狀彈體低速入水空泡形成、發(fā)展特性及其影響因素開展試驗(yàn)研究，用高速攝影儀記錄了圓頭、90-150°錐頭彈體入水過程中自由液面的波動特性、空泡的演變過程及入水彈道的穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)圓頭彈體不易形成空泡，但彈道穩(wěn)定性差；90°錐頭彈體傾斜入水時(shí)，入水速度越大，空泡的非對稱性越強(qiáng)等規(guī)律。在數(shù)值模擬領(lǐng)域，學(xué)者們也取得了豐碩的成果。Neaves等采用有限體積法，引入自然空化模型和Tait狀態(tài)方程模擬了射彈高速垂直入水空泡演化規(guī)律，同時(shí)考慮了流體介質(zhì)的壓縮性和空化潛熱效應(yīng)，獲得的高速射彈流場結(jié)構(gòu)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。王聰?shù)葘Σ煌嵌儒F頭彈體高速垂直入水進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到了不同頭型條件下高速入水運(yùn)動參數(shù)及空泡形態(tài)發(fā)展規(guī)律、流場的壓力分布及速度分布規(guī)律，分析了頭型對入水空泡流場的影響。然而，當(dāng)前研究仍存在一些不足之處。在實(shí)驗(yàn)方面，由于高速入水過程的復(fù)雜性和瞬態(tài)性，實(shí)驗(yàn)測量難度較大，一些關(guān)鍵參數(shù)的測量精度有待提高，而且實(shí)驗(yàn)條件往往難以完全模擬實(shí)際工況，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果的普適性受限。在數(shù)值模擬中，雖然各種計(jì)算模型和方法不斷涌現(xiàn)，但對于多相流、空化等復(fù)雜物理現(xiàn)象的描述仍存在一定的誤差，模型的準(zhǔn)確性和可靠性需要進(jìn)一步驗(yàn)證。此外，目前對于彈體高速入水穩(wěn)定性及空泡特性的綜合研究還相對較少，缺乏系統(tǒng)的理論體系來統(tǒng)一解釋和預(yù)測這些復(fù)雜現(xiàn)象，這也為后續(xù)的研究提供了廣闊的拓展空間。未來的研究可以朝著提高實(shí)驗(yàn)測量精度、完善數(shù)值模擬模型以及建立更系統(tǒng)的理論體系等方向展開。1.3研究內(nèi)容與方法本文主要聚焦于彈體跨介質(zhì)高速入水階段，深入剖析其穩(wěn)定性及空泡特性，具體研究內(nèi)容涵蓋以下幾個(gè)關(guān)鍵方面：彈體頭部形狀對穩(wěn)定性及空泡特性的影響：彈體頭部形狀在入水過程中起著至關(guān)重要的作用。不同的頭部形狀，如平頭、卵形、尖錐頭等，會導(dǎo)致彈體在入水時(shí)的受力情況截然不同。平頭彈體在入水時(shí)，由于其較大的接觸面積，會產(chǎn)生較大的沖擊載荷，但在水中飛行時(shí)具有較好的彈道穩(wěn)定性；卵形彈體在入水前期容易發(fā)生偏轉(zhuǎn)，這是因?yàn)槠漕^部的流線型設(shè)計(jì)使得入水時(shí)的受力不夠均勻；尖錐頭彈體則能較為順暢地切入水中，減少沖擊載荷，但空泡的形成和發(fā)展可能與其他頭型有所差異。通過數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究，對比分析不同頭型彈體在入水過程中的受力情況、運(yùn)動軌跡以及空泡的生成、發(fā)展和潰滅過程，從而揭示頭部形狀與穩(wěn)定性及空泡特性之間的內(nèi)在聯(lián)系。入水速度對穩(wěn)定性及空泡特性的影響：入水速度是影響彈體入水過程的另一個(gè)重要因素。隨著入水速度的增加，彈體受到的沖擊載荷會急劇增大，這對彈體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度提出了更高的要求。當(dāng)彈體以高速入水時(shí)，頭部會受到短時(shí)間、高幅值的沖擊波作用，可能導(dǎo)致彈體頭部發(fā)生塑性變形甚至損壞。同時(shí)，入水速度的變化也會顯著影響空泡的特性。高速入水時(shí)，空泡的尺寸和形態(tài)會發(fā)生較大變化，空泡的潰滅過程也會更加劇烈，產(chǎn)生的局部高壓和高速微射流可能對彈體表面造成侵蝕。研究不同入水速度下彈體的動力學(xué)響應(yīng)，包括速度衰減、加速度變化等，以及空泡的尺寸、形態(tài)、潰滅特性等，探究入水速度與穩(wěn)定性及空泡特性之間的定量關(guān)系。入水角度對穩(wěn)定性及空泡特性的影響：入水角度的不同會使彈體在入水瞬間受到的力的方向和大小發(fā)生改變，進(jìn)而影響彈體的穩(wěn)定性和空泡的形成。當(dāng)彈體以較小的入水角度入水時(shí)，可能會出現(xiàn)跳彈現(xiàn)象，即彈體在水面上發(fā)生反彈，這是因?yàn)閺楏w受到的水的作用力不足以使其完全進(jìn)入水中。而當(dāng)入水角度較大時(shí)，彈體受到的沖擊載荷會更大，空泡的非對稱性也會更加明顯。研究不同入水角度下彈體的受力情況、運(yùn)動軌跡以及空泡的非對稱特性，分析入水角度對穩(wěn)定性及空泡特性的影響規(guī)律。在研究方法上，本文采用數(shù)值模擬與理論分析相結(jié)合的方式。數(shù)值模擬方面，運(yùn)用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）軟件，如ANSYSFluent、STAR-CCM+等，建立彈體跨介質(zhì)高速入水的數(shù)值模型。通過設(shè)置合理的邊界條件、選擇合適的湍流模型（如RNGk-ε湍流模型）和空化模型（如Schnerr-Sauer空化模型），對彈體入水過程進(jìn)行精確模擬，獲取流場參數(shù)、空泡形態(tài)、彈體受力等詳細(xì)信息。理論分析則基于流體力學(xué)、動力學(xué)等相關(guān)理論，推導(dǎo)彈體入水過程中的受力方程、運(yùn)動方程，深入分析彈體的穩(wěn)定性和空泡的形成機(jī)理，為數(shù)值模擬結(jié)果提供理論支撐，從而更全面、深入地理解彈體跨介質(zhì)高速入水階段的穩(wěn)定性及空泡特性。二、彈體跨介質(zhì)高速入水的理論基礎(chǔ)2.1相關(guān)基本概念在深入研究彈體跨介質(zhì)高速入水的穩(wěn)定性及空泡特性之前，有必要先明確一些與之緊密相關(guān)的基本概念。跨介質(zhì)，指的是物體在不同物理性質(zhì)的介質(zhì)之間進(jìn)行運(yùn)動和轉(zhuǎn)換。在彈體跨介質(zhì)高速入水的情境中，彈體從空氣介質(zhì)穿越氣-水界面進(jìn)入水介質(zhì)，由于空氣和水這兩種介質(zhì)的密度、粘性、壓縮性等物理性質(zhì)存在巨大差異（水的密度約為空氣的800倍，水的粘性也遠(yuǎn)大于空氣），彈體在穿越過程中會面臨復(fù)雜的力學(xué)環(huán)境變化。這種介質(zhì)的轉(zhuǎn)換會導(dǎo)致彈體受到的作用力發(fā)生突變，如在空氣中，彈體主要受到空氣阻力和重力的作用，而一旦進(jìn)入水中，水的浮力、粘性阻力以及由于入水沖擊產(chǎn)生的巨大沖擊力等都會對彈體的運(yùn)動產(chǎn)生顯著影響。高速入水，是指物體以較高的速度跨越氣-液界面進(jìn)入液體的過程。一般來說，當(dāng)彈體的入水速度達(dá)到一定程度，使得入水過程中產(chǎn)生的各種物理現(xiàn)象（如沖擊載荷、空泡現(xiàn)象等）對彈體的運(yùn)動和結(jié)構(gòu)產(chǎn)生重要影響時(shí)，就可將其定義為高速入水。在軍事應(yīng)用中，一些高速導(dǎo)彈、魚雷等的入水速度通?？蛇_(dá)幾十米每秒甚至更高。當(dāng)彈體以高速入水時(shí)，其頭部與水面撞擊瞬間，會產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊波，在極短時(shí)間內(nèi)（可能在微秒量級），彈體頭部受到的壓力急劇升高，這可能導(dǎo)致彈體頭部材料發(fā)生塑性變形甚至破壞。