1.2　國內外研究現狀

水下爆炸的研究始于19世紀末，隨著軍事和民用的迫切需求，20世紀30～60年代迎來了水下爆炸研究的高峰，人們對水下爆炸現象做了大量的研究工作，取得了豐碩的研究成果。而到了20世紀70年代以后，隨著各種理論分析與數值模擬技術的進步，以及水下高速攝影技術等現代測試技術在水下爆炸研究中的廣泛應用，使得實驗研究與理論分析結合得更加緊密，進一步推動了水下爆炸學科的進步。

水下爆炸過程可分為三個階段：炸藥爆轟、沖擊波傳播和氣泡脈動。炸藥水下爆炸瞬間變成高溫高壓爆轟產物，壓縮周圍水體形成初始沖擊波向外傳播，同時爆轟產物向外膨脹推動周圍水體向外運動，形成氣泡。沖擊波過后氣泡中的壓力迅速下降，但仍比靜水壓力高，氣泡推動周圍水體向外不斷膨脹，當氣泡內壓力降至靜水壓力時，在慣性作用下繼續膨脹至最大體積，隨后在外界壓力作用下收縮，直到最小體積再繼續膨脹，如此反復運動形成氣泡脈動。在浮力作用下，氣泡不斷上升，最后浮出水面。沖擊波峰值壓力大，但持續時間短，氣泡脈動雖然峰值壓力小，但持續時間長。

水下爆炸實驗的理想場地是無限水域或寬闊水域，這樣能夠保證測試藥包入水的足夠深度，避免自由水面、池底和池壁對測試結果的影響[2]。但在寬闊水域中進行實驗時會遇到下述一些困難：在無限水域或寬闊水域中，自然水質存在的各種雜質和微生物會使高速相機不能捕捉到清晰的圖像；測試藥包和傳感器的安裝、高速相機的水下防護與拍攝固定都很困難。為了便于實驗和觀測，目前國內外水下爆炸實驗大都在有限水域中進行，如702研究所的爆炸水池（直徑85m、水深15m）、中國工程物理研究院的爆炸水池（直徑48m、水深18m）、西安近代化學研究所的爆炸水池（上徑10.5m、下徑10m、水深7.5m）、安徽理工大學鋼制爆炸水池（直徑5.5m、水深3.62m）、北京理工大學東花園試驗基地爆炸水池、中國科學技術大學水下爆炸試驗塔（直徑5m、水深4.4m）等。

1.2.1　水下爆炸沖擊波傳播特性研究

作為水下爆炸主要物理現象的水中沖擊波一直是水下爆炸研究的重要內容。在20世紀30～60年代，以歐美、前蘇聯為首的主要軍事強國開展了大量的水下爆炸試驗和水下核試驗，獲得了大量實驗數據，這為建立水下爆炸沖擊波理論奠定了實驗基礎，其中以Bridgman、Cole等的開創性研究成果最具有代表性[3]。Cole所在的水下爆炸研究實驗室對三硝基甲苯（TNT）等理想炸藥的球形藥包水下爆炸沖擊波進行了系統的實驗研究，Cole將這些研究成果進行分析整理，第一次對水下爆炸問題做出了系統總結，對水下爆炸沖擊波、滯后流、氣泡脈動等現象進行了全面描述，揭示了爆炸參數之間的關系，這些成為水下爆炸早期研究最全面、最有價值的成果，其提出的半經驗半理論公式至今仍被廣泛應用。

Cole提出的TNT炸藥水下爆炸峰值壓力衰減公式如下：

　?。?.1）

　?。?.2）

　?。?.3）

式中，Pm為沖擊波壓力峰值；P為沖擊波壓力；R為測距；W為藥包重量；td為沖擊波到達時間；θ為衰減常數。

Zamyshlyayev等對Cole的成果進行進一步的研究，系統分析了沖擊波和氣泡脈動特性，并對沖擊波在自由面和水底的非線性效應進行了研究，給出了描述包含氣泡脈動膨脹和收縮過程的沖擊波解析表達式[4]。

