0 引　言

入水过程作为经典的多相耦合过程，广泛存在于多种不同类别的海洋装备的运行过程^[1]之中，例如反潜武器装备入水、水上飞机水面着陆^[2]、舰船入水、乘员舱入水^[3]、水下滑翔机空投等。

入水过程为典型的复杂气-液-固三相间的耦合流动，最显著的特征是该过程具有高集中的入水冲击载荷和强烈的非线性与非定常特性，并且自由界面参数变化明显，同时该过程的作用时间较为短暂。在此影响下，入水过程会直接导致装备姿态突变，也使其表面连续受到交变应力，造成结构可靠性降低与寿命缩减甚至结构断裂失效，即对装备的破坏异常剧烈^[3]。

现阶段，国内外学者主要通过科学实验、数值仿真与理论分析相结合的方法，针对物体入水过程冲击载荷的变化与入水空泡的演化展开研究，主要分析物体特征、运动特性与运行环境属性的不同对其影响。物体特征与运动特性影响的研究相对较多，运行环境属性影响的研究相对较少。

1 物体特征对入水过程的影响

物体特征对入水过程影响的研究，主要集中于物体不同的几何特征、表面状况、密度、温度、亲/疏水性、刚性/弹性等不同方面，以对几何特征影响的研究相对较多，代表性成果如表1所示。

对几何特征影响的探讨，主要包含有明显不同的物体头型与因尺寸变化形成头型差异对入水过程的影响。如，Li等^[4]通过实验获取佛汝德数由10变为40的情况下，圆锥形、半球形与平头型三种弹体的入水过程的空泡特性。对平头型，受弹体尾部影响，表面闭合时间随佛汝德数增加呈分段特性；对圆锥形与半球形，表面闭合发生与否的临界佛汝德数分别为24与22。闭合之后，对平头与半球形弹体，空泡最大直径减小；对圆锥形，缓慢增大。刘华坪等^[5]改变鱼雷长短轴比获取不同头型鱼雷并进一步探讨对入水过程的影响，得到阻力与最大冲击载荷随长短轴增加而有所变小。

对不同表面状况的研究，多为对物体表面设置不同状态，进而开展入水过程的研究，并进行综合对比。May^[6]探究外表面分别为油脂、树脂、硅胶3种不同涂层的球体入水过程中的载荷受力与空泡发展的变化规律，实为研究表面状况不同对入水过程的影响。Kim与Park^[7]通过科学实验开展射弹前部光滑与粗糙2种不同表面状况下的入水过程的研究。结果表明，光滑情况下，射弹撞击水面时，所形成的水膜沿物体表面上升；粗糙情况下，水膜发生早期分离，自由液面之上形成喷溅水花。表面状况的不同对入水过程的影响非常显著。

对密度影响的研究，包含有高/低密度物体以及同一密度属性范围内不同密度物体入水过程的综合对比。Ueda等^[8]获取，与高密度球体入水过程相比，低密度球体的快速减速使得在更浅的深度截断空泡且球体后表面吸附最少的空气。穆青等^[9]通过数值计算研究得到回转体密度的不同对倾斜入水过程空泡演变发展和对运动学与动力学规律变化的影响，得到空泡轮廓直径和开口处直径随密度增大而变小，空泡长度有所变大；同一时间内，入水深度与密度呈正相关，入水后速度减小程度与其呈负相关。入水瞬间，加速度最大值与压力变弱程度和密度呈负相关。

对温度影响的探讨，主要是赋予物体以不同的温度，建立与入水过程间的联系。如，Choi等^[10]通过实验研究球体表面温度从105 °C 变化至355 °C时，对入水过程空泡演化过程的影响，得到空泡变至最大后，随温度升高急剧收缩变小成为微气泡，并且几乎近90%的空泡遭到严重破坏。Li等^[11]研究得到相同入水速度条件下，室温下的球体并未形成空泡，温度较高的球体因显著降低入水过程的临界速度而形成空泡。

对亲/疏水性不同材料的研究，常见为对2种不同材料的物体入水过程做对比分析，也存有对亲疏水材料平均组成的物体入水过程的探究。如，Techet与Truscott^[12]通过高速摄影系统拍摄得到亲疏水性材料的旋转球体入水过程，并着重探究运动轨迹与加速度的变化规律。旋转率较小时，2种不同材质球体的运动轨迹差异明显；疏水球体具有更明显的横向运动；对亲水性球体，运动过程中横向加速度小幅增加，运动轨迹曲率显著改变。孙钊等^[13]获取半亲水-半疏水球体入水过程的水动力特性。所形成的空泡与同一种材料下的相比呈现非对称性且运动轨迹由疏水侧向亲水侧偏移，自由液面之上的喷溅呈现为“心”型。