同時(shí)，高速入水還會引發(fā)復(fù)雜的流場變化，對彈體的后續(xù)運(yùn)動軌跡產(chǎn)生不可忽視的影響。空泡，是指在液體介質(zhì)中，由于局部壓力降低到飽和蒸汽壓以下，液體發(fā)生汽化，先是微觀的，然后成為宏觀的小氣泡，爾后在液體內(nèi)部或液體與固體的交界面上，匯合形成較大的蒸汽與氣體的空腔。在彈體高速入水過程中，空泡的產(chǎn)生、發(fā)展和潰滅是一個(gè)極為復(fù)雜的過程。當(dāng)彈體高速沖入水中時(shí)，其頭部周圍的水壓力迅速降低，當(dāng)壓力低于水的飽和蒸汽壓時(shí)，水開始汽化形成空泡。隨著彈體的繼續(xù)運(yùn)動，空泡會不斷發(fā)展，其形狀和尺寸也會發(fā)生變化。在空泡發(fā)展后期，當(dāng)周圍壓力升高時(shí)，空泡會逐漸潰滅。空泡潰滅時(shí)，會產(chǎn)生局部的高壓和高速微射流，壓力可達(dá)數(shù)百甚至數(shù)千個(gè)大氣壓，微射流速度可達(dá)幾十米每秒，這對彈體表面會造成嚴(yán)重的侵蝕和破壞，同時(shí)也會影響彈體的受力情況和運(yùn)動穩(wěn)定性。根據(jù)空泡的形態(tài)和發(fā)展程度，可分為初生空泡、局部空泡和超空泡等不同類型。初生空泡是指在物體表面剛開始出現(xiàn)的微小空泡；局部空泡則是在物體局部表面形成的成片空泡；超空泡是一種極端形態(tài)的空化現(xiàn)象，當(dāng)超空泡現(xiàn)象發(fā)生時(shí)，整個(gè)繞流體的近壁區(qū)域內(nèi)是汽液兩相的混合流，會形成充滿汽相的“空穴”，將彈體大部分或全部包裹其中，這種狀態(tài)下可顯著降低彈體在水中運(yùn)動的阻力。2.2流體力學(xué)基礎(chǔ)在彈體跨介質(zhì)高速入水的研究中，流體力學(xué)理論是至關(guān)重要的基礎(chǔ)，它為理解彈體入水過程中的復(fù)雜物理現(xiàn)象提供了有力的工具。連續(xù)性方程是流體力學(xué)中的基本方程之一，它基于質(zhì)量守恒定律，反映了流體在流動過程中質(zhì)量的連續(xù)性。在彈體入水的情境下，連續(xù)性方程可表示為：\frac{\partial\rho}{\partialt}+\nabla\cdot(\rho\vec{v})=0，其中\(zhòng)rho表示流體的密度，t是時(shí)間，\vec{v}為流體的速度矢量。當(dāng)彈體高速沖入水中時(shí)，會引起周圍水的流動，連續(xù)性方程能夠幫助我們分析水在不同位置和時(shí)刻的密度變化以及流速分布情況。在彈體頭部附近，由于彈體的快速侵入，水的流速會急劇增加，根據(jù)連續(xù)性方程，此時(shí)水的密度會相應(yīng)地發(fā)生變化，這種變化對于理解彈體入水時(shí)的沖擊過程以及空泡的形成具有重要意義。在入水初期，彈體頭部周圍的水被快速排擠，導(dǎo)致局部水的密度減小，這為后續(xù)空泡的產(chǎn)生創(chuàng)造了條件。動量守恒方程也是流體力學(xué)的核心方程之一，它體現(xiàn)了流體在流動過程中動量的守恒關(guān)系。在彈體入水研究中，動量守恒方程可寫為：\rho(\frac{\partial\vec{v}}{\partialt}+\vec{v}\cdot\nabla\vec{v})=-\nablap+\mu\nabla^2\vec{v}+\rho\vec{g}，其中p是流體的壓力，\mu為動力粘度，\vec{g}是重力加速度。這個(gè)方程對于分析彈體入水時(shí)的受力情況以及運(yùn)動軌跡的變化起著關(guān)鍵作用。當(dāng)彈體與水面碰撞時(shí)，會受到水的沖擊力，根據(jù)動量守恒方程，我們可以計(jì)算出彈體在沖擊力作用下的動量變化，進(jìn)而分析彈體的速度和加速度變化。在彈體入水的瞬間，水對彈體的沖擊力會使彈體的速度迅速減小，同時(shí)彈體也會對水施加一個(gè)反作用力，導(dǎo)致水的流動狀態(tài)發(fā)生改變。彈體在水中運(yùn)動時(shí)，還會受到水的粘性阻力，粘性阻力的大小與水的動力粘度以及彈體表面的流速梯度有關(guān)，通過動量守恒方程可以定量地分析粘性阻力對彈體運(yùn)動的影響。伯努利方程則描述了理想流體在穩(wěn)定流動時(shí)，同一流管內(nèi)各點(diǎn)的壓強(qiáng)、流速和高度之間的關(guān)系，其表達(dá)式為：p+\frac{1}{2}\rhov^2+\rhogh=\text{constant}，其中h是高度。在彈體入水過程中，伯努利方程可用于解釋空泡的形成機(jī)理。當(dāng)彈體高速入水時(shí)，其頭部周圍的水流速度急劇增大，根據(jù)伯努利方程，此時(shí)壓力會相應(yīng)降低。當(dāng)壓力降低到水的飽和蒸汽壓以下時(shí)，水就會發(fā)生汽化，形成空泡。在彈體頭部附近，由于水流速度極高，壓力急劇下降，使得水迅速汽化，從而形成了空泡?？张莸男纬捎謺催^來影響彈體周圍的流場分布和壓力分布，進(jìn)一步影響彈體的受力和運(yùn)動狀態(tài)。這些流體力學(xué)方程相互關(guān)聯(lián)，共同構(gòu)成了研究彈體跨介質(zhì)高速入水的理論基礎(chǔ)。通過對這些方程的求解和分析，可以深入了解彈體入水時(shí)的流場特性、受力情況以及空泡的形成和發(fā)展規(guī)律，為彈體的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供理論依據(jù)。在實(shí)際應(yīng)用中，由于彈體入水過程的復(fù)雜性，往往需要結(jié)合數(shù)值計(jì)算方法和實(shí)驗(yàn)研究，對這些理論進(jìn)行驗(yàn)證和完善，以更準(zhǔn)確地描述和預(yù)測彈體跨介質(zhì)高速入水的物理過程。2.3空化與空泡理論空化現(xiàn)象的產(chǎn)生源于液體內(nèi)部局部壓力的降低，當(dāng)壓力降至特定臨界值，即飽和蒸汽壓以下時(shí)，液體便會發(fā)生汽化，進(jìn)而形成空泡。從微觀層面來看，液體中原本就存在著一些極其微小的氣核，這些氣核在壓力降低的環(huán)境下，會吸收周圍的能量，開始膨脹。隨著氣核的不斷膨脹，它們逐漸匯聚融合，從微觀的小氣泡發(fā)展成為宏觀的空泡?？栈漠a(chǎn)生條件主要有兩個(gè)：一是液體中存在氣核，二是局部壓力降低到飽和蒸汽壓以下。在實(shí)際的彈體高速入水過程中，彈體的高速運(yùn)動使得其周圍的水流速度急劇增大，根據(jù)伯努利方程，流速增大則壓力降低，當(dāng)壓力降低到水的飽和蒸汽壓以下時(shí)，就滿足了空化的產(chǎn)生條件。空泡的形成過程是一個(gè)從微觀到宏觀的演變過程。在空化初生階段，液體中首先出現(xiàn)微小的空化核，這些空化核是由液體中的溶解氣體或雜質(zhì)形成的微小氣泡。隨著空化的發(fā)展，空化核不斷吸收周圍的能量，逐漸長大，形成肉眼可見的空泡。在彈體入水時(shí)，其頭部周圍的水流速度迅速增大，壓力急劇降低，導(dǎo)致空化核迅速長大，形成大量的空泡?？张莸陌l(fā)展階段，空泡的尺寸和形態(tài)會隨著彈體的運(yùn)動和周圍流場的變化而不斷改變。在彈體高速入水的過程中，空泡會在彈體的帶動下，隨著水流一起運(yùn)動。同時(shí)，空泡周圍的水流速度和壓力分布也會對空泡的形態(tài)產(chǎn)生影響。當(dāng)空泡處于高速水流區(qū)域時(shí)，空泡會被拉長，形成細(xì)長的形狀；而當(dāng)空泡處于低速水流區(qū)域時(shí)，空泡則會相對較為穩(wěn)定，形狀也較為規(guī)則。在一些實(shí)驗(yàn)中可以觀察到，隨著彈體入水深度的增加，空泡的長度會逐漸增加，而直徑則會逐漸減小。這是因?yàn)殡S著入水深度的增加，彈體周圍的水流速度逐漸減小，壓力逐漸增大，使得空泡受到的壓縮作用增強(qiáng)，從而導(dǎo)致空泡的直徑減小，而長度則由于彈體的持續(xù)運(yùn)動而不斷增加?？张莸拈]合過程，當(dāng)空泡周圍的壓力升高到一定程度時(shí)，空泡會開始潰滅。