水下爆炸机理研究进展

民爆库

       王 峰
      
       (北京中科力爆炸技术工程有限公司，北京，100035)
      
       摘要：本文从理论研究、实验研究、数值计算和水下爆破技术等4个方面，以国内为主，总结了近20～30年来水下爆炸研究的一些进展，并展望水下爆炸技术的发展方向。
      
       关键词：水下爆炸；机理研究；数值模拟
      
       1引言
      
       水下爆炸[1]是指炸药、鱼雷、炸弹或核弹等在水中的爆炸。爆炸后在水中形成向四周扩展并不断减弱的冲击波(又称激波)，爆炸产物形成的“气球”在水中膨胀然后回缩，进行振荡并不断上浮，同时向四周发出二次压力脉冲。当冲击波遇到物体时发生反射、折射和绕射，物体在冲击波和二次压力脉冲的作用下发生位移、变形或破坏；当冲击波到达水面和气球突出水面后，在水面激起表面波。水下爆炸的力学效应可以用来破坏舰艇、水下建筑物或进行金属板壳的爆炸成型。
      
       水下爆炸是在极短时间内的非常复杂的动态过程，属于大变形、强非线性(材料非线性、几何非线性和运动非线性)的问题，同时还涉及到水下爆炸载荷和介质(结构)的相互耦合作用，使水下爆炸问题相当复杂。
      
       本文从理论研究、实验研究、数值计算和水下爆破技术等4个方面，以国内为主，总结了近20～30年来水下爆炸研究的一些进展，并展望水下爆炸技术的发展。
      
       2理论研究
      
       2．1 水下爆炸冲击波传播规律
      
       爆炸现象最为明显的特征是产生冲击波。对于水下爆炸来说，大水深和爆源远区的冲击波传播规律相对成熟，近年来取得的成果集中在近水面和爆源近区方面。
      
       符松[2]采用近期发展起来的位标函数方法以及高精度的NND格式来数值模拟冲击波、自由界面的运动及其相互作用，获得了成功，使近水面水下爆炸时的一系列复杂的物理现象均得到了合理的再现。
      
       李澎[3]研究了由能流密度-时间曲线经验表达式简化计算的水中爆炸冲击波的传播，用简单数值积分法解拉格朗日形式的偏微分方程组，适当选取计算参数，对5倍装药半径外的爆炸场范围计算精度良好。苏华[4]对于有限水域中的TNT和钝化RDX的爆炸冲击波参数进行了理论修正，并研究了装药的几何形状入了几何形状系数对冲击波的衰减进行计算。池家春[5]利用不同的测试系统对TNT／RDX(40／60)炸药球水中爆炸的近场冲击波衰减规律进行研究，得出了1≤R/R0≤l0范围内炸药的水中爆炸冲击波传播规律。
      
       研究水下爆炸近场特性，特别是l≤R／R0≤6范围内冲击波压力和比冲量的衰减规律，对了解水中兵器毁伤效应和舰船抗爆防护都有重要意义。师华强[6]采用Euler法描述一维流体动力学方程，建立了水下爆炸球形一维数值模型。其中，水的状态方程选用Two-phase状态方程，运用Level Set方法捕捉爆炸物和水的交界面，建立爆炸物和水多相流体近场爆炸的数学模型。通过大量的参数研究，获得水下爆炸冲击波近场的传播规律，重点分析了冲击波压力和比冲量在近场的衰减规律。
      
       2．2水下爆炸气泡运动
      
       水中爆炸的突出特点是气泡脉动，关于水中爆炸气泡脉动现象和能量输出的基础理论，国内外开展了广泛的理论研究。这里给出两个比较典型的国内的研究成果。
      
       在针对水下爆炸气泡运动进行的研究中，采用数值计算方法的比较多，但大多以不可压缩流体为基本假设，其研究结果中气泡脉动过程并没有能量损失，与实际情况有明显差异。
      
       李健[7]以球形气泡为基础，引入完整非保守系统中的Hamilton原理，综合考虑重力、浮力、阻力等因素对气泡运动的影响，分别在保守与非保守系统、不可压缩与可压缩流体模型中建立气泡的运动方程，并对微分方程进行数值求解。通过对比分析认为，在可压缩流体非保守系统中所建立的运动微分方程能较准确地描述气泡在水中的运动。以此模型为基础，讨论了气泡运动的相关特性。
      
