姚熊亮，劉文韜，張阿漫，劉云龍

哈爾濱工程大學(xué)船舶工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150001

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水下爆炸氣泡及其對結(jié)構(gòu)毀傷研究綜述

姚熊亮，劉文韜，張阿漫，劉云龍

哈爾濱工程大學(xué)船舶工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150001

摘要：水下爆炸，特別是近場水下爆炸，會對艦船結(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重的毀傷，研究表明，水下爆炸氣泡將與含初始?xì)慕Y(jié)構(gòu)產(chǎn)生強烈的耦合效應(yīng)，造成二次毀傷。水下爆炸氣泡與自由面、壁面、彈性結(jié)構(gòu)等不同邊界的相互作用是流體力學(xué)和流固耦合領(lǐng)域的研究熱點，有很多機理性問題亟待解決。圍繞水下爆炸氣泡對結(jié)構(gòu)的毀傷，從實驗研究、理論研究、數(shù)值研究等方面闡述該領(lǐng)域國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀。在現(xiàn)有的研究動態(tài)中，仍存在著不足，一些問題仍需深入研究，例如，要研究水下爆炸沖擊波對水中結(jié)構(gòu)造成破口后，氣泡與具有初始破口的不完整邊界的耦合動力學(xué)特性，并計入結(jié)構(gòu)的彈塑性、自由液面效應(yīng)、氣泡周圍流場的可壓縮性、氣泡的初始形狀以及氣泡內(nèi)部的溫度變化，探索氣泡的“腔吸現(xiàn)象”、射流特性及其載荷規(guī)律。

關(guān)鍵詞：水下爆炸；氣泡；結(jié)構(gòu)毀傷；綜述

0　引　言

作為一個基礎(chǔ)性的研究課題，水中氣泡動力學(xué)特性研究在船舶與海洋工程中占有很重要的地位，其應(yīng)用范圍涵蓋水下爆炸氣泡［1］、螺旋槳空泡［2-3］、可燃冰開采過程中形成的上浮氣泡［4-5］、由海底資源勘探氣槍形成的高壓氣泡［6］等。本文將主要針對水下爆炸過程中產(chǎn)生的大尺度氣泡對已受到?jīng)_擊波破壞的艦船結(jié)構(gòu)進(jìn)一步嚴(yán)重毀傷的相關(guān)研究進(jìn)行綜述。該問題是近年來研究的熱點與難點，其背后的機理均為氣泡與不同特性邊界耦合的動態(tài)特性。隨著精確制導(dǎo)武器的快速發(fā)展，魚雷、水雷等武器可貼近水面艦船、潛艇等表面發(fā)生近場爆炸，爆炸產(chǎn)生沖擊波之后緊接著會形成高溫高壓的氣泡，氣泡在收縮膨脹過程中會形成脈動壓力，在氣泡收縮階段，又會坍塌產(chǎn)生射流。近場水下爆炸沖擊波首先使得船體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生局部凹陷甚至是破口，隨后，水下爆炸氣泡在具有初始變形（破口）的船體結(jié)構(gòu)附近運動，對船體結(jié)構(gòu)造成二次毀傷，最終導(dǎo)致船體結(jié)構(gòu)喪失總縱強度或者局部強度，從而使艦船喪失生命力。

目前，水下爆炸氣泡與自由面、結(jié)構(gòu)壁面等不同邊界相互作用耦合已成為國內(nèi)外業(yè)界內(nèi)的研究熱點，如中國船舶科學(xué)研究中心和美國的Chahine研究團(tuán)隊等均在研究水下爆炸氣泡的動態(tài)特性。經(jīng)過實驗研究和數(shù)值研究，科研人員發(fā)現(xiàn)，氣泡和自由液面、剛性壁面等不同邊界的耦合依然有很多本質(zhì)性的問題未被解決。這些問題的本質(zhì)為氣泡與復(fù)雜邊界的相互作用，以及氣泡在不完整邊界、自由液面及反射沖擊波的作用下將產(chǎn)生的“腔吸現(xiàn)象”、反射流、對射流等強非線性力學(xué)特征。雖然各國學(xué)者對水下爆炸氣泡及其載荷特性進(jìn)行了大量研究，但迄今為止，關(guān)于氣泡與具有初始破口的船體結(jié)構(gòu)相互作用的文獻(xiàn)仍然十分少見。