对刚性体与弹性体入水过程的研究，现阶段主要仅以刚性体模型入水过程的研究为主；但仅以弹性体以及刚性体与弹性体对比的研究相对较少。如，Sun等^[14]通过非线性边界元法开展数值计算，分析刚性抛物面入水过程，得到对尖锐的边缘与尖端并不存于抛物面周围的情况下，倾斜入水过程，水从侧面与下面流过物体，并伴有负压出现；同时，相对于物体的驻点沿流动方向移动。横向速度对横向所受总力影响较显著，对竖直方向影响较小，而长细比系数的影响正好相反。Yang等^[15]探明弹性球体入水过程变形规律。水动力压力作用下，球体长形变形量小于扁圆变形量；形变周期仅与材料剪切模量相关，变形大小主要受冲击速度与剪切模量影响。Shi等^[16]通过数值仿真方法对比探究刚性体与弹性体自主水下航行器的入水过程；结果表明，弹性体的加速度包含有物体加速度与弹性变形加速度，因而所形成的冲击加速度大于刚性体的，称之为水弹效应。

2 物体运动特性对入水过程的影响

入水过程，除受物体特征影响，也与物体运动特性紧密相关，主要包含有物体入水速度、入水角度、自身旋转特性、受扰动性与串/并联运动方式等，以入水速度、入水角度、串/并联运动方式影响的研究较多，所形成的代表性研究成果如表2所示。

对入水速度的影响，主要分析不同速度下入水过程空泡与冲击载荷的变化。如Zhao等^[17]通过实验研究得到，随速度增加，空泡表面闭合时间变长且空泡尺寸变大。但速度对形成最大空泡直径时的深度及空泡壁面截面平均速度影响较小。速度越大，初始冲击波峰值的压力越大，穿透距离越长，速度衰减越大。孙士明等^[18]分析了200 m/s、250 m/s与300 m/s的速度对航行体入水过程冲击载荷与空泡变化的影响。速度与轴向最大冲击载荷呈现出既非线性也非平方的关系，且随速度增大，面闭合空泡长度变长。

对入水角度的影响，通常为同一模型以不同角度入水，对比分析入水过程空泡变化与建立相关的运动学和动力学规律。如Che等^[19]通过数值仿真研究了60°、70°、80°与90°的入水角度对入水过程空泡变化的影响。入水角度越小，空泡表面闭合时间就越晚，空泡的不对称性就更明显。钱铖铖等^[20]数值研究了30°、45°与70°的入水角度对入水过程的影响。得到，总速度的衰减率随入水角度增大有小幅增加；压力最大值随入水角度增加而持续变大，且入水瞬间的压力衰减也变得越快。

对自身旋转特性的研究，主要是赋予模型不同的旋转速度，分析相应的入水过程，并与非旋转情况下的做比较，衡量旋转速度的影响。如，Li等^[21]数值研究旋转速度分别为0、5、10、30、65 rot/s对倾斜入水过程的影响。主要结果表明：旋转情况下所形成的空泡呈非对称形态，且随旋转速度的增加，变得越光滑。同时，压力与非旋转下的相比，呈现不规则与不对称；冲击初始时刻，压力最大值随旋转速度增加而变大。肖海燕等^[22]开展旋转弹体高速入水过程的研究，也得到空泡为非对称形态；弹体因较大面积沾湿，而受到很大的力矩与流体动力，进而由于运动失稳而造成弹跳翻转。

对扰动影响的探讨，主要和无扰动情况下的做对比，突出扰动对入水过程的影响，该项研究相对较少。如蒋运华等^[23]通过开展实验，探明小扰动对物体入水过程空泡的影响并形成规律。得到，对无扰动情况，空泡长度仅在深度闭合之后略微增大；与无扰动情况下的相比，有扰动情况下的背流面空泡长度变长，迎流面空泡长度变短，整体具有较为复杂的变化。未发生深度闭合时，空泡直径的变化主要受小扰动的影响，使其变大。