       姚熊亮[8]在水下爆炸气泡原理性实验研究的基础上，基于势流理论，建立了气泡动力学三维数值模型，提出了多边界耦合的气泡动力学计算方法。通过研究发现：无论是自由场中，还是近边界气泡运动及其载荷均呈现强烈的非线性特征，而且气泡运动不是孤立的，气泡运动对船体结构的毁伤与船体固有特性、海底、自由液面等环境密切相关。同时指出，迄今为止，气泡与自由面、水中结构等相互作用的许多现象和本质仍有待于去揭示。
      
       2．3水下爆炸载荷和介质(结构)的相互作用
      
       爆炸载荷和介质(结构)的相互作用，是典型的强非线性、多尺度和多场耦合的问题，基础性和综合性都很强。近年来的研究以实验和数值模拟为主，其中以数值模拟手段为多数。
      
       周家汉[9]采用充水挤压爆破的方法，精确地计算了药量和药包位置，成功拆除薄壁型钢筋混凝土结构，确保周围建筑群的安全。针对三峡工程三期碾压混凝土围堰的爆破拆除方案，张正宇[10]认为，关于爆破破碎块度、保留堰体顶面的形状、爆破方案的选择、爆破时堰内水位、分段时差等重要问题，涉及到坝体、闸门及灌浆区水冲击波和地震波作用力的大小，围堰缺口与流量和流速的变化过程，波浪对坝体的作用过程，爆破飞石分布规律，这些都需要通过水工模型试验以积累经验。赵根[11]对三峡工程三期上游碾压混凝土围堰的倾倒可靠性进行了分析，在前期试验和研究的基础上，采用“围堰中段380m预埋药室(孔)倾倒爆破与两端深孔爆破相结合”的方案进行了设计，实践证明是成功的。
      
       在军用领域，张振华[12]分析了水面舰艇舷侧防雷舱各层防护结构在舷侧遭受兵器接触爆炸时的破坏模式，从能量的角度计算了各个防护层的吸收率，提出了能量流的概念。陈继康[13]进行了舰艇的接触爆炸冲击环境模型试验，通过模型试验研究接触爆炸的冲击特性，对计算方法进行验证并提供试验依据。李海涛[14]发现，弹性钢板在水下近距离的爆炸作用下，冲击波会使其附近流体形成锥形空化。
      
       刘希国[15]采用有限单元法，研究裂纹在爆炸冲击载荷作用下应力强度因子随时间的变化规律，提出了裂纹在爆炸冲击载荷作用下起裂的临界载荷面。李玉节[16]研究了水下爆炸气泡脉动压力激起的船体鞭状运动，视舰船为一个变截面梁，利用切片理论等得到其运动方程，采用Newmark方法求解。张社荣[17]通过建立混凝土重坝水下爆炸全耦合模型，考虑爆炸荷载作用下混凝土的高应变率效应，采用三维非线性显示动力有限元法对水下爆炸冲击荷载作用下大坝动力响应进行了全性能数值仿真和分析。
      
       2．4水下爆炸模型律
      
       由于水下爆炸问题的复杂性，在工程应用中广泛应用模型律，这使得模型律的分析和研究成为重要的理论问题。
      
       1984年，连云港拟修建一条当时全国最长的K=6700m海堤一连云港西大堤，淤泥厚6～8m，呈流塑状态。郑哲敏带领中科院力学所、连云港建港指挥部等单位组成的科研组，经过4年多的联合攻关，提出用爆炸的方法修建海堤。在此基础上，他们发展了一大类以炸药为能源的爆炸处理水下海淤软基的新方法，并在实践中发展了爆炸排淤填石、爆夯和堤下爆炸挤淤等3种施工方法[18]。
      