水下爆炸氣泡運動過程復(fù)雜，存在超近邊界、不連續(xù)、大變形等諸多強非線性問題，在求解此類問題時，傳統(tǒng)單一的有限元和邊界元等方法均存在巨大的挑戰(zhàn)。為此，本文將從實驗分析、理論研究和數(shù)值研究這3個方面綜述國內(nèi)外關(guān)于氣泡動力學(xué)的特性，以及氣泡與不同邊界耦合作用的研究進(jìn)展與現(xiàn)狀，旨在為水下爆炸氣泡對艦船結(jié)構(gòu)毀傷的相關(guān)研究提供基礎(chǔ)性的技術(shù)支撐和參考。

1　現(xiàn)狀分析

水下爆炸是水面艦船和潛艇生命力的主要威脅之一，不僅前期的沖擊波會對結(jié)構(gòu)造成毀傷，而且后期的氣泡載荷也會對結(jié)構(gòu)造成更為嚴(yán)重的破壞。在水下爆炸中，氣泡對結(jié)構(gòu)的毀傷不是孤立的，其與沖擊波密不可分，兩者在時間上一前一后聯(lián)合作用，對艦船結(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重毀傷。水面艦船在近場水下爆炸沖擊波的作用下會產(chǎn)生破口，形成不完整邊界，而緊隨其后的水下爆炸氣泡又處于復(fù)雜的流場環(huán)境中，此時，既存在有初始破口的船體結(jié)構(gòu)，還存在著自由液面，而且氣泡還受反射沖擊波的作用。上述問題的本質(zhì)為氣泡與復(fù)雜邊界的相互作用，氣泡在不完整邊界、自由液面以及反射沖擊波的作用下將產(chǎn)生“腔吸現(xiàn)象”、反射流及對射流等強非線性力學(xué)特征。雖然各國學(xué)者對水下爆炸氣泡及其載荷特性進(jìn)行了大量研究，但迄今為止，關(guān)于氣泡與具有初始破口的船體結(jié)構(gòu)相互作用的文獻(xiàn)仍然十分少見。基于艦船近場水下爆炸的復(fù)雜性，目前，國內(nèi)外的研究均主要集中在水下近場爆炸作用下簡單規(guī)則結(jié)構(gòu)破壞形式的分析（Ramajeyathilagam等［7］，Rajendran等［8］，張馨等［9］，陳亮等［10］）上，而關(guān)于近場水下爆炸載荷及其對艦船結(jié)構(gòu)的毀傷研究較少，關(guān)于近場爆炸形成的氣泡與沖擊波造成初始破口的不完整邊界相互作用方面的公開文獻(xiàn)資料更是十分罕見。

研究近場水下爆炸對艦船結(jié)構(gòu)破壞毀傷的主要途徑有3種：實驗研究、理論研究和數(shù)值研究。近場水下爆炸實驗研究具有破壞性，尤其是實船實驗，代價十分昂貴，而且還要承擔(dān)很大的風(fēng)險。理論分析則主要局限于近場水下爆炸作用下簡單規(guī)則結(jié)構(gòu)的響應(yīng)與破壞研究，如Wierzbicki等［11］和Rajendran等［12］基于能量原理對矩形方板及圓形板的分析研究。近年來，隨著計算機運算能力的飛速發(fā)展和提高，數(shù)值研究已逐漸成為研究艦船近場水下爆炸的主要手段之一［13］，但現(xiàn)階段的數(shù)值研究主要是利用集成封裝的商業(yè)軟件，如AUTODYN，LS-DYNA，MSC/DYTRAN及ABAQUS等各類有限元軟件，這些商業(yè)軟件的靈活性低，且無法完全弄清其內(nèi)部具體的計算細(xì)節(jié)，計算精度很難保證，在解決近場水下爆炸問題時，仍會面臨很大的困難與挑戰(zhàn)。數(shù)值研究方法雖然可以解決近場水下爆炸問題，但仍需予以進(jìn)一步的探索與探討。下面，將分別從實驗、理論以及數(shù)值研究方面闡述國內(nèi)外在相關(guān)問題方面的研究現(xiàn)狀，并提出需進(jìn)一步研究的工作。

