水下爆炸簡介

水下爆炸，又稱水中爆炸，包括裝藥、炸彈、魚水雷等在水中發(fā)生的化學(xué)爆炸和核武器在水中發(fā)生的水中核爆炸。由于常規(guī)水中兵器發(fā)展和水下防護(hù)技術(shù)發(fā)展的需要，人們對水下化學(xué)爆炸已有較為清晰的認(rèn)識，一般認(rèn)為包括裝藥的爆轟、沖擊波的產(chǎn)生和傳播、氣泡的脈動和潰滅三個明顯物理過程，其中后兩個過程會受到自由表面、水底、側(cè)壁、障礙物等流場邊界的強(qiáng)烈影響，產(chǎn)生極其豐富而有趣的變化，反之也會對這些邊界產(chǎn)生極其復(fù)雜的力學(xué)作用，這也引起了人們對水下爆炸問題研究的極大興趣。

水下爆炸的研究始于19 世紀(jì)。兩次世界大戰(zhàn)期間，大量艦船因水下爆炸而破壞、沉沒，使得人們對水下爆炸的破壞威力有了深刻認(rèn)識。二戰(zhàn)后，美、蘇兩國利用繳獲艦船大量開展水下爆炸試驗，建立半經(jīng)驗計算公式，形成了較為系統(tǒng)的理論。1960 年，美國科學(xué)家Cole 在所著的《水下爆炸》一書中，清晰描述了爆炸沖擊波、氣泡脈動等主要現(xiàn)象及其變化規(guī)律，至今仍被公認(rèn)為經(jīng)典之作。1973 年，蘇聯(lián)科學(xué)家Zamyshlyayev 等在所著的《DynamicLoadsinUnderwaterExplosion》一書中，進(jìn)一步建立了包含氣泡脈動過程的水中壓力波的解析表達(dá)式，分析給出了自由面和底部效應(yīng)、繞射效應(yīng)、空化效應(yīng)、沖擊波和結(jié)構(gòu)之間的相互作用特性。20 世紀(jì)60 年代以來，隨著計算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，關(guān)于水下爆炸問題的數(shù)值計算方法研究和水下爆炸問題的數(shù)值模擬研究方興未艾，大大拓展了水下爆炸問題研究范圍，加深了對其物理過程的認(rèn)識。

20 世紀(jì)80 年代以來，水下爆炸逐漸成為我國學(xué)者的重要研究方向，在水下爆炸能量輸出結(jié)構(gòu)、水下爆炸載荷及其預(yù)報方法、水下爆炸實驗測試技術(shù)、氣泡脈動與潰滅規(guī)律、船體結(jié)構(gòu)毀傷效應(yīng)、艦船沖擊環(huán)境等多個領(lǐng)域均取得了一定進(jìn)展。然而，由于問題的復(fù)雜性，水下爆炸研究中還存在多個尚待進(jìn)一步研究的問題：

（1）近場與接觸爆炸載荷方面。經(jīng)典水下爆炸理論對于近場爆炸（1 倍藥包半徑以內(nèi)）載荷沒有給出有效的理論和計算方法，實驗測試亦存在諸多困難。近距爆炸氣泡脈動導(dǎo)致的沖擊載荷計算尚無有效方法，氣泡塌陷潰滅射流的形成條件、機(jī)理以及所產(chǎn)生的載荷定量計算尚不夠完善。水中接觸爆炸下，爆轟產(chǎn)物、水介質(zhì)、船內(nèi)空氣介質(zhì)等多種流體會與船體結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生強(qiáng)烈的流固耦合作用，并使船體外層結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破損，彈塑性不連續(xù)邊界下氣泡的膨脹擴(kuò)散與脈動特性，外層結(jié)構(gòu)破片、爆轟產(chǎn)物與水介質(zhì)對內(nèi)層結(jié)構(gòu)的作用載荷等問題尚無可靠的計算方法。

（2）船體結(jié)構(gòu)毀傷特性與計算方法方面。相對于艦船總體強(qiáng)度和局部強(qiáng)度，水下爆炸對艦船船體也會產(chǎn)生總體性和局部性的變形破壞。艦船局部結(jié)構(gòu)在水下爆炸載荷作用下的毀傷計算主要集中在求解沖擊波載荷作用下結(jié)構(gòu)殘余變形方面，關(guān)于氣泡載荷（包括氣泡脈動壓力和射流載荷）作用下艦船局部結(jié)構(gòu)的塑性變形研究較少，關(guān)于近場爆炸作用下結(jié)構(gòu)破口計算仍以經(jīng)驗公式為主，船體局部結(jié)構(gòu)的變形破壞模式、局部沖塞和破口花瓣開裂的理論計算方法等尚需結(jié)合現(xiàn)代艦船結(jié)構(gòu)特性進(jìn)一步完善。而船體總體性變形則以靜態(tài)計算為主，對于船體“鞭狀”振動響應(yīng)與中拱、中垂失效缺乏動力學(xué)計算手段。針對水下近場與接觸爆炸的雙層船體、多艙結(jié)構(gòu)等防護(hù)結(jié)構(gòu)形式，尚無成熟的計算分析方法。