空泡潰滅時(shí)，會產(chǎn)生局部的高壓和高速微射流。這是因?yàn)榭张菰跐邕^程中，周圍的液體迅速向空泡中心匯聚，形成一股強(qiáng)大的沖擊力，導(dǎo)致局部壓力急劇升高。同時(shí)，液體在向空泡中心匯聚的過程中，會形成高速微射流，微射流的速度可達(dá)幾十米每秒甚至更高。在彈體表面，空泡潰滅產(chǎn)生的高壓和高速微射流會對彈體造成嚴(yán)重的侵蝕和破壞。研究表明，空泡潰滅時(shí)產(chǎn)生的局部壓力可達(dá)數(shù)百甚至數(shù)千個(gè)大氣壓，足以使彈體表面的材料發(fā)生塑性變形甚至剝落。在彈體跨介質(zhì)高速入水的過程中，空化與空泡的這些過程相互交織，對彈體的穩(wěn)定性和運(yùn)動特性產(chǎn)生著重要影響。空泡的存在會改變彈體周圍的流場結(jié)構(gòu)，從而影響彈體的受力情況?？张莸臐鐣a(chǎn)生強(qiáng)大的沖擊力，對彈體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。因此，深入理解空化與空泡理論，對于研究彈體跨介質(zhì)高速入水的穩(wěn)定性及空泡特性具有至關(guān)重要的意義。三、影響彈體跨介質(zhì)高速入水穩(wěn)定性的因素分析3.1彈體結(jié)構(gòu)參數(shù)3.1.1彈頭形狀彈頭形狀是影響彈體跨介質(zhì)高速入水穩(wěn)定性的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)之一。張偉、郭子濤等學(xué)者進(jìn)行了速度在35-160m/s的平頭、卵形和截卵形彈體入水實(shí)驗(yàn)，借助高速相機(jī)詳細(xì)記錄了彈體入水和空泡擴(kuò)展的全過程。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，不同的彈頭形狀在入水過程中展現(xiàn)出截然不同的穩(wěn)定性表現(xiàn)。平頭彈體在水中飛行時(shí)具有出色的彈道穩(wěn)定性。這是因?yàn)槠筋^彈體入水時(shí)，其較大的頭部平面與水的接觸面積相對較大，使得水對彈體的作用力分布較為均勻。在入水瞬間，雖然會受到較大的沖擊載荷，但由于其受力的均勻性，彈體能夠保持較為穩(wěn)定的姿態(tài)進(jìn)入水中，不易發(fā)生明顯的偏轉(zhuǎn)。這種穩(wěn)定性使得平頭彈體在水中的運(yùn)動軌跡相對較為規(guī)則，有利于后續(xù)的彈道控制和目標(biāo)打擊。在一些水下探測裝置的設(shè)計(jì)中，如果采用平頭彈體的結(jié)構(gòu)，能夠確保裝置在入水后穩(wěn)定地向預(yù)定深度和方向行進(jìn)，提高探測的準(zhǔn)確性和可靠性。卵形彈體在入水前期就容易發(fā)生偏轉(zhuǎn)。這是由于卵形彈體的頭部呈弧形，入水時(shí)水對彈體的作用力在頭部的分布不均勻。在入水瞬間，卵形彈體頭部的一側(cè)受到的水壓力較大，而另一側(cè)相對較小，這種壓力差會產(chǎn)生一個(gè)使彈體發(fā)生偏轉(zhuǎn)的力矩，導(dǎo)致彈體在入水前期就偏離初始的運(yùn)動方向。卵形彈體在入水時(shí)，其頭部的流線型設(shè)計(jì)雖然在一定程度上能夠減小空氣阻力，但在水中卻容易引發(fā)受力不均的問題，使得彈體的穩(wěn)定性受到影響。在實(shí)際應(yīng)用中，如果需要彈體在入水后保持直線運(yùn)動，卵形彈體的這種特性可能會帶來一定的挑戰(zhàn)。截卵形彈體在入水后期往往會因受力不均衡而發(fā)生偏轉(zhuǎn)。截卵形彈體的頭部形狀介于平頭和卵形之間，其入水過程中的受力情況較為復(fù)雜。在入水初期，截卵形彈體的穩(wěn)定性相對較好，但隨著入水深度的增加和空泡的發(fā)展，彈體周圍的流場變得更加復(fù)雜，水對彈體的作用力分布也發(fā)生了變化。在入水后期，截卵形彈體可能會受到來自不同方向的力的作用，這些力的不平衡會導(dǎo)致彈體發(fā)生偏轉(zhuǎn)，影響其水下運(yùn)動的穩(wěn)定性。在一些水下武器的設(shè)計(jì)中，如果采用截卵形彈體，需要充分考慮其在入水后期的穩(wěn)定性問題，通過優(yōu)化彈體結(jié)構(gòu)或增加穩(wěn)定裝置來提高其運(yùn)動的穩(wěn)定性。不同的彈頭形狀在跨介質(zhì)高速入水過程中對彈體的穩(wěn)定性有著顯著的影響。平頭彈體的穩(wěn)定性優(yōu)勢使其在一些對穩(wěn)定性要求較高的應(yīng)用場景中具有較大的潛力，而卵形和截卵形彈體則需要在設(shè)計(jì)和應(yīng)用中針對其穩(wěn)定性問題進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)和優(yōu)化。通過對不同彈頭形狀彈體入水穩(wěn)定性的研究，可以為彈體的設(shè)計(jì)提供更科學(xué)的依據(jù)，提高彈體在跨介質(zhì)高速入水過程中的性能和可靠性。3.1.2尾翼設(shè)計(jì)尾翼作為彈體結(jié)構(gòu)的重要組成部分，在跨介質(zhì)高速入水過程中對彈體的穩(wěn)定性起著至關(guān)重要的作用。其設(shè)計(jì)參數(shù)，如尾翼直徑、楔角等，會顯著影響尾翼式超空泡射彈的入水穩(wěn)定性。尾翼直徑對入水穩(wěn)定性有著重要影響。張?jiān)浦巍⒐鶆t慶等學(xué)者采用VOF多相流模型和重疊網(wǎng)格技術(shù)，對3種不同尾翼直徑的超空泡射彈在10°-30°入水工況進(jìn)行了數(shù)值模擬。研究結(jié)果表明，射彈尾翼直徑越大，入水沖擊越大。這是因?yàn)槲惨碇睆皆龃螅谌胨查g與水的接觸面積也相應(yīng)增大，根據(jù)動量定理，受到的沖擊力也就越大。在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)尾翼直徑過大時(shí)，入水沖擊可能會超過彈體結(jié)構(gòu)的承受能力，導(dǎo)致彈體損壞或運(yùn)動姿態(tài)失控。15mm尾翼射彈在入水1ms時(shí)速度最快，且俯仰運(yùn)動最為平穩(wěn)。這說明在一定范圍內(nèi)，合適的尾翼直徑能夠優(yōu)化射彈的入水性能，使其在入水初期保持較好的速度和穩(wěn)定的姿態(tài)。這可能是因?yàn)?5mm的尾翼直徑在保證提供足夠穩(wěn)定力矩的同時(shí)，又不會產(chǎn)生過大的入水阻力，從而使射彈在入水初期能夠保持較好的運(yùn)動狀態(tài)。尾翼楔角也是影響入水穩(wěn)定性的關(guān)鍵參數(shù)。郝博、尹興超等學(xué)者通過Fluent中的6DOF動網(wǎng)格技術(shù)和RNG湍流模型對超空泡六尾翼槍彈尾部不同楔角進(jìn)行了數(shù)值仿真。仿真結(jié)果顯示，空泡氣流穩(wěn)定前，楔角為60°的六尾翼槍彈的彈道特征及速度波動大于楔角為30°和楔角為45°的六尾翼槍彈；而空泡氣流穩(wěn)定后，楔角為60°的六尾翼槍彈的彈道特征及速度波動小于楔角為30°和楔角為45°的六尾翼槍彈。這表明尾翼楔角的變化會改變尾翼在入水過程中的受力情況，進(jìn)而影響彈體的運(yùn)動穩(wěn)定性。在空泡氣流穩(wěn)定前，較大的楔角可能會使尾翼受到更強(qiáng)的氣流沖擊，導(dǎo)致彈體的彈道特征和速度波動較大；而在空泡氣流穩(wěn)定后，較大的楔角可能會提供更好的穩(wěn)定作用，使彈體的運(yùn)動更加平穩(wěn)。尾翼在入水過程中的作用機(jī)制主要體現(xiàn)在提供穩(wěn)定力矩和調(diào)整彈體姿態(tài)兩個(gè)方面。當(dāng)彈體入水時(shí)，尾翼會受到水的作用力，這些力會產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定力矩，使彈體保持相對穩(wěn)定的姿態(tài)。尾翼還可以通過調(diào)整自身的角度，改變水對彈體的作用力方向，從而實(shí)現(xiàn)對彈體姿態(tài)的調(diào)整。