1.1實驗研究

實船水下爆炸實驗具有嚴(yán)重的破壞性和不確定性，其可重復(fù)性差，過程復(fù)雜，難以開展。國外曾多次開展過近場水下爆炸實船實驗。自二戰(zhàn)以來，以美國為代表的各海軍強國進(jìn)行了系列的艦船水下爆炸研究，其中，就包括近場接觸爆炸實驗。例如，吉田隆等［14］針對日本在二戰(zhàn)中受損的戰(zhàn)艦，采用數(shù)據(jù)統(tǒng)計方法，對艦船的破口情況進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集，通過對數(shù)據(jù)的分析研究，總結(jié)出了艦船在近場水下爆炸時破口大小的估算公式；2005年，美國采用魚雷等武器對一艘退役的航空母艦進(jìn)行實彈攻擊，得到了珍貴的實驗數(shù)據(jù)；2008年，美國和澳大利亞海軍通過魚雷實彈實驗，證明當(dāng)在龍骨下方發(fā)生近場接觸爆炸時，考慮艦船的總縱強度，艦船會產(chǎn)生總體結(jié)構(gòu)毀傷，在一些極端情況下，艦船中部還會產(chǎn)生斷裂。但由于艦船接觸爆炸實驗研究多數(shù)涉及軍事秘密，公開發(fā)表的文獻(xiàn)很少，因此無法了解具體的研究內(nèi)容與成果。近年來，國內(nèi)在此方面也取得了一些研究進(jìn)展，如陳輝等［15］進(jìn)行了較多的艦船模型及實船爆炸實驗，取得了一批珍貴的實驗數(shù)據(jù)，但這些都是遠(yuǎn)場爆炸實驗，氣泡射流載荷未對艦船結(jié)構(gòu)造成毀傷，所以有關(guān)艦船近場接觸水下爆炸方面的實驗研究還是比較少。

基于水下爆炸實驗的成本和安全性，研究者開始尋找其他方法以產(chǎn)生類似的氣泡。近年來，隨著光測技術(shù)和電子科技的迅速發(fā)展，新材料和新工藝如雨后春筍般出現(xiàn)，使得水下爆炸實驗測試水平得到了極大的提升，在實驗中拍攝、記錄氣泡動力學(xué)行為變得現(xiàn)實可行，因而針對水下爆炸氣泡的實驗研究也得到了良好的開展。實驗研究發(fā)現(xiàn)，激光氣泡和電火花氣泡可以被用來代替水下爆炸產(chǎn)生的真實氣泡，由于這2種氣泡的動力學(xué)行為極其相似，故在實驗研究中經(jīng)常被采用。Klaseboer等［16］通過在水池中進(jìn)行水下爆炸實驗，拍攝記錄下了氣泡在自由場和靠近剛性壁面的動力學(xué)行為，完整地拍攝到了氣泡坍塌產(chǎn)生射流的過程，為研究水下爆炸氣泡提供了極有價值的數(shù)據(jù)影像資料。朱錫等［17］和汪斌等［18］利用水下高速攝影技術(shù)，研究了自由場及結(jié)構(gòu)附近水下爆炸氣泡的動態(tài)特性，取得了與前人一致的結(jié)論。Dadvand等［19］和張阿漫等［20］采用電火花氣泡代替真實的炸藥生成的氣泡，形成了機理性的實驗方法用來研究氣泡的運動及其載荷特性。但常壓下的電火花氣泡和激光氣泡的尺度遠(yuǎn)小于真實的水下爆炸氣泡，與真實的水下爆炸氣泡存在著較大差異。為此，Zhang等［21］在減壓罐中進(jìn)行了電火花氣泡實驗，以使實驗中的氣泡尺寸增加，更重要的是，其可以與真實水下爆炸氣泡實現(xiàn)浮力相似，即氣泡的射流和遷移規(guī)律基本一致。

