高速弹丸穿越水下冰洞的热-流体动力学耦合与空腔动力学

《International Communications in Heat and Mass Transfer》：Thermal-hydrodynamic coupling and cavity dynamics of high-speed projectiles traversing a submerged ice hole

　　

摘要

在冰盖覆盖的极地海洋中可靠部署水下传感系统，要求全面理解弹丸在低温条件下穿过预钻孔洞的穿透过程。本文将热力学空化框架进行扩展，以考虑高速入水过程中与温度相关的相变效应，并通过与基准实验测量的对比来评估其在描述低温空化方面的能力。随后，将扩展后的框架应用于极地环境下的高速入水问题研究，重点考察热力学空化、空腔演化与温度依赖型流体性质之间的耦合关系。进一步研究了弹丸穿过浸没冰孔时的入水行为，并分析了冰孔约束下环境温度与弗劳德数对空腔演化、流场发展和弹丸动力学特性的影响。结果表明，低温条件通过液体热物理性质的耦合变化和蒸气生成来改变空腔发展。环境温度的降低促进了空腔更早的坍塌事件，包括近表面封堵和下游缩颈。在冰孔约束下，表面封闭对温度的敏感度较低，而深层缩颈在低温下更早发生。随着弗劳德数的增加，冰孔对空腔尺寸的约束效应减弱，而温度对深层缩颈期间空腔演化的影响则更加显著。此外，本模型预测在穿过冰孔过程中，随着温度降低，弹丸阻力增大。这些结果为理解低温热力学空化与几何冰孔约束的耦合作用对高速入水过程的影响提供了新的物理洞察，并为极地环境下的水下探测器部署提供了指导。

引言

极地地区蕴藏着丰富的矿产资源、石油和天然气等化石燃料，以及冰川和积雪的深层储存[1]、[2]、[3]、[4]、[5]。这些资源对全球各国的经济发展和能源需求至关重要。因此，极地资源的勘探与开发引起了广泛关注[6]、[7]、[8]、[9]、[10]。由于极地海洋的保密性，极地地区成为军事活动的重要场所。随着科学技术的不断发展，各种先进技术已广泛应用于极地资源探测。为获取极地海洋信息，极地海洋探测器需要沉入水中，并通过自推进在指定位置进行资源勘探。鉴于极地环境的低温条件，这可能会影响探测器内部组件的灵敏度以及勘探过程。同时，由于极地环境复杂的冰层结构，探测器无法直接穿过完整冰层入水。因此，在进行极地勘探时，应选择开阔海域，或提前在完整冰层结构中钻孔，以确保探测器的入水。因此，研究探测器在极地环境下的入水行为对极地资源勘探项目具有重要意义。

探测器通过发射器入水的过程属于物体跨介质运动中的入水问题[11]、[12]、[13]、[14]、[15]。在进行极地能源探测时，将探测器发射到更深的水下深度变得势在必行。这要求在初始入水阶段，探测器需要通过自身推进力或发射器的动力提供足够的动能，以达到指定的入水深度。因此，在进行极地探测器高速入水勘探任务时，深刻了解高速入水的特性对于确保极地勘探任务的顺利进行至关重要。大量研究工作致力于理解高速入水撞击相关的空腔形成问题。先前的研究建立了能够描述快速穿透物体后方空气空腔的生成、扩展和坍塌的数值和实验框架。Lee等人[16]提出了一种建模高速撞击和刚性弹丸穿入水中引起的空腔形成和坍塌的方法。他们发现，对于给定的弹丸尺寸，深层封闭的时间基本恒定，且与撞击速度无关。Shi等人[17]揭示了超空化结构的形成，并强调了自由表面下方空腔分离现象的发生。Zhang等人[18]对不同的空腔坍塌模式进行了分类，确定了控制空腔稳定性的关键参数。他们发现弹丸加速度是决定初始空腔坍塌的最重要因素。Sui等人[19]表明弹丸几何形状强烈影响穿透过程中的轨迹演化和空腔形态。他们发现弹丸的轨迹稳定性高度依赖于弹头的水湿表面。Li等人[20]建立了跨介质弹丸高速入水时多相流场与轨迹的耦合计算方法，分析了不同入水速度、入水角度和预设舵角下的入水过程。Xia等人[21]对不同锥角弹体的高速入水进行了流固耦合研究，结果表明弹体锥角对空腔演化、运动特性和结构响应有显著影响。

在高速入水过程中，当流体压力降至汽化压力以下时会发生空化现象。该现象显著影响空腔演化。然而，目前的研究主要集中在物体高速入水的动力学特性上，对空化效应的深入研究仍显不足。同时，极地环境的低温会改变水的物理性质。在高速入水过程中，低温环境可能对空化效应产生特殊影响。因此，为极地低温环境下高速入水的数值模拟选择合适的空化模型至关重要。许多工程流体力学相变模型已被用于空化模拟。现有研究将空化模型与多物理场方法相结合，研究了快速入水相关的声学和流体动力学响应[22]。一些研究者采用基于传输方程的空化模型来重现高速入水事件中的蒸气分布和空腔演化[23]。界面捕捉技术与质量传输公式结合也被用于分析空腔拓扑和弹丸运动[24]。此外，Merkle[25]、Kunz[26]和Singhal[27]空化模型也被用于研究流体动力学。尽管它们在重现大尺度流场结构方面取得了成功，但大多数现有模型假设热力学平衡，因此无法充分表征极地环境中遇到的温度敏感相变过程。因此，在经典空化模型基础上引入相关热力学效应条件，以解决低温环境下物体高速入水的空化问题至关重要。