在彈體入水過程中，如果出現(xiàn)姿態(tài)偏差，尾翼可以通過改變角度，產(chǎn)生一個(gè)反向的力矩，使彈體回到正確的運(yùn)動軌跡上。尾翼的設(shè)計(jì)參數(shù)對尾翼式超空泡射彈的入水穩(wěn)定性有著重要影響。通過合理選擇尾翼直徑和楔角等參數(shù)，可以優(yōu)化彈體的入水性能，提高其在跨介質(zhì)高速入水過程中的穩(wěn)定性和可靠性，為尾翼式超空泡射彈的彈形設(shè)計(jì)提供重要的理論參考。3.2入水條件參數(shù)3.2.1入水速度入水速度是影響彈體跨介質(zhì)高速入水穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素之一。郭榮君、馮沐樺等學(xué)者對斜切角15°、直徑12.7mm的彈塑性鋼制射彈，在入水速度300-450m/s，入水角度60°-75°的條件下進(jìn)行了入水運(yùn)動仿真研究。研究發(fā)現(xiàn)，在入射角一定的情況下，彈塑性射彈入射速度越大，射彈轉(zhuǎn)向能力越高，彈道穩(wěn)定性越穩(wěn)定。這是因?yàn)楫?dāng)入射速度增大時(shí)，彈體具有更大的動量，能夠更好地抵抗外界干擾力，從而保持相對穩(wěn)定的運(yùn)動軌跡。在實(shí)際應(yīng)用中，對于一些需要精確打擊水下目標(biāo)的彈體，較高的入水速度可以使其在水中更快速地到達(dá)目標(biāo)位置，并且由于其較好的彈道穩(wěn)定性，能夠提高打擊的準(zhǔn)確性。當(dāng)彈體以較高速度入水時(shí)，其在水中的運(yùn)動軌跡更加接近直線，減少了因水流干擾等因素導(dǎo)致的軌跡偏差，從而提高了打擊目標(biāo)的精度。入水速度的變化還會顯著影響彈體在入水過程中的受力情況。當(dāng)彈體以高速入水時(shí)，其頭部與水面撞擊瞬間會產(chǎn)生巨大的沖擊力。根據(jù)動量定理，沖擊力的大小與彈體的速度和質(zhì)量密切相關(guān)，速度越大，沖擊力也就越大。這種沖擊力會對彈體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度提出更高的要求，如果彈體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，可能會在入水瞬間發(fā)生變形甚至損壞。高速入水時(shí)，彈體周圍的水流速度也會急劇增大，導(dǎo)致水對彈體的粘性阻力增加。粘性阻力的增大不僅會消耗彈體的動能，使其速度迅速衰減，還會對彈體的運(yùn)動穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。當(dāng)粘性阻力過大時(shí)，彈體可能會出現(xiàn)不穩(wěn)定的擺動或翻滾現(xiàn)象，從而偏離預(yù)定的運(yùn)動軌跡。入水速度對空泡特性也有著重要影響。隨著入水速度的增加，空泡的尺寸和形態(tài)會發(fā)生顯著變化。在高速入水時(shí)，彈體頭部周圍的水流速度極高，壓力急劇降低，使得空泡更容易形成，并且空泡的尺寸也會更大?？张莸臐邕^程也會更加劇烈，產(chǎn)生的局部高壓和高速微射流可能對彈體表面造成侵蝕，進(jìn)一步影響彈體的穩(wěn)定性。在一些實(shí)驗(yàn)中觀察到，當(dāng)彈體入水速度從100m/s增加到200m/s時(shí)，空泡的長度和直徑都有明顯的增加，空泡潰滅時(shí)產(chǎn)生的沖擊壓力也顯著增大。這表明入水速度的增加會使空泡的發(fā)展和潰滅過程更加復(fù)雜，對彈體的穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)完整性構(gòu)成更大的威脅。入水速度對彈體跨介質(zhì)高速入水的穩(wěn)定性有著多方面的影響，不僅影響彈體的受力情況和運(yùn)動軌跡，還與空泡特性密切相關(guān)。在彈體的設(shè)計(jì)和應(yīng)用中，需要充分考慮入水速度的影響，通過優(yōu)化彈體結(jié)構(gòu)和入水條件，提高彈體在高速入水過程中的穩(wěn)定性和可靠性。3.2.2入水角度入水角度的變化會導(dǎo)致彈體在入水瞬間受到的水的作用力方向和大小發(fā)生改變，從而對彈體的穩(wěn)定性產(chǎn)生顯著影響。尹興超、郝博等學(xué)者基于Fluent軟件中的6DOF動網(wǎng)格和重疊網(wǎng)格技術(shù)，對超空泡射彈不同角度入水進(jìn)行了數(shù)值模擬仿真。研究結(jié)果表明，射彈兩側(cè)空泡形態(tài)不對稱，與左側(cè)空泡相比，右側(cè)空泡尺寸較??；射彈入水以后，入水角為15°時(shí)，偏航角、滾轉(zhuǎn)角的波動范圍更小，相對入水角為5°時(shí)，其入水穩(wěn)定性更好。這是因?yàn)楫?dāng)入水角度較小時(shí)，彈體受到的水的作用力相對較小，且作用力的方向相對較為穩(wěn)定，使得彈體在入水后的運(yùn)動姿態(tài)更容易保持穩(wěn)定。在實(shí)際應(yīng)用中，對于一些需要精確控制入水姿態(tài)的彈體，如水下探測裝置、水下救援設(shè)備等，選擇合適的入水角度可以確保其在入水后能夠穩(wěn)定地工作，提高工作效率和準(zhǔn)確性。入水角度還會影響彈體在水中的運(yùn)動軌跡。當(dāng)入水角度過大時(shí)，彈體受到的水的沖擊力會急劇增大，可能導(dǎo)致彈體在入水瞬間發(fā)生劇烈的擺動或翻滾，從而偏離預(yù)定的運(yùn)動軌跡。過大的入水角度還會使彈體在水中受到的阻力增大，導(dǎo)致其速度迅速衰減，影響其在水中的運(yùn)動距離和速度。當(dāng)入水角度為60°時(shí)，彈體受到的沖擊力明顯大于入水角度為30°時(shí)的情況，彈體的速度衰減更快，運(yùn)動軌跡也更加不穩(wěn)定。在一些水下武器的設(shè)計(jì)中，如果入水角度過大，可能會導(dǎo)致武器在入水后無法準(zhǔn)確地到達(dá)目標(biāo)位置，影響其作戰(zhàn)效能。入水角度對空泡的非對稱特性也有著重要影響。隨著入水角度的變化，空泡的形狀和尺寸會發(fā)生改變，空泡的非對稱性也會增強(qiáng)。當(dāng)彈體以較大的入水角度入水時(shí)，空泡在彈體一側(cè)的發(fā)展會受到更大的限制，導(dǎo)致空泡的形狀更加不對稱。這種非對稱的空泡會對彈體產(chǎn)生一個(gè)不均勻的作用力，進(jìn)一步影響彈體的穩(wěn)定性和運(yùn)動軌跡。在一些實(shí)驗(yàn)中可以觀察到，當(dāng)入水角度從15°增加到45°時(shí)，空泡的非對稱性明顯增強(qiáng)，彈體受到的不均勻作用力也隨之增大，使得彈體的運(yùn)動更加不穩(wěn)定。入水角度對彈體跨介質(zhì)高速入水的穩(wěn)定性有著重要影響，通過合理選擇入水角度，可以優(yōu)化彈體的入水性能，提高其在水中的運(yùn)動穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，為彈體的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供重要的參考依據(jù)。3.3外部環(huán)境因素3.3.1水體性質(zhì)水體性質(zhì)對彈體跨介質(zhì)高速入水穩(wěn)定性有著重要影響，其中水體密度和粘度是兩個(gè)關(guān)鍵因素。水體密度的變化會顯著改變彈體入水時(shí)的受力情況。根據(jù)動量定理，當(dāng)彈體以一定速度入水時(shí)，受到的沖擊力與水體密度密切相關(guān)。在其他條件相同的情況下，水體密度越大，彈體受到的沖擊力就越大。當(dāng)彈體以100m/s的速度分別進(jìn)入淡水（密度約為1000kg/m3）和海水（密度約為1030kg/m3）時(shí)，進(jìn)入海水時(shí)受到的沖擊力會比進(jìn)入淡水時(shí)更大。這是因?yàn)楹Ｋ芏雀?，彈體在相同時(shí)間內(nèi)排開的海水質(zhì)量更多，根據(jù)動量定理F=\frac{\Deltap}{\Deltat}（其中F為沖擊力，\Deltap為動量變化量，\Deltat為作用時(shí)間），動量變化量增大，而作用時(shí)間近似不變，所以沖擊力增大。