國外學(xué)者針對簡單的規(guī)則結(jié)構(gòu)進(jìn)行了許多有關(guān)水下爆炸的基礎(chǔ)性實驗研究。Brett等［22］最早采用小當(dāng)量的水下爆炸實驗，研究了其對水中圓柱殼的動態(tài)響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)在近場爆炸過程中，氣泡作用下結(jié)構(gòu)的響應(yīng)比沖擊波階段的大。Klaseboer等［16］在Brett等［22］的基礎(chǔ)之上，以氣泡運動和載荷特性為研究重點，采用實驗和數(shù)值的方法研究了水下爆炸氣泡與水中鋼板的相互作用機理。Brett等［23］采用類似的實驗方法，研究了水下爆炸對水中圓柱殼結(jié)構(gòu)的損傷特性，并分析了在此過程中，氣泡與圓柱殼的相互作用及氣泡載荷對沖擊損傷的影響。

有關(guān)近場水下爆炸及其對艦船結(jié)構(gòu)毀傷破壞規(guī)律的實驗研究，國內(nèi)的相關(guān)文獻(xiàn)資料也較少。陳繼康等［24］開展了艦船接觸爆炸沖擊環(huán)境研究，得出艦船最弱的部位是焊縫及其焊接殘余應(yīng)力區(qū)。朱錫等［25］針對帶有加強筋的矩形船體板架的近場水下爆炸開展了實驗，總結(jié)并修正了帶加強筋板的破口長度估算公式。朱錫等［26］對艦船舷側(cè)防雷艙結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行了水下爆炸實驗，結(jié)果表明，艦船結(jié)構(gòu)對近場水下爆炸的防護(hù)能力可以通過設(shè)計水下防雷艙來予以大幅提高。施興華等［27］開展了在近場水下爆炸作用下多層板殼防護(hù)結(jié)構(gòu)的動態(tài)響應(yīng)研究，得到了各層板的破壞形式并分析了其毀傷原因。汪斌等［28］考慮了邊界效應(yīng)和非球狀初始條件，針對近場水下爆炸氣泡脈動、射流載荷開展了實驗研究。此外，李海濤和朱錫等［29-31］、黃超和汪斌等［32-33］及王樹山等［34］也對水下爆炸氣泡及其對結(jié)構(gòu)的毀傷進(jìn)行了深入的實驗研究。以上研究多偏重于工程應(yīng)用研究，而有關(guān)近場接觸爆炸載荷特征方面的研究則較少，在水下爆炸過程中，產(chǎn)生的沖擊波和氣泡會相互作用、相互影響，所以沖擊波使結(jié)構(gòu)出現(xiàn)破口之后的氣泡脈動、射流等載荷特性需要進(jìn)行更深入的研究，關(guān)于近場水下爆炸氣泡的動力學(xué)特性及其對結(jié)構(gòu)的毀傷規(guī)律也需要進(jìn)行更深入的探討。

1.2理論研究

水下爆炸氣泡理論研究主要是以簡單的模型作為研究對象。在初期的研究工作中，主要采用理論研究與實驗研究相結(jié)合的方法，這樣有助于對簡單模型研究的開展，揭示內(nèi)在的機理和規(guī)律。