对串并联运动方式影响的研究，多为研究两个模型分别以并联或串联方式入水，比较而言，对并联入水的研究较串联条件下的多。如Lu等^[24]数值研究并联弹体高速入水过程。得到，由于弹体间的相互剧烈干扰，导致空泡分布呈现非均匀特性，因部分弹体浸入水中，使得空泡结构与弹道稳定性均遭受破坏。弹体均受到严重侧向力，运动过程将两者分开。黄海龙等^[25]通过实验探究射弹空化器高速并联入水过程。得到，两者轴向间距相同时，空泡间耦合程度随射弹空化器直径减小而变弱，形成部分穿越；相同直径情况下，脱落空泡间的吸引随轴向间距增大而变弱但偏移值先变大后变小；两者间有前后距离时，先发射弹易造成空泡截断，但随轴向间距增大而变弱。Yun等^[26]通过实验探讨物体串联入水过程，得到，因后入水物体对前入水物体表面闭合向上射流的影响，使得更多能量传递给流体，在后入水球体后形成一个更大空泡。当后入水空泡完全浸入水中时，所形成的空泡被拉长，并伴有较大范围的水花。深度闭合后，后入水球体因前入水球体空泡尾迹影响，形成多段空泡。当后入水球体穿越第一个球体因空泡破裂所形成的泡状流时，其速度受空泡减阻效应的影响比相同初始冲击速度下的单球快。

3 运行环境属性对入水过程的影响

物体入水运动过程，针对运行环境属性的影响，现阶段主要集中于气体与液体的粘度和可压缩性，液体表面张力等方面。与对物体自身特征与运动特性影响的研究相比，运行环境属性影响的系统研究整体相对较少，并未形成完善的规律且进一步揭示机理。相关研究如表3所示。

对气体与液体粘度的探究，主要是将粘度纳入至对入水过程影响的分析之中，衡量其影响程度。如，Yang等^[27]通过人工方法显著增强气体粘度，用于分析对疏水性球体入水过程的影响。结果表明，在气体粘度是液体粘度100倍的条件下，空气膜比球体直径要薄，并且膜的寿命可通过粘性压缩流模型预测。Marston等^[28]通过实验获取雷诺数由0.2变为1.2×10⁵时，受球体与液体表面间空气层中的润滑压力影响，形成薄空气穴，其厚度变化与气体粘度紧密相关。Akers等^[29]通过实验系统探讨了球体入水过程液体粘度的影响。结果表明，随流体弹性模量增大，球体入水后的深度与撞击水面所形成的湍动能持续变大。受德博拉数和重力与弹力比值的影响，空泡表面纹理由光滑转变为断裂。

对气体与液体可压缩性的探讨，主要是将其引入至入水过程，开展对比分析，建立影响规律。如孙凯等^[30]由数值计算探明气体可压缩性对回转体入水过程影响的规律。得到，与未考虑可压缩性的情况相比，气体可压缩性使得物体在接触水面时因激波与其相互作用，压力梯度形成于附近水相区域，并且此时的阻力系数变小。另一方面，与空气中运动相关的阻力系数增大与阻力系数形成最大值的时间均延迟。李国良等^[31]开展入水过程的数值仿真，研究液体可压缩性的影响。得到，液体可压缩性在入水速度小于100 m/s时，对冲击载荷的影响较小；高于200 m/s时，可压缩性随速度的增加对冲击载荷的影响越为显著，表现为冲击载荷变小且相应最大值出现变迟，所形成的空泡受可压缩性影响而收缩。Eroshin等^[32]通过理论与实验相结合的方法研究钝头体撞击可压缩液体表面时所形成的冲击载荷的变化，得到其值较忽略可压缩性影响时的小，表明液体可压缩性是影响冲击载荷变化的一个重要因素。

对液体表面张力的分析，研究成果相对较少。如Marston等^[33]通过开展球体入水冲击至静止液体内的实验，研究表面之上喷水皇冠闭合及其不稳定性特征，该过程通过沿皇冠的上竖直条纹来衡量不稳定性，并通过改变物体直径、液体性质与实验压力阐明机理与作用力。无论低速与高速条件下的入水，表面张力对皇冠闭合的影响都较为显著，并通过对现有韦伯数公式的修正，用于确定惯性力与表面张力的比率对不同情况下入水过程的影响程度。

4 结　语

现阶段，针对物体特征与运动特性对物体入水过程影响的研究较多，但针对运行环境属性影响的研究相对较少，需进一步开展相关研究，建立不同运行环境属性下冲击载荷与空泡变化的规律，并揭示机理。另一方面，需搭建可研究多种因素相互耦合对物体入水过程影响的实验平台，构建集冲击载荷测量、空泡观测、弹体入水点测量、弹体水中运行轨迹测量的一体化实验测试系统，且形成多传感器数据融合处理平台，用于开展实验，研究多种不同因素相互耦合对物体入水过程的影响。数值计算方面，需构建鲁棒性更强的气液固相互耦合的算法，用于开展计算，提高计算结果的精度。理论方面，以实验结果与数值计算结果为基础，通过开展参数化辨识，得到不同因素的影响程度，获取主导影响因素；同时，开展量纲分析，定义无量纲数，用于评价不同因素对物体入水过程的影响程度。