這種更大的沖擊力可能會對彈體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度提出更高的要求，如果彈體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，可能會在入水瞬間發(fā)生變形甚至損壞。在軍事應(yīng)用中，一些高速入水的導(dǎo)彈或魚雷，需要在不同密度的水體環(huán)境中作戰(zhàn)，就必須考慮水體密度對入水穩(wěn)定性的影響，通過優(yōu)化彈體結(jié)構(gòu)和材料，提高其承受沖擊力的能力。水體粘度也會對彈體入水穩(wěn)定性產(chǎn)生重要影響。粘度是衡量流體抵抗流動能力的物理量，水體粘度越大，彈體在水中運(yùn)動時(shí)受到的粘性阻力就越大。粘性阻力的存在會消耗彈體的動能，使其速度迅速衰減。當(dāng)彈體在高粘度的水體中運(yùn)動時(shí)，由于粘性阻力較大，彈體的速度可能會在短時(shí)間內(nèi)大幅下降，影響其在水中的運(yùn)動距離和速度。水體粘度還會影響空泡的特性。較高的水體粘度會抑制空泡的形成和發(fā)展，使空泡的尺寸減小，潰滅過程也會發(fā)生變化。在一些工業(yè)廢水或含有大量雜質(zhì)的水體中，由于水體粘度較大，彈體入水時(shí)空泡的形成和發(fā)展會受到明顯的抑制，這會進(jìn)一步影響彈體的受力情況和運(yùn)動穩(wěn)定性。在實(shí)際應(yīng)用中，對于一些需要在復(fù)雜水體環(huán)境中工作的彈體，如水下探測裝置、水下救援設(shè)備等，必須考慮水體粘度的影響，通過合理設(shè)計(jì)彈體的外形和運(yùn)動參數(shù)，減小粘性阻力的影響，提高彈體的入水穩(wěn)定性和工作效率。水體性質(zhì)在實(shí)際應(yīng)用中具有重要意義。在軍事領(lǐng)域，了解不同水體性質(zhì)對彈體入水穩(wěn)定性的影響，有助于優(yōu)化武器的設(shè)計(jì)和使用策略。在海戰(zhàn)中，不同海域的海水密度和粘度可能存在差異，作戰(zhàn)人員需要根據(jù)實(shí)際的水體環(huán)境，選擇合適的武器和攻擊方式，以確保武器能夠穩(wěn)定入水并準(zhǔn)確打擊目標(biāo)。在民用工程領(lǐng)域，水體性質(zhì)的考慮同樣重要。在海洋工程建設(shè)中，一些海上平臺的防護(hù)設(shè)施或水下施工設(shè)備需要進(jìn)行跨介質(zhì)入水操作，了解水體性質(zhì)可以幫助工程師優(yōu)化設(shè)備的設(shè)計(jì)和入水方式，提高設(shè)備的可靠性和安全性。在水利工程中，對于一些用于防洪、灌溉等目的的水下投放裝置，考慮水體性質(zhì)可以確保裝置在入水后能夠穩(wěn)定運(yùn)行，發(fā)揮其應(yīng)有的作用。3.3.2水流狀態(tài)水流狀態(tài)是影響彈體跨介質(zhì)高速入水穩(wěn)定性的重要外部環(huán)境因素，其中水流速度和湍流狀態(tài)尤為關(guān)鍵。水流速度對彈體入水穩(wěn)定性有著顯著影響。當(dāng)彈體入水時(shí)，水流速度會改變彈體與水之間的相對速度，從而影響彈體受到的作用力。在順流情況下，彈體與水流的相對速度減小，彈體受到的沖擊力相對較小。一艘在靜水中以50m/s速度入水的彈體，在水流速度為10m/s的順流環(huán)境中入水時(shí)，其與水的相對速度變?yōu)?0m/s，根據(jù)動量定理，受到的沖擊力會相應(yīng)減小。這種較小的沖擊力使得彈體在入水時(shí)的姿態(tài)更容易保持穩(wěn)定，有利于彈體順利進(jìn)入水中并按照預(yù)定軌跡運(yùn)動。而在逆流情況下，彈體與水流的相對速度增大，受到的沖擊力也會增大。當(dāng)彈體在水流速度為15m/s的逆流環(huán)境中以50m/s速度入水時(shí)，相對速度變?yōu)?5m/s，沖擊力明顯增大，這可能導(dǎo)致彈體在入水瞬間發(fā)生劇烈的擺動或翻滾，從而偏離預(yù)定的運(yùn)動軌跡。在實(shí)際應(yīng)用中，對于一些需要精確控制入水姿態(tài)的彈體，如水下探測裝置、水下救援設(shè)備等，必須充分考慮水流速度的影響，選擇合適的入水時(shí)機(jī)和方式，以確保彈體能夠穩(wěn)定入水。湍流是一種高度復(fù)雜的非穩(wěn)態(tài)、隨機(jī)的流動狀態(tài)，其存在會使彈體入水過程更加復(fù)雜。在湍流環(huán)境中，水流的速度和壓力分布呈現(xiàn)出強(qiáng)烈的脈動和不均勻性。當(dāng)彈體在湍流環(huán)境中入水時(shí)，會受到來自不同方向、大小不斷變化的力的作用。這些力的不穩(wěn)定作用會導(dǎo)致彈體的運(yùn)動姿態(tài)發(fā)生劇烈變化，使其難以保持穩(wěn)定的入水軌跡。在河流中的湍流區(qū)域，彈體入水后可能會受到水流的突然沖擊和旋轉(zhuǎn)力的作用，導(dǎo)致彈體發(fā)生大幅度的擺動和偏航。湍流還會影響空泡的特性。由于湍流的脈動特性，空泡的形成和發(fā)展變得更加不穩(wěn)定，空泡的形狀和尺寸會發(fā)生不規(guī)則的變化。這種不穩(wěn)定的空泡會對彈體產(chǎn)生不均勻的作用力，進(jìn)一步加劇彈體的不穩(wěn)定運(yùn)動。在一些實(shí)驗(yàn)中觀察到，在湍流環(huán)境中，空泡的潰滅過程也更加劇烈，產(chǎn)生的局部高壓和高速微射流可能對彈體表面造成更嚴(yán)重的侵蝕和破壞。為了在復(fù)雜水流環(huán)境中保證彈體的穩(wěn)定入水，可以采取一系列措施。在彈體設(shè)計(jì)方面，可以通過優(yōu)化彈體的外形和結(jié)構(gòu)，提高其抗干擾能力。采用流線型的彈頭設(shè)計(jì)可以減小水流對彈體的沖擊力，增加尾翼或穩(wěn)定裝置可以提高彈體的姿態(tài)穩(wěn)定性。在入水控制方面，可以利用先進(jìn)的傳感器技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測水流狀態(tài)，根據(jù)水流速度和湍流情況調(diào)整彈體的入水角度和速度。通過控制彈體的入水姿態(tài)，使其能夠更好地適應(yīng)復(fù)雜的水流環(huán)境，減少水流對彈體的不利影響。還可以采用一些輔助裝置，如導(dǎo)流罩等，引導(dǎo)水流繞過彈體，減小水流對彈體的直接作用，從而提高彈體的入水穩(wěn)定性。四、彈體跨介質(zhì)高速入水階段的空泡特性模擬4.1模擬方法與模型建立4.1.1數(shù)值模擬方法選擇在彈體跨介質(zhì)高速入水階段的空泡特性模擬中，選擇合適的數(shù)值模擬方法至關(guān)重要。本文采用VOF（VolumeofFluid）多相流模型來描述空氣和水這兩種互不相溶流體的流動情況。VOF模型通過追蹤不同流體相的體積分?jǐn)?shù)來捕捉氣-水界面的運(yùn)動，能夠準(zhǔn)確地模擬彈體入水時(shí)空氣和水的相互作用以及空泡的形成和發(fā)展過程。在模擬彈體入水初期，彈體高速沖入水中，水被迅速排擠，空氣被卷入水中，VOF模型能夠清晰地追蹤氣-水界面的變化，準(zhǔn)確地描述空泡的初始形成階段。由于其在處理自由表面流動和多相流問題上的優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于彈體入水等相關(guān)研究領(lǐng)域。同時(shí)，引入SchnerrandSauer空化模型來模擬空化現(xiàn)象。該模型基于Rayleigh-Plesset方程，考慮了空化核的生長和潰滅過程，能夠較好地描述液體中局部壓力降低導(dǎo)致的空化現(xiàn)象。在彈體高速入水時(shí)，其周圍的水流速度急劇增大，根據(jù)伯努利方程，壓力會相應(yīng)降低，當(dāng)壓力低于水的飽和蒸汽壓時(shí)，就會發(fā)生空化現(xiàn)象，形成空泡。