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作者及机构
本研究由Shahrood University of Technology（伊朗沙赫鲁德理工大学）的Mohammad-Ali Jafari和Pooria Akbarzadeh*（通讯作者）合作完成，发表于Ocean Engineering期刊2022年第259卷，文章编号111906，在线发布于2022年7月11日。

学术背景

研究领域与动机
该研究属于流体力学与海洋工程交叉领域，聚焦于空心圆柱体（hollow cylinder）垂直入水（water entry）过程中的空泡动力学（cavity dynamics）和弹体运动学（kinetics）问题。传统研究多关注实心物体的入水现象，而空心结构（如带孔圆柱体）的入水行为因内部射流（through-hole-jet）和空泡闭合模式（cavity closure patterns）的复杂性尚未充分探索。研究团队旨在通过实验揭示孔洞几何形状（hole geometry）对空泡演化、闭合机制及弹体动力学的影响，填补该领域的知识空白。

科学问题与目标
空心圆柱体入水时，孔洞形状如何影响空泡的生成、闭合模式及弹体运动？研究通过设计三种不同孔洞几何（圆柱形、上锥形、下锥形）的弹体，在相同无量纲参数（如韦伯数Weber number、雷诺数Reynolds number）下，系统比较其入水行为，目标是：
1. 定性分析空泡动力学特征（如闭合模式、空泡尺寸、夹断时间/深度）；
2. 定量评估弹体运动学参数（速度、加速度、流体动力系数）；
3. 建立孔洞几何与空泡行为之间的关联机制。

研究方法与流程

实验设计与对象
研究选取三种几何的空心钢制圆柱体（质量118 g，外径25 mm，长度60 mm），其孔洞分别为：
- CCy：圆柱形孔（直径17 mm）；
- CCo-u：上锥形孔（平均直径17 mm）；
- CCo-d：下锥形孔（平均直径17 mm）。
三者质量、质心位置及表面涂层均相同，确保仅孔洞几何为变量。

实验装置与流程
1. 入水实验系统：
- 玻璃水槽（90×40×100 cm³，水深80 cm），配备电磁释放装置调节弹体下落高度（0.5–95 cm），对应入水速度0.31–4.32 m/s。
- 高速摄像机（PCO-DimaxS，1000–2000 fps）记录弹体轨迹与空泡演化，辅以阈值法（thresholding method）和LabVIEW编程实现轨迹提取。

1. 数据处理方法：
   
   • 采用五次平滑样条（quintic smoothing spline）拟合弹体位移数据，求导计算速度与加速度。
     
   • 流体动力系数（*C_f*）通过动力学方程计算：
     [ C_f(t) = \frac{8m_c(g - a)}{\rho \pi d^2 v^2} ] 其中*m_c*为弹体质量，*a*为加速度，*d*为特征直径。
     

创新性方法
- 孔洞几何控制：通过固定平均直径但改变锥形方向（上/下），首次系统研究孔洞收敛/发散效应对内部射流的影响。
- 多模态空泡闭合分类：提出空心圆柱体特有的两种表面闭合模式（surface-seal）：沿孔内射流闭合（through-hole-jet）与沿弹体外壁闭合（cylinder wall）。

主要结果

空泡动力学特征
1. 闭合模式依赖性：
- 深闭合（deep-seal）：低韦伯数（We_i < 1750）下，空泡在内部射流周围环形夹断（图4a），形成壳状Worthington射流（图4b）。
- 表面闭合（surface-seal）：高韦伯数时，闭合发生于弹体外壁（图5c）或孔内射流顶部（图7）。下锥形孔（CCo-d）因入口截面积最大，空泡抗闭合能力最强。

1. 孔洞几何效应：
   
   • 内部射流形态：上锥形孔（CCo-u）因收敛结构使射流贴壁增厚（图8b），而下锥形孔（CCo-d）射流最薄且高度最大（图8a）。
     
   • 夹断时间与深度：CCo-d的夹断时间最晚、深度最大（图11–12），因其空气卷吸量更大。
     

弹体运动学表现
- 速度与加速度：CCo-d因空泡体积大，下落速度最低（图13），流体动力系数受空泡尺寸直接影响。
- 无量纲参数关联：夹断深度（*z_p/d*）随韦伯数增加而饱和（图12a），空泡直径（*d_cavity/d*）在We_i > 1000时趋于稳定（图12c）。

结论与价值

科学意义
1. 首次系统揭示了孔洞几何对空心圆柱体入水空泡行为的调控机制，提出孔洞收敛/发散性是影响内部射流与闭合模式的关键因素。
2. 完善了空泡闭合分类体系，补充了传统实心物体研究中未观察到的“沿孔内射流闭合”模式。

应用潜力
- 工程领域：为高速船舶底部人工空腔设计、航天器水上回收等提供理论依据。
- 仿生学：启发潜水生物（如捕食性甲虫）的空泡利用策略优化。

研究亮点

1. 创新性实验设计：通过控制孔洞几何单一变量，在相同无量纲参数下揭示几何效应。
   
2. 多模态空泡闭合发现：首次报道空心结构特有的表面闭合亚型。
   
3. 跨学科方法：结合高速成像与动力学建模，定量解析流体-结构相互作用。
   

补充价值
- 数据可重复性：每组实验重复3次，误差条（error bar）验证结果稳健性（图11）。
- 开放数据：补充材料可通过DOI（10.1016/j.oceaneng.2022.111906）获取。

此研究为空心结构入水动力学奠定了实验基础，并为后续数值模拟与工程应用提供了关键参数。