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(duì)水下化學(xué)爆炸已有較為清晰的認(rèn)識(shí)，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(dòng)和潰滅三個(gè)明顯物理過程，其中后兩個(gè)過程會(huì)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(huì)對(duì)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(duì)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(duì)水下爆炸的破壞威力有了深刻認(rèn)識(shí)。二戰(zhàn)后，美、蘇兩國利用繳獲艦船大量開展水下爆炸試驗(yàn)，建立半經(jīng)驗(yàn)計(jì)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(dòng)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(dòng)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(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，關(guān)于水下爆炸問題的數(shù)值計(jì)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(duì)其物理過程的認(rèn)識(shí)。

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(bào)方法、水下爆炸實(shí)驗(yàn)測試技術(shù)、氣泡脈動(dòng)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(gè)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(gè)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(duì)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(jì)算方法，實(shí)驗(yàn)測試亦存在諸多困難。近距爆炸氣泡脈動(dòng)導(dǎo)致的沖擊載荷計(jì)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(jì)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(huì)與船體結(jié)構(gòu)會(huì)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(dòng)特性，外層結(jié)構(gòu)破片、爆轟產(chǎn)物與水介質(zhì)對(duì)內(nèi)層結(jié)構(gòu)的作用載荷等問題尚無可靠的計(jì)算方法。

（2）船體結(jié)構(gòu)毀傷特性與計(jì)算方法方面。相對(duì)于艦船總體強(qiáng)度和局部強(qiáng)度，水下爆炸對(duì)艦船船體也會(huì)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(jì)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(dòng)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(jì)算仍以經(jīng)驗(yàn)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(jì)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(jì)算為主，對(duì)于船體“鞭狀”振動(dòng)響應(yīng)與中拱、中垂失效缺乏動(dòng)力學(xué)計(jì)算手段。針對(duì)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(jì)算分析方法。