在水下爆炸沖擊波傳播理論方面，Kirkwood和Bethe采用等容爆轟模型對沖擊波和氣泡脈動部分解耦，將沖擊波的傳播轉化為氣泡表面上動焓的計算，為沖擊波波形近似描述和波后流場分析提供了理論依據，但是在緊鄰藥包邊緣的高壓區，該理論存在一定問題，尋求真實反映強沖擊下的狀態方程和選取合適的初始沖擊波條件是提高該理論計算精度的關鍵[5]。Brinkley對Kirkwood的理論進行了發展，提出的近似計算方法更加突出實用性，特別適合將某距離處的數據推算到其他距離處，但不能很好地建立沖擊波傳播與氣泡運動之間的聯系，在近場計算時存在誤差。而Cole[6]、Snay[7]、Keil[8]和Blatstein[9]等做了大量的實驗驗證了Kirkwood沖擊波傳播理論，這些研究獲得了任意點壓力與峰值壓力之間的關系，在此基礎上提出了Cole經驗公式，并發展了多種炸藥不同藥包形式和爆炸方式下的衰減系數和指數。

隨著數值計算技術的發展，水下爆炸沖擊波的研究也從大量水下試驗轉為水下爆炸的數值模擬，眾多的研究學者在這方面做了大量的工作。Sternberg等采用自編的有限差分程序計算了球形PBX9404、Pentolite在空氣和水中爆炸沖擊波傳播過程[10]。Mader在高速攝影實驗基礎上，在SIN代碼中采用BKW（爆炸產物）和HOM狀態方程（水）進行了水下爆炸數值計算[11]。在工程應用的推動下，許多通用仿真程序（DYNA2D/3D、ABAQUS、AutoDyn和MSC.Dytran等）都建立了水下爆炸的專用模塊和水中沖擊分析模塊，可以方便地進行二維和三維水下爆炸計算。如Chapman和Plesset采用有限元分析程序MSC.Dytran計算了多種曲面剛性邊界附近裝藥爆轟后的入射沖擊波壓力變化等[12]。

20世紀90年代，日本學者伊東等人將高速紋影和陰影照相技術用于水下爆炸現象的研究中（圖1.2），利用水中攝影觀測技術和數值計算研究了水中沖擊波特性，用特征線法較好地解釋了沖擊波的衰減過程，并提出采用光學觀測修正爆轟產物狀態方程系數來適應其水下爆炸做功特征，該項工作為確定炸藥狀態方程提供了新的思路[13，14]。

國內對水下爆炸沖擊波的研究也取得了不少成果，水下爆炸實驗方面的研究主要集中在爆炸水池內進行，如顏事龍等人在爆炸水池內進行了球形藥包和柱狀藥包的沖擊波測試研究[15]。李金河等人對幾種炸藥水中爆炸沖擊波遠場的壓力時間歷程進行計算，得到了這幾種炸藥水中爆炸沖擊波的性能參數及其相似常數[16]。而在水下爆炸數值計算方面，李澎、徐更光將流體動力學方程建立在沖擊波波頭，利用能流-時間曲線的半經驗表達式對波后流場做合理近似，有效地將水中沖擊波傳播問題簡化為對波頭超壓峰值常微分方程的求解[17]。梅群等人運用LS-DYNA程序對水下爆炸沖擊波進行了數值模擬研究，分析了爆炸波的壓力時程曲線，討論了水下爆炸沖擊波與水中結構相互作用的問題[18]。姚熊亮等采用無網格光滑粒子流體動力學（SPH）方法計算了TNT在近似無限水域中爆炸和沉底裝藥下爆炸產生的沖擊波強度，分析了水下爆炸流場的參量分布和變化規律[19]。

1.2.2　水下爆炸水聲特性研究

含能材料水下爆炸時，會產生持續時間很短的高聲功率、寬頻率的無指向性脈沖，可以傳播很遠的距離。因此可以利用含能材料作為水下爆炸聲源，在科學勘探、聲學導航以及水聲干擾中發揮積極作用。

對于爆炸水聲特性的研究，國外開展得較早。美國曾對四硝基苯胺、三硝基甲苯等不同炸藥的聲源級、聲壓隨頻率的變化，爆炸脈沖的能量譜分布等進行過測試[3]。Weston[20]研究了水下爆炸作為水下聲源在不同含能材料與裝藥量情況下的聲學特性，在對水下爆炸信號進行頻譜分析的基礎上，提出可將各種頻譜等效為1lb（0.4536kg）炸藥的譜。庫爾[3]也對水下爆炸聲信號的頻譜進行了分析研究。

國內方面，1983年，中國船舶艦船工業總公司曾在旅順海區進行了幾次水下爆炸聲學特性的實驗，主要對爆炸聲的聲源級、傳播衰減規律、頻率特性以及對水聲器材的抑制作用進行了研究。潘正偉等[21]對炸藥水中爆炸水聲特性進行研究，證明炸藥水下爆炸是高功率、寬頻帶的水聲干擾源，并提出了實現連續水下爆炸聲信號的方法。吳成等[22]測試了三種炸藥（TNT、RS211和RS3-4）的水下爆炸特性，比較了不同炸藥水下爆炸的聲波特性。