       以爆炸排淤填石法[19](张建华等，1989)为例，可以认为包含在时间上分离的两个阶段，即形成爆破漏斗的初期阶段和堆石体坍塌滑落的后续阶段。在初期运动的漏斗形成过程中，黏性力和重力的影响一般可忽略，几何相似律成立。在运动后期，继续忽略黏性力，单位宽度上非平衡的推动力和变形阻力正比于gW2，在重力作用下的运动时间正比于参与运动的总质量正比于W2。因此，根据牛顿第二定律，堤头塌落的特征长度，若以石舌长度P表征，则有P∝W。
      
       因此，在重力作用下的后期运动，也服从几何相似律。既然前期和后期都满足几何相似律，那么整个过程都是几何相似的，可以得到如下表达的药量公式：
      
       Q=W3·f(D／W，n1，n2，n3，…)
      
       式中，Q是总药量；D是反映漏斗大小的进尺量；W是药包中心到地面的最小距离，即最小抵抗线；n1，n2，n3，…是反映水深、泥深、堤宽、石层宽度等的无量纲几何参数。
      
       因此，在几何相似的条件下(即D／W，n1，n2，n3，…均为常数)，总药量与最小抵抗线的立方成正比。此外，如果炸药能量的利用率不随几何尺寸而变化，即变形功正比于药量，则有
      
       D∝Q1/3
      
       这个关系也称为能量准则，以上研究直接推动了爆炸清淤法的工程普及。
      
       杨振声[20]分析了工程爆破中几何相似律与能量准则成立的条件，阐述了在一定水深条件下，爆炸置换法和爆夯法满足几何相似律和能量准则。
      
       对于因重力影响而产生的几何不相似的问题，梁向前[21]利用离心模型试验，根据相似律关系，用较小的炸药量模拟土工建筑物在大量炸药作用下的爆炸效果，即模型中的爆破能量相当于N3倍的原型的能量，N为离心机加速度与地球重力加速度的比值。这样，就可以采用极少量的炸药，模拟原型巨量炸药的爆破效果。
      
       水下爆炸研究的另一个重要方面是军事领域。张振华[22]用相似理论对实船结构和箱型梁水下爆炸机理研究进展实验模型在中部下方近距爆炸作用下的整体动力响应进行了分析，得到了决定船体梁中垂和中拱变形的相似参数及采用Rn数表示的理论预报公式，同时分析了其他各相似参数的物理意义和影响规律。Rn数的表示式是：
      
      
      
       式中，I为载荷冲量；ρs和σs分别为材料密度和屈服极限；L和H分别为船体梁长和型深。从表达式来看，Rn数不仅表征了冲击载荷的冲量和结构的抗力，还表征了梁结构的几何参数。
      
       冯麟涵[23]根据相似理论推导了弹塑性结构(如水下舰船)遭受水下爆炸冲击波载荷作用时的完全几何相似律表达式，并且应用数值试验方法验证了相似律的正确性。同时也提出，冲击因子(定义为 ，W为药包质量，R为距离，C的定义在学术界一直存在争议)作为在长期工程实践中运用的一个评估参数，对于一定范围内的舰体目标损伤评估固然有其合理性和适用性，但是由于冲击因子表达式中不包含目标特征参数(如结构强度)，存在一定的片面性，需要做更深一步的研究。
      
       3实验研究
      
       实验仍是研究水下爆炸问题的重要方法。随着技术和设备的不断发展，继电测法之后，高速摄影、X光摄影和高速摄像技术也应用于水下爆炸现象的观测。
      
       电测方面，黄正平[24]对水下爆炸测试进行了深入研究，研制了适合爆炸测试用自由场的的锰铜压力传感器，并于2005年出版了一部爆炸测试方面的专著。中船重工集团702研究所[25]在结构物表面压力传感器的研制方面有新进展，他们用PVDF压电薄膜测量了1kg特种装药水下爆炸时，距离爆源2．82m处钢结构表面压力，得到了完整的压力时程曲线，初始冲出波上升时间比较短。
      
       在光测方面，邢维复[26]提出用泥面爆炸填石排淤方法代替常用的泥下爆炸填石排淤，采用X光摄影技术，研究了药量、覆盖水深和药包埋深之间的相互关系，给出了泥面爆炸的药量公式，为工程设计提供了依据。
      
       洪江波[27]利用高速摄影仪观测了自由场及结构近场下气泡脉动的整个过程，获得了气泡脉动周期和最大半径，如图1所示，与理论经验公式基本吻合。同时，对高速摄影测试技术提出诸多改进措施。
      