針對水下爆炸氣泡動力學(xué)理論的分析研究在很久之前就已經(jīng)存在了。早在1859年，Besant［35］就嘗試通過源和匯來描述氣泡球形脈動過程中的流場特性。在此基礎(chǔ)上，Rayleigh［36］結(jié)合氣泡內(nèi)部氣體的狀態(tài)方程，得到了球形氣泡脈動的解析解，即經(jīng)典的Rayleigh方程。在推導(dǎo)這一理論的過程中，引入了一些合理的假設(shè)。首先，認(rèn)為氣泡周圍是不可壓縮的理想流體，采用勢流理論來描述流場的運動過程。對于水下爆炸氣泡，通常尺度較大，結(jié)合其運動速度，可以認(rèn)為屬于高雷諾數(shù)問題，因此，在其運動過程中粘性力相對于慣性力是小量，可以忽略；其次，在除去氣泡接近最小體積的極短時間內(nèi)，氣泡壁的速度遠(yuǎn)小于水中的聲速，所以在氣泡第1個周期內(nèi)將流體看作不可壓縮流體也是合理的。因此，盡管當(dāng)時針對的研究背景主要為空化氣泡，但這些假設(shè)對于水下爆炸氣泡也是適用的，并且奠定了后續(xù)采用邊界元方法求解氣泡動力學(xué)問題的理論基礎(chǔ)。隨后，研究者分別考慮表面張力、粘性、弱可壓縮性［37-39］以及熱傳導(dǎo)和質(zhì)量耗散［40-41］的影響，得到改進(jìn)的Rayleigh模型，通過對比，表明這些因素均對氣泡脈動第1個周期的運動影響不大。隨著研究的深入，研究者發(fā)現(xiàn)，對于水下爆炸這種大尺度氣泡，浮力的作用十分明顯，其會使氣泡在脈動過程中產(chǎn)生十分明顯的上浮運動，因此在深度較小時，這種上浮會顯著改變氣泡周圍的流體靜壓力，從而間接影響氣泡的脈動過程。為此，研究者在球形假設(shè)下，考慮了由浮力引起的氣泡上浮的影響。其中，比較典型的是Wilkerson［42］提出的氣泡動力學(xué)模型。Klaseboer和Khoo［43］在Rayleigh方程的基礎(chǔ)上，引入了等效氣泡半徑和等效氣泡壁速度，將其擴(kuò)展到了壁面、自由面附近以及重力場中等非球形氣泡運動的情形中，并從氣泡壁速度的角度出發(fā)，解釋了邊界對氣泡脈動周期的影響規(guī)律。對于水下爆炸氣泡膨脹與收縮階段的壓力載荷，Geers和Hunter［44］給出了比較精確的估算公式。Liu等［45］通過勢流理論推導(dǎo)了考慮氣泡變形和遷移特性的奇點等效方法，并給出了修正的氣泡脈動載荷計算方法。

以上氣泡動力學(xué)模型均在不可壓縮勢流的假設(shè)下成立，然而實驗表明，當(dāng)考慮氣泡多次脈動運動特性時，周圍流體的這種弱可壓縮性是不可忽略的。可壓縮性的存在會使氣泡在最小體積附近向外輻射波能，從而造成系統(tǒng)的能量損耗，使氣泡脈動的最大半徑和脈動壓力峰值逐次減小，尤其是對強度參數(shù)較大的水下爆炸氣泡，這種衰減更為明顯，甚至有研究者通過高速攝影裝置還捕捉到了氣泡坍塌至最小體積附近時向外輻射的沖擊波。對此，研究者們嘗試通過不同的方法考慮氣泡周圍流場可壓縮性的影響［37-38，46-49］。早期的Keller-Herring模型是將氣泡周圍流體假設(shè)為聲學(xué)介質(zhì)，并采用線性化的波動方程代替拉普拉斯方程來求解氣泡的運動［48］。Geers等［44］同樣基于聲學(xué)假設(shè)，在球坐標(biāo)系下推導(dǎo)了考慮內(nèi)部氣體可波動特性和氣泡在浮力作用下遷移特性的一維雙漸近法，并采用水下爆炸氣泡的大量實驗數(shù)據(jù)對其進(jìn)行了修正，該方法在水下爆炸氣泡脈動壓力載荷的工程計算中被廣泛使用。在此基礎(chǔ)上，Zhang等［50］從三維波動方程出發(fā)，在時域角度將雙漸近法推廣到了非球狀氣泡動力學(xué)邊界元方法中，得到的結(jié)果與理論模型吻合良好。Prosperetii 和Lezzi［37-38］則通過在流體的狀態(tài)方程中引入“焓”，并結(jié)合攝動理論分別得到了考慮可壓縮性的一階理論和二階理論，在二階理論的基礎(chǔ)上，Wang等［51-53］建立了可壓縮流體中非球形氣泡運動邊界元數(shù)值模型理論。