1.2.3　水下爆炸氣泡脈動特性研究

氣泡脈動在水下爆炸中起著重要的作用，對于水下爆炸氣泡脈動問題的研究卻困難重重，這是因為水下爆炸氣泡脈動現象是氣體、流體、固體及其相互耦合的復雜問題[23，24]，目前的研究主要從實驗研究、理論分析、數值模擬等幾方面進行。

1.2.3.1　實驗研究

針對水下爆炸氣泡脈動特性的實驗研究已經取得了不少的研究成果。Boyce P，Debono S[25]在戶外水池中捕捉到水下爆炸氣泡射流形成的過程，獲得了水下爆炸氣泡脈動過程的實驗數據和圖像。John.M.Brett等[26]利用野外實驗水池，實現了1～5kg炸藥水下爆炸高速攝影實驗。Klaseboer[27]采用高速攝影儀捕捉到了水下爆炸氣泡的膨脹、坍塌及回彈的過程。張立等[28]在淺水水體外將CCD高速攝像機實拍和圖像處理技術引入到了氣泡脈動參數的測試研究，得到了0.3g DDNP裝藥的氣泡半徑隨時間變化的軌跡和脈動周期。朱錫等[29]采用高速攝影技術觀察到了氣泡在水中發生多次脈動直至最后潰滅的全過程，得到了不同藥量下水下爆炸的氣泡最大半徑和脈動周期等寶貴的第一手數據。金輝等[30]利用高速攝影和自由場壓力測量系統對裝藥在自由場、近水底和沉底爆炸3個工況下的氣泡脈動和二次脈動壓力進行了對比研究。汪斌等[31]在2m×2m×2m的實驗水箱中開展小當量PETN炸藥水中爆炸氣泡脈動實驗，獲得了清晰的氣泡脈動過程圖像、氣泡水射流形成過程圖像和氣泡脈動壓力曲線。

目前，國內外對于水下爆炸氣泡脈動特性的研究多是借助于高速攝影在爆炸水池中進行，研究對象主要集中于單個集中藥包，而對于條形藥包水下爆炸氣泡脈動的特性實驗研究開展得較少。

1.2.3.2　理論分析

氣泡脈動特性的理論分析是認識和揭示氣泡脈動特性的重要基礎性工作，目前雖然也取得了一些研究成果，但還有很多工作要做。

Chahine等[32]在無黏、無旋和不可壓縮假設下，在氣泡脈動的第一個階段進行積分得到了氣泡脈動的徑向速度場，而Prosperett leigh[33]在Besant工作的基礎上，建立了理想球形氣泡的Reyleigh-Plesset方程。Gilmore[34]、Plesset等[35]修正了Reyleigh-Plesset方程未考慮氣泡含氣量、黏滯性、可壓縮性等方面的缺陷，提出了考慮不同因素的氣泡方程。

對于氣泡的研究主要是集中在球形氣泡方面，偏離球形不大的氣泡可用理想流體下的近似方程進行求解（Mitchell等[36]），而對于偏離較大的氣泡，目前還沒有很好的解決辦法。但是從工程應用的角度出發，在實踐中發展了許多近似求解模型，方便了工程計算，如Wang[37]等提出的Geers-Hunter模型。

國內方面，李玉節等[38]提出了考慮水下爆炸氣泡脈動的多次性、遷移性和水面效應的計算模型。姚熊亮等[39]建立了考慮水面效應和氣泡運動時艦船受到二次脈動壓力的計算模型。劉建湖等[40]應用Cole氣泡運動計算理論，采用沖量等效原則，提出了適合工程應用的近似解析公式。

目前國內外對氣泡脈動理論的研究大多數以球形氣泡假設為基礎。對于偏離球形不大的氣泡，還可進行近似分析，而對于偏離球形很大的氣泡運動，目前理論上還沒有很好的解決辦法。目前的理論模型尚無法精確解決條形藥包水下爆炸產生的非球狀氣泡現象。