除极端热条件外，极地海洋还以多样的冰形态为特征，这些冰形态为水下部署操作引入了独特的边界约束。这些冰体改变了入水撞击过程中的自由表面变形、流场发展和空腔演化。一些学者对不同冰环境下的入水进行了相关研究。Wang等人[28]研究了物体穿透冰-水系统，证明漂浮冰显著改变了飞溅生成和空腔动力学。随后他们研究了弹丸在不同初始高速下穿过冰-水混合物而不与冰碰撞的过程[29]。Hu等人[30]研究了漂浮冰布局、弗劳德数以及漂浮冰与弹丸距离对入水动力学的影响，建立了漂浮冰影响下的入水动力学模型。实验和数值研究进一步证实，冰孔施加的几何约束可显著改变空腔生长和坍塌行为[31]、[32]。在这些研究中，物体避免与冰结构直接接触，以最小化探测器损坏的风险。然而，这些研究的范围仅限于特定类型的冰结构。高速入水需要预先安装发射装置。当水下冰层阻碍入水轨迹时，它阻碍了极地探测器的入水探测。为了解决这一问题，发射点需要穿过水下冰层钻孔，为探测器建立入水通道。尽管如此，浸没冰孔约束与温度相关空化的综合影响仍缺乏充分理解，这促使了本研究。

在基于Rayleigh-Plesset框架的已建立热力学空化处理方法基础上，本研究将温度相关相变效应纳入空化模型，并将该处理方法与多相入水求解器集成。模型的有效性通过现有实验数据进行验证。基于热力学空化模型，研究了极地低温环境下弹丸的高速入水过程，解决了低温空化问题。随后，研究了不同温度下弹丸穿过水下冰孔的入水行为。考虑了环境温度和入水条件对穿过水下冰孔时空腔演化、流场发展和弹丸动力学特性的影响规律，分析了低温条件和水下冰孔对弹丸高速入水过程的约束效应。

章节摘要

控制方程

弹丸穿透冰约束水面涉及气体、液体和蒸气相之间的强相互作用，需要统一的多相流描述。撞击过程中，自由表面变形、相变和传热同时发生，导致高度瞬态的多物理场行为。通过应用于多相混合物的质量、动量和能量耦合守恒方程来描述控制流场。

连续性方程

温度依赖型热力学空化模型

热力学效应对空化的影响已在低温和热敏流体中得到广泛研究，已有若干公式通过在经典空化模型中纳入热传输和相变效应而建立。本研究的公式遵循这一既有的发展路线。本文的目标并非引入全新的热力学空化理论，而是将温度相关相变效应纳入Zwart类型公式。

物理模型

本数值研究中建模的高速撞击体由铝合**制，名义材料密度为ρp = 2.7 g/cm3。结构几何特征为参考弹头直径D0 = 16 mm，对应投影截面积Sp = πD2/4。图3(a)提供了弹丸空间尺寸和几何布局的综合视图。弹丸头部具有尖锐的圆锥形构型，总夹角为……

算法有效性验证

本数值框架涉及浸没冰孔施加的几何约束以及带热效应的温度相关空化。由于这些机制涉及截然不同的空间和时间尺度，且目前尚无可用的完整配置下空腔形态、蒸气分数、温度和流体动力学力的同步实验测量数据，因此采用分层验证策略，而非……

不同环境温度下弹丸的高速入水过程

在极地零度以下环境中高速穿水阶段，撞击体的快速运动不可避免地会引发显著的空化现象。极地环境特有的瞬态热变化实质性地改变了多相介质的热物理性质，从而调制了底层的空化途径和宏观空腔演化。重要的是，这些空化特性显著影响了……

结论

本研究探讨了刚性弹丸在极地低温条件下穿透浸没冰孔的热流体动力学行为。将已建立的热力学空化框架扩展至本多相入水问题，通过Zwart类型公式纳入温度相关相变效应。所得框架用于考察环境温度和弗劳德数对空腔演化、流场……

CRediT作者贡献声明

胡新宇：撰写—原始稿。左玲玲：数据管理。王小刚：数据管理。任泽宇：调研。魏英杰：资源。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争经济利益或个人关系可能影响本文所报告的工作。

致谢

本工作受国家自然科学基金（编号：12602370和U2441206）支持，并受中国博士后科学基金（编号：2026M794743和GZB20260489）支持。

胡新宇 | 左玲玲 | 王小刚 | 任泽宇 | 魏英杰