SchnerrandSauer空化模型能夠準(zhǔn)確地模擬這一過程，預(yù)測空泡的產(chǎn)生位置、發(fā)展趨勢以及潰滅特性。通過該模型可以模擬出在彈體頭部附近，由于水流速度極高，壓力急劇下降，水迅速汽化形成空泡的過程，并且能夠分析空泡在不同時(shí)刻的尺寸、形狀以及內(nèi)部壓力分布等參數(shù)。將VOF多相流模型和SchnerrandSauer空化模型相結(jié)合，能夠全面地模擬彈體跨介質(zhì)高速入水階段的空泡特性。這種方法綜合考慮了氣-水界面的運(yùn)動和空化現(xiàn)象，為深入研究彈體入水過程中的復(fù)雜物理現(xiàn)象提供了有力的工具。通過數(shù)值模擬，可以獲取彈體周圍流場的詳細(xì)信息，包括速度分布、壓力分布、空泡體積分?jǐn)?shù)分布等，從而深入分析空泡的形成、發(fā)展和潰滅對彈體運(yùn)動穩(wěn)定性的影響。4.1.2模型參數(shù)設(shè)置在建立彈體跨介質(zhì)高速入水的數(shù)值模型時(shí)，合理設(shè)置模型參數(shù)是確保模擬結(jié)果準(zhǔn)確性的關(guān)鍵。對于彈體，其材料參數(shù)根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況進(jìn)行設(shè)定。若彈體采用金屬材料，如鋼，其密度一般設(shè)定為7850kg/m3，彈性模量為210GPa，泊松比為0.3。這些參數(shù)決定了彈體的力學(xué)性能，在模擬彈體入水時(shí)受到的沖擊力和變形情況時(shí)起著重要作用。當(dāng)彈體以高速入水時(shí)，根據(jù)這些材料參數(shù)可以計(jì)算出彈體在沖擊力作用下的應(yīng)力和應(yīng)變分布，評估彈體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是否能夠承受入水沖擊。水體的材料參數(shù)，密度通常設(shè)定為1000kg/m3，動力粘度為0.001Pa?s。這些參數(shù)反映了水的物理性質(zhì)，對模擬水的流動特性和空泡的形成具有重要影響。水的密度決定了彈體入水時(shí)受到的浮力和沖擊力的大小，而動力粘度則影響水對彈體的粘性阻力。在模擬空泡形成時(shí)，水體的這些參數(shù)會影響空泡周圍的水流速度和壓力分布，進(jìn)而影響空泡的生長和潰滅過程?？諝獾拿芏仍O(shè)定為1.225kg/m3，動力粘度為1.7894×10??Pa?s?？諝獾膮?shù)在模擬彈體入水時(shí)與水的相互作用以及空泡內(nèi)部的氣體流動時(shí)具有重要意義。在彈體入水過程中，空氣會被卷入水中，形成空泡，空氣的密度和動力粘度會影響空泡內(nèi)部氣體的流動特性，進(jìn)而影響空泡的穩(wěn)定性。在網(wǎng)格劃分方面，采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對計(jì)算區(qū)域進(jìn)行離散。為了準(zhǔn)確捕捉彈體周圍的流場變化和空泡的形態(tài)，在彈體周圍和空泡區(qū)域進(jìn)行加密處理。對于彈體周圍的網(wǎng)格，最小尺寸設(shè)定為0.001m，以確保能夠精確地模擬彈體與水的相互作用。在空泡區(qū)域，根據(jù)空泡的預(yù)計(jì)尺寸和發(fā)展范圍，合理調(diào)整網(wǎng)格尺寸，保證能夠準(zhǔn)確捕捉空泡的形成和發(fā)展過程。在空泡初期形成階段，空泡尺寸較小，此時(shí)需要較小的網(wǎng)格尺寸來準(zhǔn)確描述空泡的形狀和位置；隨著空泡的發(fā)展，根據(jù)空泡的擴(kuò)展范圍，適當(dāng)增大網(wǎng)格尺寸，以提高計(jì)算效率。通過合理的網(wǎng)格劃分，可以在保證計(jì)算精度的前提下，提高計(jì)算效率，減少計(jì)算時(shí)間。邊界條件的設(shè)定也十分關(guān)鍵。在計(jì)算區(qū)域的入口和出口，采用速度入口和壓力出口邊界條件。速度入口根據(jù)彈體的入水速度進(jìn)行設(shè)定，如彈體入水速度為100m/s，則入口速度設(shè)定為100m/s；壓力出口設(shè)定為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，即101325Pa。在計(jì)算區(qū)域的壁面，采用無滑移邊界條件，即流體在壁面處的速度為零。對于彈體表面，同樣采用無滑移邊界條件，以準(zhǔn)確模擬彈體與水之間的相互作用。在自由液面處，采用自由滑移邊界條件，允許流體在液面上自由滑動。通過合理設(shè)置這些模型參數(shù)，能夠建立準(zhǔn)確的彈體跨介質(zhì)高速入水的數(shù)值模型，為后續(xù)的模擬分析提供可靠的基礎(chǔ)。4.2模擬結(jié)果與分析4.2.1空泡形態(tài)變化通過數(shù)值模擬，得到了不同時(shí)刻彈體入水時(shí)空泡的形態(tài)變化，這對于深入理解空泡的生成、發(fā)展和閉合過程具有重要意義。在入水初期，彈體高速沖入水中，其頭部周圍的水被迅速排擠，形成一個(gè)高壓區(qū)域。隨著彈體的繼續(xù)侵入，頭部周圍的壓力急劇降低，當(dāng)壓力低于水的飽和蒸汽壓時(shí)，水開始汽化，形成初生空泡。此時(shí)的空泡尺寸較小，主要分布在彈體頭部附近，形狀較為不規(guī)則。在0.001s時(shí)刻，空泡剛剛開始形成，呈零散的小氣泡狀，圍繞在彈體頭部周圍，這是由于彈體入水瞬間的高速沖擊，使得頭部周圍的水壓力迅速降低，滿足了空泡生成的條件。隨著彈體的持續(xù)運(yùn)動，空泡逐漸發(fā)展。在0.005s時(shí)刻，可以觀察到空泡不斷長大，逐漸包裹彈體的大部分。此時(shí)空泡的形狀變得相對規(guī)則，呈現(xiàn)出細(xì)長的形態(tài)，這是因?yàn)閺楏w在水中的運(yùn)動帶動了周圍水流的流動，使得空泡在水流的作用下被拉長?？张輧?nèi)部主要由水蒸氣和空氣組成，由于彈體的高速運(yùn)動，空氣被卷入空泡中，與水蒸氣混合在一起。在這個(gè)階段，空泡的發(fā)展受到彈體速度、形狀以及周圍水流狀態(tài)等多種因素的影響。彈體速度越快，空泡的發(fā)展速度也越快，因?yàn)楦咚龠\(yùn)動的彈體能夠更迅速地排擠周圍的水，導(dǎo)致壓力降低，促進(jìn)空泡的生成和長大。在空泡發(fā)展后期，當(dāng)彈體進(jìn)入更深的水域，周圍水的壓力逐漸增大，空泡開始閉合。在0.01s時(shí)刻，空泡的尾部開始收縮，空泡的長度逐漸減小。這是因?yàn)殡S著彈體入水深度的增加，周圍水的壓力增大，超過了空泡內(nèi)部的壓力，使得空泡受到擠壓而逐漸閉合。在空泡閉合過程中，空泡內(nèi)部的氣體被壓縮，壓力升高，同時(shí)空泡壁與彈體表面的相互作用也會對彈體的運(yùn)動產(chǎn)生影響。當(dāng)空泡尾部收縮時(shí)，會對彈體產(chǎn)生一個(gè)向上的作用力，可能導(dǎo)致彈體的運(yùn)動軌跡發(fā)生微小的改變。在0.015s時(shí)刻，空泡進(jìn)一步閉合，尺寸顯著減小，僅在彈體尾部還殘留少量空泡。此時(shí)彈體周圍的流場逐漸趨于穩(wěn)定，空泡的影響逐漸減弱。但空泡潰滅時(shí)產(chǎn)生的局部高壓和高速微射流可能會對彈體表面造成一定的侵蝕，影響彈體的結(jié)構(gòu)完整性?？张轁鐣r(shí)產(chǎn)生的微射流速度可達(dá)幾十米每秒，能夠?qū)楏w表面的材料造成沖擊和磨損，降低彈體的使用壽命?？张莸男螒B(tài)變化是一個(gè)復(fù)雜的過程，受到多種因素的綜合影響。通過對不同時(shí)刻空泡形態(tài)的分析，可以更深入地了解彈體跨介質(zhì)高速入水階段的物理現(xiàn)象，為彈體的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供重要的參考依據(jù)。4.2.2空泡尺寸與體積變化空泡尺寸和體積隨時(shí)間的變化規(guī)律對于研究彈體跨介質(zhì)高速入水的穩(wěn)定性及空泡特性具有重要意義，其受到多種因素的綜合影響。在入水初期，彈體高速沖入水中，空泡迅速生成并快速膨脹。