西北工业大学团队在《Ocean Engineering》发表超空泡射弹高速斜入水变形机制研究

作者及机构
该研究由西北工业大学（Northwestern Polytechnical University）航海学院的Changle Hao、Jianjun Dang、Chuang Huang、Kai Luo及通讯作者Kan Qin*合作完成，发表于Elsevier旗下期刊《Ocean Engineering》2024年第303卷。论文标题为《Investigation of Oblique Water Entry of High-Speed Supercavitating Projectiles Using Transient Fluid-Structure Interaction Simulation》。

学术背景
超空泡射弹（supercavitating projectile）是一种利用空泡减阻技术实现水下高速运动的武器，其核心原理是通过头部空化器（cavitator）产生的蒸汽空腔包裹弹体，从而降低水阻力。然而，当射弹以高速（如900 m/s以上）斜入水时，巨大的流体冲击力会导致弹体结构发生塑性变形，进而改变空泡形态与弹道稳定性。现有实验方法因传感器限制难以捕捉此类高速变形，而传统数值模拟多假设弹体为刚性，忽略流固耦合（fluid-structure interaction, FSI）效应。因此，本研究旨在通过瞬态流固耦合仿真，揭示高速斜入水条件下超空泡射弹的结构变形模式及其对流体动力学的影响。

研究流程与方法
1. 模型构建
- 流体模型：采用VOF（Volume of Fluid）多相流模型模拟空气-水-蒸汽三相流，结合Schnerr-Sauer空化模型描述相变过程。湍流模型选用Realizable k-ε，并忽略流体压缩性（Mach数略高于1时误差<10%）。
- 结构模型：基于Johnson-Cook本构方程描述弹体材料的塑性行为（屈服应力、应变硬化等参数见表1），通过Abaqus显式动力学求解器计算变形。
- 耦合方法：采用分区耦合（partitioned coupling）实现流体（Star-CCM+软件）与结构（Abaqus）的双向数据交换（压力-位移传递），耦合时间步长为1 μs。

1. 仿真设计

   • 几何参数：弹体总长40dn（dn为空化器直径），斜入水角度30°，攻角（angle of attack, AoA）范围1.6°–1.9°，初始速度800 m/s与1500 m/s。
     
   • 网格策略：流体域采用重叠网格（overset mesh），背景网格分辨率0.2 m，弹体表面网格细化至0.1 mm；固体域使用21,560个C3D8R单元，头部网格加密至0.5 mm。
     

2. 验证与对比

   • 网格无关性验证：通过77k、145k、255k三种网格对比升力系数，选定中等网格（误差4.97%）。
     
   • 模型验证：
     
     • 流体模型：对比文献中970 m/s超空泡射弹的空泡形状，平均误差4.5%；
       
     • 流固耦合模型：模拟弹性薄板在涡街中的振动，周期与振幅误差分别为6%与4%。
       

主要结果
1. 变形模式分类：
- 低攻角（1.6°）：弹体几乎无显著变形，空泡完整包裹，升力系数稳定。
- 中等攻角（1.65°–1.75°）：弹体头部向上弯曲呈“L形”，导致空泡偏移、尾部润湿面积增大，升力系数快速上升（正反馈效应）。例如，1500 m/s时头部偏转达0.164L（图10a）。
- 高攻角（1.8°–1.9°）：弹体中部向下弯曲、头部微上扬，形成“S形”变形（图18e-g），润湿区域压力反向抑制升力增长。

1. 塑性应变积累：

   • 1500 m/s入水时，塑性应变（plastic strain）集中于头部（图17a-c），Von Mises应力超材料屈服强度（图17e-f）。线性弹性假设下变形量显著低估（图15），证明塑性效应不可忽略。
     

2. 流固耦合效应：

   • 刚性假设会高估空泡包裹性（图10b vs 10a），而FSI模型显示变形后润湿面积增加使升力系数差异达300%（图11）。
     

结论与价值
1. 科学价值：首次系统揭示了高速斜入水超空泡射弹的三种变形模式及其与攻角的定量关系，阐明了塑性应变积累是导致大变形的主因。
2. 应用价值：为超空泡射弹的优化设计提供理论依据，如通过提高材料屈服强度或控制入水攻角避免L/S形失稳。
3. 方法论创新：开发的VOF-Johnson Cook耦合框架为复杂流固耦合问题提供了高精度解决方案。

研究亮点
- 多模式变形阈值：首次明确攻角1.75°为L形向S形转变的临界点。
- 全耦合仿真：整合空化效应与塑性变形，克服了传统ALE或SPH方法无法处理多相流-结构耦合的局限。
- 实验对标：通过高速摄影数据验证了空泡形态仿真的可靠性（图8）。

其他发现
- 弹体动能损失主要源于外部流体做功（图14），塑性耗能占比不足5%，但主导结构失效。
- 动态网格限制导致无法模拟断裂后的弹道（需进一步发展断裂力学耦合算法）。

该研究为超空泡武器在极端工况下的稳定性预测提供了新工具，相关代码与数据集可通过通讯作者申请获取。