1.2.3.3　數值模擬

對于爆炸氣泡動力學的研究，理論分析只能分析簡單的規則球形氣泡情形，而實驗研究方法的重復性和可變性比較差。要探索復雜情況下的氣泡運動特性，須借助數值模擬手段。

針對水下爆炸氣泡脈動過程的數值模擬研究也取得了不少研究成果。Mader.C.L[41]在SIN代碼中采用BKW（爆炸產物）和HOM狀態方程（水）進行了水中爆炸氣泡脈動的數值計算。Wilkerson[42]運用邊界積分法分析了氣泡的收縮過程，論述了水中爆炸條件下三維氣泡動力學的邊界積分算法。李玉民等[43]通過Runge-Kutta數值計算方法模擬了氣泡脈動流場，得到了較為理想的計算結果。魯傳敬[44]在理想不可壓勢流假定下，用Euler-Lagrange方法模擬了氣泡的演化過程。Matsumoto[45]借助MS.DYTARN軟件研究了邊界曲率效應對氣泡脈動的影響，并與自由水域氣泡脈動進行了比較。Fedkiw[46]運用三階ENO-LLF方法求解無黏流場，采用GFM（Ghost Fluid Method）方法處理界面附近邊界條件，研究了運動激波和氣泡串的相互作用過程。梁龍河等[47]在SIN代碼基礎上開發了綜合拉氏一維不定常彈塑性流體力學計算程序SINL，并應用該程序對水下爆炸產生的氣泡脈動規律、脈動周期的變化等進行了較詳細的數值模擬研究。姚熊亮等[39]借用二維切片法和水彈性方法，計算船梁在水下爆炸二次脈動壓力下的響應特性，建立了在考慮水面效應和氣泡運動時艦船受到二次脈動壓力的計算模型。

早期針對爆炸氣泡動力學數值模擬的研究主要是關注球形和軸對稱的氣泡，模擬了氣泡的膨脹、坍塌以及射流的形成過程，數值模擬與實驗吻合得較好。國內外研究者對軸對稱氣泡的研究取得了很多研究成果，而對于非球形氣泡的研究則相對較少。對單個氣泡脈動的動態特性研究公開發表的文獻非常多，而對兩個或多個氣泡相互作用特殊現象的研究則非常少見。

前人的研究雖然取得了很多成果，但還有一些需要解決的問題，主要體現在如下方面。

（1）國內外對于球形藥包氣泡脈動的研究比較多，而對于條形藥包水下爆炸氣泡脈動現象的研究開展得不多，特別是對纖維爆炸索這類大長徑比的條形藥包研究就更少。

田中克己等[48]采用高速攝影跟蹤拍攝長徑比為10、20、50的柱狀藥包氣泡形狀演變歷程發現：氣泡兩端為近似半球形，中間呈圓柱形，在爆轟過程中及隨后一段時間內柱狀部分半徑不斷增加，氣泡膨脹到最大體積時兩端半球半徑與柱狀部分半徑相等。顏事龍[15]采用石英壓電式水下傳感器測試了條形藥包水下爆炸沖擊波參數和氣泡脈動參數，得出了條形藥包沖擊波陣面壓力、爆炸總能量與對比距離之間的關系。

這些僅見的研究對于我們認識條形藥包水下爆炸特性具有一定的意義，但很不系統，還有許多問題沒有解決。目前可見的這些針對條形藥包水下爆炸特性的研究都是針對長徑比小于60的條形藥包。而纖維爆炸索具有大長徑比的特點，直徑僅有1～2mm，為了深入認識纖維爆炸索水下爆炸特性，有必要開展纖維爆炸索水下爆炸氣泡脈動特性研究。

（2）對單個條形藥包氣泡脈動的研究非常少見，對兩個或多個條形藥包爆炸氣泡間相互作用的研究就更少。

1.2.4　水下爆炸能量輸出結構研究

炸藥水下爆炸能量的輸出結構主要是指沖擊波能和氣泡能在爆轟產物氣體總膨脹功中的分配關系。沖擊波能表征了炸藥的動態作用，而氣泡能表征了炸藥的靜壓作用。對于水下爆炸能量的分布國內外開展了大量的研究工作。

Cole在其經典著作《水下爆炸》一書中認為沖擊波能是炸藥爆轟膨脹到壓力為幾千巴時膨脹功的度量，而氣泡能則是爆轟產物由幾千巴膨脹到第一次氣泡脈動最大半徑時壓力所做的功，但他只給出了定性的描述[3]。Stromsoe從理論角度證實了炸藥能量的分配是在極短時間內完成的[49]。Bjarnholt詳細研究了沖擊波壓力、脈沖作用時間、沖擊波能和氣泡能與藥包形狀的關系，提出了水下爆炸能量測試的準則，這些成為理想炸藥爆炸能量測試的基準[50]。瑞典諾貝爾公司在總結眾多研究成果的基礎上，提出了炸藥水下爆炸能量的試驗方法、測試裝置及實驗數據判讀處理的方法[50]。為了消除邊界效應對水下爆炸能量測試的影響，Christmann研究了藥量、裝藥形狀、水域范圍之間的關系，提出了消除邊界效應的方法[51]。Kirkwood采用等容絕熱爆轟模型對沖擊波經典理論進行求解，得到了精度很高的近似解[5]。