      
      
       李梅[28]为研究不同起爆深度的水下爆炸水柱形态及演变特征，进行了1kg球形RDX装药在不同起爆深度下的海上爆炸实验，通过高速摄像机记录装药起爆后水柱的形成和成长过程，获得了喷射水柱形态的演变特征以及水柱高度、直径、水柱突出水面时间等参数的变化规律。发现对于深水域近水面水下爆炸，水柱以垂直喷射形态为主，当气泡在膨胀阶段到达水面时水柱存在微弱的径向飞散现象；水柱最大高度随起爆深度呈脉动变化，水柱直径随起爆深度线性减小；Swisdak_关于水柱最大高度的计算公式不适用深水域近水面水下爆炸情况。这是近年来取得的很好的观测结果(见图2)。
      
      
      
       4数值计算
      
       水下爆炸问题的实验研究往往受到实验条件和手段的局限，理论分析涉及到强非线性、多介质耦合问题，只能针对一些简单的情况给出分析解。随着计算机技术和计算理论的快速发展，人们可以通过数值模拟的方法对水下爆炸的各种现象进行认识和分析。
      
       4．1大型数值计算软件
      
       自20世纪80年代以后，国内科研院校和设计单位广泛采用国外大型商业计算程序，如NASTRAN、ADINA、LS-DYNA3D、AUTODYN、ASKA、DYTRAN等。文献调研发现，近20年来，国内有相当数量的硕士、博士、博士后论文及其他科技文献是用这些商业计算程序来完成的。
      
       这些大型商业计算程序的显著优点是都有强大的前后处理功能，可以在一定程度上再现水下爆炸的各种复杂过科但是这些商业软件都不提供源程序和详细资料，只有可执行模块，成为仅仅能够输入、输出的的工具箱；特别是这些商业软件的军用部分被严格屏蔽，其计算功能、计算精度、计算规模和二次开发等均受到限制。
      
       杨秀敏[29]及其科研团队历时十余年的工作，完成了具有自主知识产权的冲击爆炸三维数值计算的大型软件，并开发出相应的并行计算版本，即分布式动力有限元并行程序EP3D和分布式动力有限差分并行程序EF3D。该软件系统于2007年通过测试鉴定，获得国家专利局颁发的软件著作权证书，成为具有自主知识产权的数值模拟平台。其中，EP3D可处理有限单元达3000万个，EF3D可处理有限差分网格达3．2亿个。数值模拟的水下爆炸问题，如水下爆破对港区建筑物的冲击效应、鱼雷水下爆炸对海军舰艇的破坏效应和水下潜艇破冰上浮及冰层的位移过程等等。
      
       另据了解，中国科学院力学研究所、中国矿业大学、北京大学、北京理工大学等院校也自主开发了用于水下爆炸问题的数值计算软件。相比于国外大型商业软件，国内在这方面的工作仍显不足，体现在研发团队规模小，力量分散，软件升级的连续性不强。
      
       4．2数值计算方法
      
       在水下爆炸的数值计算方法方面，除了传统的有限差分法[30]，国际上自20世纪七八十年代发展了有限体积法，随后传人国内，2005年李人宪[31]出版了国内一本介绍有限体积算法的专著。
      
       有限差分法和有限体积法都需要对计算区域进行网格划分，在处理大变形问题时难免出现网格畸变所引起的一些数值问题。自20世纪90年代以后，国内陆续发展了无网格的光滑粒子方法和物质点方法，使水下爆炸的数值计算有了跨越式的进展。
      
       4．2．1 光滑粒子方法[32]
      
       光滑粒子动力学(Smoothed Particle Hydrodynamics，SPH)方法是拉格朗日型无网格粒子方法。与传统的基于网格的数值方法不同，SPH用粒子系统代表所模拟的连续介质(流体或固体)，并且估算和近似控制介质运动的偏微分方程。各种宏观物理量(如密度、压力、速度和内能等)被定义在粒子中心，相关的物理量及其空间导数可通过邻近的、相互作用的粒子的物理量插值得到。SPH方法中粒子伴随介质的运动而以当地速度移动，不需要复杂的算法追踪或捕捉运动界面、移动边界等运动特征，特别适合处理具有自由表面、运动交界面的问题。
      