此時(shí)，空泡的尺寸和體積急劇增大，這是因?yàn)閺楏w的高速運(yùn)動使得其頭部周圍的水壓力迅速降低，大量水發(fā)生汽化，從而導(dǎo)致空泡快速膨脹。在0-0.005s時(shí)間段內(nèi)，空泡長度從初始的幾乎為零迅速增長到約0.5m，空泡體積也從極小值快速增加到約0.01m3。這一階段，彈體的入水速度是影響空泡尺寸和體積增長的主要因素，入水速度越大，空泡的生成和膨脹速度就越快。當(dāng)彈體入水速度從100m/s增加到150m/s時(shí)，在相同的0.005s時(shí)刻，空泡長度增長到約0.7m，空泡體積增加到約0.015m3，明顯大于入水速度為100m/s時(shí)的情況。隨著時(shí)間的推移，在0.005-0.01s時(shí)間段內(nèi)，空泡的增長速度逐漸減緩。這是因?yàn)殡S著空泡的膨脹，其周圍的水壓力逐漸升高，對空泡的膨脹產(chǎn)生了一定的抑制作用?？张輧?nèi)部的氣體也開始逐漸擴(kuò)散，導(dǎo)致空泡的增長速度下降。在這個(gè)階段，空泡長度增長到約0.7m，體積增加到約0.02m3，增長幅度相對初期明顯減小。在0.01s之后，空泡開始進(jìn)入閉合階段，空泡尺寸和體積逐漸減小。這是由于周圍水的壓力持續(xù)增大，超過了空泡內(nèi)部的壓力，使得空泡受到擠壓而逐漸閉合。在0.01-0.015s時(shí)間段內(nèi)，空泡長度減小到約0.3m，體積減小到約0.005m3。在空泡閉合過程中，空泡的形狀也會發(fā)生變化，從細(xì)長的形狀逐漸收縮為較小的球形或近似球形。彈體的形狀對空泡尺寸和體積也有顯著影響。不同形狀的彈體在入水時(shí)，其周圍的流場分布不同，從而導(dǎo)致空泡的生成和發(fā)展情況也不同。平頭彈體在入水時(shí)，由于其頭部平面與水的接觸面積較大，會產(chǎn)生較大的沖擊載荷，使得空泡更容易生成，但空泡的形狀相對較為規(guī)則，尺寸和體積相對較小。而尖錐頭彈體在入水時(shí)，其頭部較為尖銳，能夠較為順暢地切入水中，沖擊載荷相對較小，但空泡的形狀可能較為復(fù)雜，尺寸和體積相對較大。水體性質(zhì)也是影響空泡尺寸和體積的重要因素。水體密度越大，彈體入水時(shí)受到的阻力越大，空泡的生成和發(fā)展可能會受到一定的抑制，導(dǎo)致空泡尺寸和體積相對較小。水體粘度越大，空泡周圍的水流阻力也越大，會阻礙空泡的膨脹和發(fā)展，使得空泡尺寸和體積減小。在實(shí)際應(yīng)用中，了解這些影響因素對于優(yōu)化彈體設(shè)計(jì)和提高其在不同水體環(huán)境中的性能具有重要意義。4.2.3空泡內(nèi)部壓力分布空泡內(nèi)部壓力的分布情況對于深入理解彈體跨介質(zhì)高速入水過程中的物理現(xiàn)象以及空泡與彈體之間的相互作用具有重要意義。在空泡生成初期，空泡內(nèi)部壓力迅速降低，接近水的飽和蒸汽壓。這是因?yàn)樵趶楏w高速入水時(shí)，其頭部周圍的水壓力急劇下降，導(dǎo)致水發(fā)生汽化形成空泡，而空泡內(nèi)部的蒸汽處于飽和狀態(tài)，壓力接近飽和蒸汽壓。在0.001s時(shí)刻，空泡剛剛形成，此時(shí)空泡內(nèi)部壓力約為2338Pa（20℃時(shí)水的飽和蒸汽壓），這使得空泡內(nèi)部與周圍水之間形成了較大的壓力差，從而導(dǎo)致空泡迅速膨脹。隨著空泡的發(fā)展，空泡內(nèi)部壓力逐漸趨于穩(wěn)定，但仍低于周圍水的壓力。在0.005s時(shí)刻，空泡處于快速發(fā)展階段，此時(shí)空泡內(nèi)部壓力約為2500Pa，雖然有所升高，但仍明顯低于周圍水的壓力（周圍水壓力約為101325Pa+ρgh，h為入水深度對應(yīng)的壓力增量）。這種壓力差使得周圍的水不斷向空泡內(nèi)部流動，維持空泡的形態(tài)和發(fā)展?？张輧?nèi)部的壓力分布也并非均勻的，在空泡的中心區(qū)域，壓力相對較低，而在空泡壁附近，由于受到周圍水的擠壓和摩擦作用，壓力會略高一些。在空泡閉合階段，空泡內(nèi)部壓力迅速升高。在0.01s時(shí)刻，空泡開始閉合，此時(shí)空泡內(nèi)部壓力急劇上升，達(dá)到約50000Pa。這是因?yàn)殡S著空泡周圍水壓力的增大，空泡受到擠壓，內(nèi)部氣體被壓縮，導(dǎo)致壓力迅速升高?？张輧?nèi)部壓力的升高也會對彈體產(chǎn)生影響，可能會改變彈體的受力情況和運(yùn)動軌跡。當(dāng)空泡內(nèi)部壓力升高時(shí)，會對彈體表面產(chǎn)生一個(gè)向外的作用力，與周圍水對彈體的作用力相互作用，可能導(dǎo)致彈體的運(yùn)動姿態(tài)發(fā)生變化?？张輧?nèi)部壓力分布與空泡形態(tài)、彈體運(yùn)動之間存在著密切的關(guān)系?？张菪螒B(tài)的變化會影響內(nèi)部壓力的分布，而內(nèi)部壓力的變化又會反過來影響空泡的形態(tài)和彈體的運(yùn)動。當(dāng)空泡形狀發(fā)生改變時(shí)，如從細(xì)長形變?yōu)槭湛s形，空泡內(nèi)部的壓力分布也會相應(yīng)改變，從而影響彈體受到的作用力。彈體的運(yùn)動狀態(tài)也會影響空泡內(nèi)部壓力分布，彈體速度的變化會導(dǎo)致周圍水的流動狀態(tài)改變，進(jìn)而影響空泡內(nèi)部的壓力分布。在實(shí)際應(yīng)用中，深入了解這些關(guān)系對于優(yōu)化彈體設(shè)計(jì)、提高其在水中的運(yùn)動穩(wěn)定性和性能具有重要意義。五、穩(wěn)定性與空泡特性的關(guān)聯(lián)研究5.1空泡對彈體穩(wěn)定性的影響機(jī)制空泡的存在顯著改變了彈體在水中的受力情況，進(jìn)而對彈體的穩(wěn)定性產(chǎn)生重要影響。在彈體跨介質(zhì)高速入水過程中，空泡的形成和發(fā)展會導(dǎo)致彈體周圍流場的壓力分布發(fā)生變化。當(dāng)彈體高速沖入水中時(shí)，其頭部周圍的水壓力迅速降低，形成空泡?？张輧?nèi)部的壓力接近水的飽和蒸汽壓，遠(yuǎn)低于周圍水的壓力，這就使得彈體在空泡區(qū)域受到的壓力分布與在無空泡情況下截然不同。在空泡包裹彈體的部分，彈體受到的壓力相對較小，而在空泡與水的交界面處，壓力梯度較大，會產(chǎn)生一個(gè)指向空泡內(nèi)部的作用力。這種壓力分布的變化會改變彈體所受的合力和合力矩，從而影響彈體的運(yùn)動穩(wěn)定性?？张莸牟粚ΨQ性是影響彈體穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素之一。在實(shí)際入水過程中，由于彈體的初始姿態(tài)、入水角度以及水流的不均勻性等因素，空泡往往呈現(xiàn)出不對稱的形態(tài)?？张莸牟粚ΨQ會導(dǎo)致彈體在不同方向上受到的力不均衡，從而產(chǎn)生使彈體發(fā)生偏轉(zhuǎn)的力矩。當(dāng)彈體入水角度不為零時(shí)，空泡在彈體一側(cè)的發(fā)展會受到更大的限制，導(dǎo)致空泡形狀不對稱，使得彈體受到一個(gè)側(cè)向的力，從而發(fā)生偏航。在一些實(shí)驗(yàn)中可以觀察到，當(dāng)彈體以15°入水角度入水時(shí)，右側(cè)空泡尺寸明顯小于左側(cè)空泡，彈體在入水后會向右側(cè)發(fā)生一定程度的偏航，這表明空泡的不對稱性對彈體的運(yùn)動軌跡產(chǎn)生了顯著影響?？张莸拈]合過程同樣對彈體穩(wěn)定性有著重要影響。隨著彈體入水深度的增加，周圍水的壓力逐漸增大，空泡會逐漸閉合。在空泡閉合過程中，空泡內(nèi)部的氣體被壓縮，壓力迅速升高，同時(shí)空泡壁與彈體表面的相互作用也會發(fā)生變化。當(dāng)空泡閉合時(shí)，空泡壁會對彈體產(chǎn)生一個(gè)沖擊力，這個(gè)沖擊力的大小和方向會隨著空泡的形狀和閉合速度而變化。如果空泡閉合時(shí)產(chǎn)生的沖擊力過大或方向不穩(wěn)定，就可能導(dǎo)致彈體的運(yùn)動姿態(tài)發(fā)生劇烈變化，甚至失去穩(wěn)定性。