經(jīng)過不斷的努力和改進(jìn)，在理論研究方面，氣泡動力學(xué)有了長足的進(jìn)步。盡管仍有著明顯的局限性，例如，無法考慮氣泡與復(fù)雜邊界的耦合特性，僅能考慮球形或偏離球形不大的非球狀運動等，但對于氣泡動力學(xué)實驗和數(shù)值研究的發(fā)展及氣泡運動機理的揭示有著重要的推動作用。

1.3數(shù)值研究

近場水下爆炸過程由于涉及幾何大變形、邊界、材料等強非線性現(xiàn)象，對于稍微復(fù)雜的邊界來說，即使經(jīng)過多次簡化，理論分析的難度也很大，數(shù)值模擬同樣面臨著極大的困難。所以，現(xiàn)階段大多數(shù)的研究都是采用數(shù)值模擬與理論分析相結(jié)合的方法，在理論分析的基礎(chǔ)上建立相應(yīng)的數(shù)值模型。

1.3.1氣泡動力學(xué)模型

在基于勢流理論的邊界元氣泡動力學(xué)數(shù)值模型中，假設(shè)氣泡周圍的流體為理想不可壓縮。將拉格朗日方程的時間積分與邊界積分方程的空間積分結(jié)合起來形成的混合歐拉—拉格朗日（MEL）方法是氣泡動力學(xué)研究中最為成功的一種方法，在水下爆炸這類由邊界大變形引起的強非線性問題中，表現(xiàn)出了較高的精度和穩(wěn)定性。后續(xù)的氣泡動力學(xué)數(shù)值研究大多是在此基礎(chǔ)上，采用各種新的數(shù)值和理論方法對MEL方法進(jìn)行改進(jìn)。Lenoir［54］嘗試采用這一技術(shù)計算了靠近自由面和剛性壁面的非球形氣泡的動態(tài)特性。Blake和Gibson［55］進(jìn)行了若干改進(jìn)，并計算了自由面附近氣泡的動態(tài)特性，其結(jié)果與實驗結(jié)果吻合良好，表明MEL方法可以用來模擬強非線性的氣泡運動問題。Blake和Gibson［56］還在計算剛性壁面附近的氣泡運動時，引入了通過限制每個時間增量步上氣泡表面最大速度勢增量的方式，用以控制時間步長，其在保證數(shù)值穩(wěn)定性的前提下極大地提高了MEL方法在氣泡動力學(xué)中的計算效率。Harris［57］在其基礎(chǔ)上，采用線性四節(jié)點單元建立了三維氣泡動力學(xué)模型，計算了固定的球和圓柱附近氣泡被射流穿透前的動態(tài)特性。但在三維氣泡模擬中，網(wǎng)格的優(yōu)化不再像軸對稱或是二維模型一樣方便，常出現(xiàn)網(wǎng)格過度畸變的問題從而使計算終止。對此，Zhang等［58］提出了自適應(yīng)網(wǎng)格優(yōu)化技術(shù)，即在網(wǎng)格過于集中的位置對單元進(jìn)行合并，而在網(wǎng)格稀疏的位置則對單元進(jìn)行拆分以保證網(wǎng)格質(zhì)量，效果較好，但由于其在網(wǎng)格優(yōu)化過程中不斷改變了節(jié)點數(shù)，致使編程極其復(fù)雜。Wang等［59］則針對這一問題引入了彈性網(wǎng)格技術(shù)（Elastic mesh techique），即將節(jié)點之間的連接看作彈性的“桿”，通過彈性連接的作用，使整個網(wǎng)格內(nèi)部的彈性勢能最小以得到優(yōu)化的網(wǎng)格。這一技術(shù)由于其簡便性和較好的效果而被廣泛應(yīng)用于后續(xù)的氣泡動力學(xué)研究中［16，58-65］，極大地提高了氣泡動力學(xué)模型的數(shù)值穩(wěn)定性。

