低速斜入水射弹体的动力学与跳弹行为研究中文标题：低速斜入水射弹体的动力学行为与跳弹机理研究

为解决水下航行体入水冲击载荷控制与轨迹稳定性问题，研究人员采用雷诺平均纳维-斯托克斯（RANS）模型与重叠网格技术，系统研究了不同入水角度（5°–30°）和转速（0–50 rps）对锥头圆柱体射弹动力学特性、流体载荷及空泡演化规律的影响。结果表明小角度入水易诱发跳弹现象，增大入水角使俯仰力矩峰值提升近70%，而高转速通过马格努斯效应（Magnus effect）显著增强横向位移与运动不稳定性。该研究为跨介质航行器结构设计与轨迹控制提供了重要理论依据。

　　

水下航行体在入水过程中面临的冲击载荷控制与运动稳定性问题是海洋工程领域的核心挑战之一。当物体以较小倾角斜切入水面时，可能发生跳弹（ricochet）现象——即物体短暂潜入水体后重新跃出水面。这种现象既可能被用于减缓跨介质航行器的入水冲击载荷，也可能对空投鱼雷等武器的隐蔽性和精度产生负面影响。尽管传统水动力理论对简单形状物体的入水过程已有初步研究，但关于跳弹现象的系统性研究仍存在空白，尤其是旋转运动对跳弹行为的影响机制尚未明晰。

为深入探究这一问题，宁波大学船舶与海洋工程研究所的刘翔宇、辛建建等研究团队在《Results in Engineering》发表了最新成果。研究团队通过计算流体动力学（CFD）软件STAR-CCM+构建了三维数值模型，采用雷诺平均纳维-斯托克斯（RANS）方程结合Realizable k-ε湍流模型描述流场运动，运用流体体积法（VOF）捕捉气液界面，并引入重叠网格技术耦合六自由度（6DOF）运动方程来精确模拟射弹的任意运动。研究选取锥头圆柱体为对象（直径D=50 mm，长径比R=6，密度比N=7），系统分析了入水角度（5°、10°、20°、30°）和转速（0、10、20、50 rps）对运动轨迹、流体载荷及空泡演化的影响。

关键技术方法包括：基于有限体积法求解RANS控制方程，采用SIMPLE算法实现压力-速度耦合，运用二阶迎风格式离散对流项；通过重叠网格技术处理运动边界问题，在射弹周围设置加密棱柱层网格以捕捉边界层流动；采用粒子图像测速（PIV）实验数据验证模型可靠性，并进行了网格无关性分析与时间步长敏感性验证。

4.1 入水角度影响

研究发现在5°入水角时射弹出现完整跳弹现象，其质心最大垂向位移达峰值后重新跃出水面；10°和20°时仅出现反弹而未完全出水；30°时则直接下沉。小角度入水时水平速度分量较大，而垂向速度易受流体阻力作用反向，从而诱发跳弹。流体载荷分析显示：入水瞬间射弹鼻尖压力骤增，小角度入水的轴向力峰值更高但衰减更快；随着入水角从5°增至30°，俯仰力矩峰值增长约70%，导致角速度变化加剧。空泡演化方面，大角度入水使空泡颈缩与表面闭合时间显著缩短，20°入水时空泡在50 ms内即发生溃灭。

4.2 转速影响

旋转运动通过马格努斯效应（Magnus effect）显著改变射弹运动特性。当转速增至50 rps时，横向位移增大且垂向运动呈现复杂振荡，轨迹不稳定性加剧。力矩分析表明高转速工况下径向力和轴向力出现剧烈波动（例如50 rps时振幅达非旋转工况的2倍以上），俯仰角速度呈现周期性振荡。流场可视化显示：高转速射弹尾流中产生大规模涡旋结构，涡脱落频率与力振荡特性直接关联，证实了马格努斯力对流体不稳定性的主导作用。

该研究通过高精度数值模型揭示了低速斜入水过程中跳行为的关键机理，明确了入水角度与旋转运动对动力学特性的调控规律。研究发现的小角度入水跳弹临界条件（θ≤8°）与实验结论一致，而提出的转速-轨迹不稳定性关联模型为跨介质航行器的运动控制提供了新思路。值得注意的是，研究首次系统量化了旋转射弹在入水过程中的马格努斯效应强度与空泡演化耦合机制，对水下武器系统优化与航行器结构设计具有重要工程指导意义。未来研究可结合先进流动测量技术，进一步验证数值模型对复杂流动特征的预测精度。