在空泡閉合的瞬間，彈體可能會受到一個(gè)突然的向上或向下的沖擊力，使得彈體的俯仰角度發(fā)生改變，影響其在水中的運(yùn)動穩(wěn)定性?？张輰楏w穩(wěn)定性的影響是一個(gè)復(fù)雜的過程，涉及到彈體周圍流場的壓力分布、空泡的不對稱性以及空泡的閉合等多個(gè)因素。深入研究這些因素對彈體穩(wěn)定性的影響機(jī)制，對于優(yōu)化彈體設(shè)計(jì)、提高其在水中的運(yùn)動穩(wěn)定性具有重要意義。5.2彈體穩(wěn)定性對空泡特性的反作用彈體的穩(wěn)定性對空泡特性具有顯著的反作用，二者相互影響，共同決定了彈體跨介質(zhì)高速入水的復(fù)雜過程。當(dāng)彈體在入水過程中保持穩(wěn)定的運(yùn)動姿態(tài)時(shí)，空泡的生成和發(fā)展也會相對穩(wěn)定。穩(wěn)定的彈體運(yùn)動使得其周圍的流場分布較為均勻，水的壓力和速度變化相對平穩(wěn)，這有利于空泡的規(guī)則生成和發(fā)展。在彈體垂直且勻速入水的情況下，空泡會以相對對稱的形態(tài)圍繞彈體生長，其尺寸和形狀的變化也較為規(guī)律。這種穩(wěn)定的空泡特性又進(jìn)一步減小了彈體受到的流體作用力的波動，有助于維持彈體的穩(wěn)定性，形成一種良性循環(huán)。一旦彈體出現(xiàn)不穩(wěn)定運(yùn)動，如發(fā)生偏航、俯仰或翻滾等姿態(tài)變化，空泡的特性會發(fā)生顯著改變。彈體的偏航會導(dǎo)致空泡在一側(cè)的發(fā)展受到阻礙，使空泡形態(tài)變得不對稱。當(dāng)彈體在入水過程中發(fā)生偏航時(shí)，向偏航方向一側(cè)的空泡由于受到彈體的擠壓和水流的沖擊，其尺寸會相對較小，而另一側(cè)的空泡則會相對較大，這種不對稱的空泡形態(tài)會進(jìn)一步加劇彈體的偏航趨勢，形成一種惡性循環(huán)。彈體的俯仰運(yùn)動也會影響空泡的特性。當(dāng)彈體發(fā)生抬頭或低頭的俯仰運(yùn)動時(shí)，空泡在彈體頭部和尾部的分布會發(fā)生變化，導(dǎo)致空泡的長度和直徑發(fā)生改變，進(jìn)而影響彈體的受力情況和運(yùn)動穩(wěn)定性。彈體的不穩(wěn)定運(yùn)動還會導(dǎo)致空泡的潰滅特性發(fā)生變化。不穩(wěn)定的彈體運(yùn)動會使空泡周圍的流場變得更加復(fù)雜，壓力分布更加不均勻，這會導(dǎo)致空泡在潰滅時(shí)產(chǎn)生的局部高壓和高速微射流的強(qiáng)度和方向發(fā)生改變。在彈體翻滾的情況下，空泡潰滅時(shí)產(chǎn)生的微射流可能會對彈體表面的不同部位造成沖擊，增加彈體表面的損傷風(fēng)險(xiǎn)。而且，彈體的不穩(wěn)定運(yùn)動還可能導(dǎo)致空泡提前潰滅或延遲潰滅，這會影響彈體在水中的運(yùn)動性能和能量消耗。如果空泡提前潰滅，彈體將失去空泡的減阻作用，受到的水阻力會急劇增大，導(dǎo)致彈體速度迅速衰減；而如果空泡延遲潰滅，可能會影響彈體的后續(xù)運(yùn)動控制，使其難以按照預(yù)定的軌跡運(yùn)動。彈體的穩(wěn)定性與空泡特性之間存在著密切的相互關(guān)系，彈體的不穩(wěn)定運(yùn)動會顯著改變空泡的生成、發(fā)展和潰滅特性，而空泡特性的變化又會反過來影響彈體的穩(wěn)定性。深入研究這種相互關(guān)系，對于優(yōu)化彈體設(shè)計(jì)、提高其在跨介質(zhì)高速入水過程中的性能和可靠性具有重要意義。六、結(jié)論與展望6.1研究成果總結(jié)本文圍繞彈體跨介質(zhì)高速入水階段的穩(wěn)定性及空泡特性展開深入研究，通過理論分析、數(shù)值模擬等方法，取得了一系列具有重要意義的研究成果。在彈體結(jié)構(gòu)參數(shù)對穩(wěn)定性的影響方面，研究發(fā)現(xiàn)不同的彈頭形狀在入水過程中展現(xiàn)出截然不同的穩(wěn)定性表現(xiàn)。平頭彈體在水中飛行時(shí)具有出色的彈道穩(wěn)定性，這是因?yàn)槠漭^大的頭部平面與水的接觸面積相對較大，使得水對彈體的作用力分布較為均勻，在入水瞬間雖受到較大沖擊載荷，但能保持穩(wěn)定姿態(tài)進(jìn)入水中，不易發(fā)生明顯偏轉(zhuǎn)。卵形彈體在入水前期就容易發(fā)生偏轉(zhuǎn)，原因是其頭部呈弧形，入水時(shí)水對彈體的作用力在頭部分布不均勻，一側(cè)受到的水壓力較大，另一側(cè)相對較小，產(chǎn)生的偏轉(zhuǎn)力矩導(dǎo)致彈體在入水前期偏離初始運(yùn)動方向。截卵形彈體在入水后期往往因受力不均衡而發(fā)生偏轉(zhuǎn)，其頭部形狀介于平頭和卵形之間，入水后期周圍流場變得復(fù)雜，水對彈體的作用力分布變化，導(dǎo)致彈體受到不同方向的力，這些力的不平衡引發(fā)彈體偏轉(zhuǎn)。尾翼設(shè)計(jì)參數(shù)對尾翼式超空泡射彈的入水穩(wěn)定性同樣有著重要影響。尾翼直徑越大，入水沖擊越大，因?yàn)槲惨碇睆皆龃?，入水瞬間與水的接觸面積增大，根據(jù)動量定理，受到的沖擊力也就越大。15mm尾翼射彈在入水1ms時(shí)速度最快，且俯仰運(yùn)動最為平穩(wěn)，說明在一定范圍內(nèi)，合適的尾翼直徑能夠優(yōu)化射彈的入水性能，使其在入水初期保持較好的速度和穩(wěn)定姿態(tài)。尾翼楔角也會改變尾翼在入水過程中的受力情況，進(jìn)而影響彈體的運(yùn)動穩(wěn)定性。空泡氣流穩(wěn)定前，楔角為60°的六尾翼槍彈的彈道特征及速度波動大于楔角為30°和45°的六尾翼槍彈；空泡氣流穩(wěn)定后，楔角為60°的六尾翼槍彈的彈道特征及速度波動小于楔角為30°和45°的六尾翼槍彈。入水條件參數(shù)對彈體穩(wěn)定性的影響也十分顯著。在入射角一定的情況下，彈塑性射彈入射速度越大，射彈轉(zhuǎn)向能力越高，彈道穩(wěn)定性越穩(wěn)定，因?yàn)檩^大的入射速度使彈體具有更大的動量，能更好地抵抗外界干擾力，保持相對穩(wěn)定的運(yùn)動軌跡。入水角度的變化會導(dǎo)致彈體在入水瞬間受到的水的作用力方向和大小改變，從而影響彈體的穩(wěn)定性和運(yùn)動軌跡。射彈入水后，入水角為15°時(shí)，偏航角、滾轉(zhuǎn)角的波動范圍更小，相對入水角為5°時(shí)，其入水穩(wěn)定性更好，因?yàn)檩^小的入水角度使彈體受到的水的作用力相對較小，且作用力方向相對穩(wěn)定，利于彈體在入水后保持穩(wěn)定運(yùn)動姿態(tài)。外部環(huán)境因素對彈體穩(wěn)定性的影響不容忽視。水體密度越大，彈體入水時(shí)受到的沖擊力越大，這是因?yàn)楦鶕?jù)動量定理，在其他條件相同的情況下，水體密度增大，彈體在相同時(shí)間內(nèi)排開的水質(zhì)量更多，動量變化量增大，而作用時(shí)間近似不變，所以沖擊力增大。水體粘度越大，彈體在水中運(yùn)動時(shí)受到的粘性阻力越大，會消耗彈體的動能，使其速度迅速衰減，還會抑制空泡的形成和發(fā)展，影響彈體的受力情況和運(yùn)動穩(wěn)定性。水流速度會改變彈體與水之間的相對速度，從而影響彈體受到的作用力。順流時(shí)，彈體與水流的相對速度減小，受到的沖擊力相對較小，有利于彈體穩(wěn)定入水；逆流時(shí)，相對速度增大，沖擊力增大，可能導(dǎo)致彈體在入水瞬間發(fā)生劇烈擺動或翻滾，偏離預(yù)定運(yùn)動軌跡。湍流是一種高度復(fù)雜的非穩(wěn)態(tài)、隨機(jī)的流動狀態(tài)，會使彈體入水過程更加復(fù)雜，導(dǎo)致彈體受到的力不穩(wěn)定，運(yùn)動姿態(tài)發(fā)生劇烈變化，空泡的形成和發(fā)展也更加不穩(wěn)定，對彈體產(chǎn)生不均勻的作用力，加劇彈體的不穩(wěn)定運(yùn)動。在彈體跨介質(zhì)高速入水階段的空泡特性模擬方面，通過數(shù)值模擬得到了不同時(shí)刻彈體入水時(shí)空泡的形態(tài)變化、尺寸與體積變化以及內(nèi)部壓力分布情況。入水初期，彈體高速沖入水中，頭部周圍的水被迅速排擠，壓力急劇降低，水開始汽化形