       Liu[33]在SPH方法模拟水下爆炸领域作出了突出贡献，对一维炸药爆轰、二维爆炸气体膨胀、锥形炸药爆炸、二维水下爆炸、水介质缓冲等问题进行了模拟。Xu[36]采用SPH和有限元结合的方法模拟了结构在水下爆炸作用的响应。
      
       4．2．2 物质点法[37]
      
       物质点法也是一种无网格算法，具有拉格朗日方法和欧拉方法二者的优点。与网格类方法和其他无网格粒子类方法相比，物质点法的多介质耦合计算简单直接，同时对物质交界面处不需要进行特殊的处理，自动满足无滑移的接触条件，从而避免了不同材料间的相互穿透现象。这些特点使得物质点法广泛应用在高速碰撞、爆炸冲击和水下爆炸[38]数值模拟等问题中。
      
       物质点法中不同介质的耦合计算是通过在背景网格节点上求解动量方程实现的。在耦合界面处将各介质物质点应力的散度值映射到该位置的背景网格节点，计算出背景网格节点力总和，从而实现多介质耦合计算。
      
       在水下爆炸中爆轰气体和水介质都看成无黏性流体，在节点处的耦合式可表示为：
      
      
      
       式中，fi是节点力；Pg、Vg,p和Pf、Vf，p，分别为爆轰气体粒子和水介质粒子的静水压力和体积。
      
       在求解动量方程过程中，物质点同背景网格是固连在一起的，每个网格单元随物质流动而变形，单元内物质点的运动同节点的运动是成正比的。
      
      
      
       式中，v(x)是速度场；Ni(x)是节点基函数；vi是节点速度。由于节点速度通过节点基函数连续映射至单元内部，因此物质点是在单值连续的速度场中运动的，所以能自动满足无滑移接触条件。
      
       5水下爆破技术[39]
      
       水下爆破技术主要应用于港口、航道疏浚炸礁，挡水围堰或岩坎拆除爆破和水库水下岩塞爆破以及软基爆炸加固等工程。
      
       随着航道和港口建设的蓬勃发展，我国每年采用水下爆破炸礁或破碎水底岩石方量已达5×106m3以上。目前，在重大炸礁工程中，采用GPS三点精确定位系统，有效地解决了在水深流急、风大浪高、暗流复杂多变、多台风、雨季等恶劣天气影响下的定位问题，实现了钻孔精度的有效控制。目前，我国已经成功进行岩塞爆破20多次，并在爆破设计、爆渣处理、安全控制等方面积累了丰富的经验。
      
       在软基爆炸加固处理方面，经过多年理论研究与现场试验、工程实验和实践，已总结出一套完整的淤泥软基爆炸处理新技术，并先后应用于连云港建港、深圳电厂煤码头、珠海高兰港口、粤海铁路通道轮渡码头港口防波堤和其他类似的工程中，筑堤总长超过200km。
      
       6展望
      
       近20～30年以来，经过多年的研究，我国在水下爆炸机理、水下爆炸试验方法与测量技术、水下爆炸数值模拟和水下爆炸效应等方面都有了很大进步。同时，由于水下爆炸的复杂性，许多问题仍有待于深入进行研究。为此应在以下几个方面有所加强：
      
       (1)加强水下爆炸机理方面的研究[40]，包括水下新炸药和非理想爆轰、炸药能量输出结构与炸药组成和装药结构的关系、水下爆炸在不同界面的效应、水下爆炸冲击波传播和气泡脉动规律的研究等；
      
       (2)水下爆炸是典型的流固耦合、多场耦合和多尺度的问题，在民用和军用领域都有重要的的应用前景，需要跨学科的科研人员和部门的密切协作。
      
       (3)突破国外大型商业软件的束缚，开发具有自主知识产权的数值模拟软件，并不断发展和壮大；
      
       (4)理论研究者和工程实践的紧密结合。
      
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       摘自《中国爆破新进展》
      
      
原文网址：

1. http://www.cbsw.cn/news.do?newsId=92600

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