一般來說，氣泡誘導(dǎo)的最大壓力發(fā)生在氣泡射流之后（氣泡最小體積附近），然而，在氣泡射流發(fā)生以后，氣泡從單連通域轉(zhuǎn)化為雙連通域，形成了一個環(huán)狀氣泡，給邊界元模擬帶來了很大的困難。為此，Best［66］提出了“渦面模型”，Wang等［67］提出了“渦環(huán)模型”，這兩者均可以處理流場勢函數(shù)多值的問題，但前者較難處理三維問題，而后者則具有更強的適應(yīng)性［68］。Li等［69］基于“渦環(huán)模型”，采用輔助函數(shù)法計算了氣泡射流在結(jié)構(gòu)表面引起的載荷，發(fā)現(xiàn)在射流壓力時歷曲線上可能會出現(xiàn)多個峰值，其中第1個峰值是由氣泡射流造成，其后的峰值與氣泡坍塌、氣泡遷移以及飛濺現(xiàn)象有關(guān)。另外，Zhang等［70］提出了“多渦環(huán)模型”，對環(huán)狀氣泡的撕裂現(xiàn)象進(jìn)行了相關(guān)研究，發(fā)現(xiàn)環(huán)狀氣泡撕裂時也會在流場中產(chǎn)生局部高壓區(qū)。

除此之外，邊界元方法還可以與其他數(shù)值方法結(jié)合，以求解更為復(fù)雜的氣泡動力學(xué)問題。例如：Tan等［71］結(jié)合Level-set技術(shù)和邊界元方法來計算氣泡動力學(xué)，用以改善邊界更新問題；Zhang等［72］和張奇等［73］分別采用光滑粒子流體動力學(xué)（Smoothed Particle Hydrodynamics，SPH）和任意拉格朗日—歐拉（Arbitary Lagrange-Euler，ALE）方法計算了炸藥初始爆轟階段，并用邊界元方法（Boundary Element Method，BEM）計算了后續(xù)的氣泡運動過程，得到的結(jié)果與實驗結(jié)果吻合良好；Klaseboer等［16］和Zhang等［74］通過將BEM與非線性有限元程序耦合，計算了水下爆炸氣泡與彈塑性結(jié)構(gòu)的相互作用。以上應(yīng)用表明，邊界元方法具有較高的擴(kuò)展性，能方便地與其他方法結(jié)合來求解復(fù)雜的問題。

除邊界元方法外，蘇怡然等［75］采用N-S方程的有限差分格式，并結(jié)合MAC法［76］對水下爆炸的氣泡脈動過程進(jìn)行了數(shù)值仿真研究，精確處理了復(fù)雜的自由面邊界。Popinet等［77］采用有限體積法（FVM）求解不可壓的N-S方程，采用MAC法捕捉氣泡界面，數(shù)值研究了粘性對水下爆炸氣泡在近壁面處收縮產(chǎn)生射流的影響。Terashima等［78］采用顯性的界面追蹤法（Explicit front-tracking method）捕捉流體界面，并基于虛擬流法（Ghost-fluid method）定義界面條件，模擬了可壓縮流體中沖擊波和氣泡運動的耦合關(guān)系。Han等［79］采用基于FVM和流體體積函數(shù)（VOF）的開源代碼，數(shù)值研究了2個激光氣泡的相互作用。