國內對水下爆炸能量輸出結構也進行了深入的研究，代表性的有以下幾個方面。唐斌等采用實驗方法證實了通過測量爆炸遠區沖擊波壓力和氣泡脈動周期評估炸藥能量的可行性[52]。顏事龍通過理論推導了條形藥包和集中藥包水下爆炸能量的計算公式，并測試了兩種藥包的沖擊波和氣泡參數，計算了兩種藥包的爆炸能量。顏事龍等在分析小水池邊界效應對測試效果的影響因素的基礎上，提出了比氣泡能的修正公式[53]。牛余雷等人測試了兩種典型雙元裝藥結構水下爆炸沖擊波超壓時間曲線，研究了水下爆炸能量的輸出結構[54]。李澤華通過水中爆炸試驗，測試了某種膠質炸藥在無限水域中爆炸時的壓力，采用藥包形狀修正系數法對膠質炸藥在無限水域爆炸時其氣泡能量和沖擊波能量的分布規律和特點進行了研究[55]。

從國內外目前的研究來看，大都首先采用高速攝影技術確定藥包的形狀，對藥包形狀的影響進行修正，但這些研究大都是針對理想炸藥的球形藥包或近似球形的藥包，但是對于非理想炸藥的非球形藥包（特別是長徑比大的條形藥包）的研究不多。目前對理想炸藥水下爆炸能量分布的研究基本趨于完善，但對于非理想炸藥水下爆炸能量測試的研究還沒有標準的測試和評價準則，還不能完全解釋其能量分布的規律。

1.2.5　水下爆炸能量衰減方法研究

水可壓縮性小，自身變形耗能少，對壓力波傳遞效率高，水下爆炸沖擊波防護無論對軍事還是民用工程都有著重要的意義。目前水下爆炸中應用比較廣泛的是氣泡帷幕法阻隔沖擊波傳播，達到氣泡削能的目的。

20世紀40年代加拿大的Lang等提出了氣泡帷幕削減沖擊波的理念，并將這一技術應用到Ortario水電站等工程中的爆破施工中，取得了良好的安全效果[56]。隨著國內外對這一技術的不斷發展，目前已經成為水下爆破施工安全防護最主要的技術手段，在工程實踐中獲得了很好的效果。

由于氣泡帷幕在水下爆炸安全防護中對沖擊波起到一個類似“卸載”的作用，抵消了部分沖擊波壓力。國內外對其衰減機理進行了廣泛研究，取得了不少研究成果。Sheynina[57]從頻率的角度進行分析，發現氣泡帷幕的固有頻率決定著沖擊波減弱的尺度。張文煊等[58]發現氣泡帷幕對沖擊波能量和沖量衰減效果較差，對沖擊波強度衰減效果與氣泡布設寬度和氣泡含量有著密切的關系。李澤華等[59]從能量變化角度探討了氣泡帷幕衰減水中沖擊波的最佳方式。周睿等[60]引入氣泡帷幕的削波系數，提出了適用于工程實際計算的經驗計算表達式。朱安周等[61]采用頻譜分析方法研究了氣流量、帷幕層數、孔徑等帷幕參數改變對沖擊波頻譜特性的影響，為氣泡帷幕在工程實踐中的應用提供了參數。

賈虎、樊自建等[62]提出了利用空氣隔層衰減水下爆炸沖擊波的新設想，并通過原理分析和實驗證實了空氣隔層對水中爆炸沖擊波衰減的有效性。在工程中可以直接將柔性體盛裝的空氣隔層覆蓋在需保護的水下建筑物表層，對其實施保護，但由于水中浮力的影響，在水下大面積防護時存在著布設困難的問題。

采用氣泡帷幕方法存在施工難度大、能耗高的缺點，使得其在水下爆破特別是在深水爆破時布設困難；空氣隔層方法是一種較有發展前途的水下爆炸削能方法，但也存在著成本較高、水下布設困難（特別是水下大面積布設時）的問題。這些問題的存在一定程度上限制了這兩種水下爆炸削能方法的應用，因此有必要尋求新的水下爆炸削能方法。目前人們往往關注的是氣泡所具有的較大的破壞性，但同樣的現象也可以被有益的利用，借鑒氣泡帷幕削能的原理，可以利用爆炸產生氣泡帷幕達到削能的效果。