《Physics of Fluids》期刊于2025年9月3日发表了题为《Cavity evolution and response of a hollow structure during oblique high-speed water entry》的研究论文，由苏州科技大学机械工程学院夏胜生（Shengsheng Xia）、哈尔滨工业大学航天学院魏英杰（Yingjie Wei）和王聪（Cong Wang）、大连理工大学船舶与海洋工程学院孙铁志（Tiezhi Sun）、河北工业大学能源与环境工程学院杨柳（Liu Yang）、哈尔滨工程大学船舶工程学院卢佳兴（Jiaxing Lu）以及苏州科技大学段田堂（Tiantang Duan）共同完成。该研究采用双向流固耦合方法，系统探究了空心圆柱体在倾斜高速入水过程中的空泡演化规律与运动特性，为新型航行器设计提供了重要理论依据。
学术背景
入水动力学研究已有百余年历史，涉及跨介质载荷突变、空化相变等复杂流动现象。传统研究多集中于实心结构，而对具有中空通道的空心圆柱体在高速入水时的流固耦合机制缺乏深入认知。空心结构在入水时会产生独特的内部射流（internal jet），其与外部空泡的相互作用会显著影响运动轨迹和结构稳定性。本研究旨在揭示不同开口类型、入水参数和结构参数下空心圆柱体的空泡演化规律、流体载荷特性及结构响应机制，填补该领域研究空白。
研究方法与流程
研究采用双向流固耦合数值模拟框架，具体分为以下步骤：
计算域构建与网格策略
- 流体域采用有限体积法（Finite Volume Method, FVM）处理，通过VOF（Volume of Fluid）多相流模型追踪气-汽-液三相界面，并引入Schnerr-Sauer空化模型描述水-汽相变。
- 结构域通过有限元法（Finite Element Method, FEM）模拟，采用Johnson-Cook模型描述铝合金7075-T651的塑性变形特性。
- 耦合界面通过SIMULIA协同仿真引擎实现数据交换，每个时间步至少迭代5次以确保收敛。计算域网格经独立性验证，重叠区域网格尺寸为1.0 mm，边界层网格厚度为0.0002 mm以保证y+。
数值验证
- 通过与Xia等（2025）的半开放空心圆柱体高速垂直入水实验数据对比，验证了空泡形态和位移曲线的吻合性（图9-10）。
- 进一步参考Hou等（2021）的低速入水实验，证实了内部射流轨迹与速度衰减规律的准确性（图11-12）。
参数化研究
- 开口类型：对比完全开放（co-cylinder）与完全封闭（cs-cylinder）空心圆柱体，分析射流对空泡不对称性的影响。
- 入水参数：考察初始速度（80/100/120 m/s）和入水角度（30°/45°/60°/75°/90°）对轨迹稳定性的作用。
- 结构参数：研究外径（10/20/30 mm）、长度（20/40/60 mm）和壁厚（0.5/1/2 mm）对应力分布的影响。
主要结果
开口类型的影响
- 完全开放结构内部射流会偏转并撞击空泡上游侧（图14a），其空泡直径比封闭结构小14%，但深度增加22%。射流阻力使开放结构的入水角度变化率降低37%（图18）。
- 封闭结构底部应力峰值达1.2 GPa，是开放结构的19.95倍；其应变能峰值（551 J）为开放结构的551倍（图21c），表明开放结构具有更优的耐久性。
入水参数的规律
- 初始速度从80 m/s增至120 m/s时，空泡体积扩大1.8倍，流体力峰值提升84%（图27a）。120 m/s工况的射流偏转角减小15°，轨迹更接近直线（图25）。
- 入水角度为45°时应变能最低（图32），仅相当于30°工况的18.6%，说明该角度为最优入水姿态。
结构参数的响应
- 外径从10 mm增至30 mm时，空泡闭合时间延长2.3倍，但应力峰值上升至2.19倍（图39）。
- 长度60 mm的圆柱体轨迹偏移量比20 mm结构减少68%（图36），而壁厚2 mm结构的流体力峰值达0.5 mm结构的5.08倍（图38）。
结论与价值
研究首次系统揭示了空心圆柱体倾斜高速入水的流固耦合机制：
1. 科学价值：阐明了内部射流与外部空泡的相互作用机理，建立了入水参数-结构响应定量关系模型。
2. 应用价值：提出完全开放结构在45°入水角时兼具运动稳定性和低载荷特性，为高速水下航行器设计提供了优化方向。
研究亮点
- 方法创新：开发了基于WALE亚格子模型的大涡模拟（LES）与Johnson-Cook塑性模型的耦合算法，实现了毫秒级瞬态过程的精确捕捉。
- 发现创新：首次报道了内部射流对空泡非对称闭合的调控作用，以及45°入水角的应变能极小值现象。
其他价值
研究团队正在搭建电磁弹射试验平台，未来将开展空心结构高速入水的实验验证。该成果已获国家自然科学基金（11972138、52401366）等项目的支持。