1.3.2氣泡與結(jié)構(gòu)耦合動力學(xué)模型

水下爆炸氣泡及其對結(jié)構(gòu)毀傷的問題是氣泡動力學(xué)中一個重要的研究方向，即流固耦合問題，該問題的本質(zhì)就是流體載荷與結(jié)構(gòu)響應(yīng)之間的相互作用關(guān)系。由于兩者之間的耦合關(guān)系，使得該問題變得非常困難、復(fù)雜。在采用基于勢流理論方法與結(jié)構(gòu)的流固耦合方面，有2個難點，分別是流固交界面的處理和結(jié)構(gòu)上流體載荷的計算。對于流固交界面的處理，涉及交界面處滿足2個流體力學(xué)邊界條件的過約束問題，Wang［80］提出了一種結(jié)合節(jié)點拆分方法和集中奇點的邊界元方法的解決途徑；對于流體載荷計算，由于載荷的大小與結(jié)構(gòu)響應(yīng)之間存在雙向的耦合效應(yīng)，因此與傳統(tǒng)的剛性固定結(jié)構(gòu)表面載荷的求解有所區(qū)別。然而，針對氣泡動力學(xué)本身，這類研究多直接采用球形氣泡動力學(xué)模型，而忽略了結(jié)構(gòu)的存在對氣泡運動的影響。比較典型的研究方法是結(jié)合球形氣泡模型和Morrison方法，計算艦船及潛艇等細(xì)長體的剖面受力問題，不過，在這方面的進(jìn)展主要是更為科學(xué)的球形氣泡動力學(xué)模型的提出。例如，早期的工作均是在不可壓縮假設(shè)下，且忽略了自由面效應(yīng)的影響。Wilkerson［81］和Stettler［82］采用考慮自由面效應(yīng)的氣泡動力學(xué)模型，計算了水面艦船和潛艇結(jié)構(gòu)的鞭狀運動特性，但這些研究均是在結(jié)構(gòu)的線彈性假設(shè)下進(jìn)行的。這一套流固耦合方法對后續(xù)的研究具有很大的指導(dǎo)意義，例如，李玉節(jié)等［83］、Zhang和Zong［84］采用相似的方法研究了艦船產(chǎn)生的鞭狀運動中的剛體運動成分。Zong等［85-87］結(jié)合以上方法和船體梁剛塑性模型，分析了艦船在水下爆炸氣泡載荷下的總體損傷特性。董海等［88］采用二階雙漸近方法（DAA2）代替Morrison模型，計算了結(jié)構(gòu)濕表面的流體載荷，得到了可考慮實際潛艇界面形狀的鞭狀運動分析方法，較之前的研究有明顯的進(jìn)步。李健等［89］研究了在水下柱形裝藥沖擊載荷作用下，圓柱殼結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)過程，其中采用流固耦合方法處理了流場邊界，通過對比，發(fā)現(xiàn)其計算結(jié)果與實驗結(jié)果吻合良好。汪浩等［90］計算研究了近場非接觸水下爆炸中，內(nèi)加筋圓柱殼結(jié)構(gòu)在氣泡脈動壓力載荷和氣泡射流沖擊載荷作用下的毀傷特性，并分析了結(jié)構(gòu)尺寸、爆距和裝藥方位等變量因素對結(jié)構(gòu)破壞特性等規(guī)律的影響。劉云龍［91］以實際尺寸艦船模型研究了其與水下爆炸氣泡的耦合作用，分析了艦船處于靜水、波峰和波谷3種工況下艦船的總縱強度問題。

以上研究均是在結(jié)構(gòu)的運動對流場的擾動較小的假設(shè)下進(jìn)行的，因而可以忽略邊界效應(yīng)對氣泡運動的影響，而完全考慮流固耦合的氣泡動力學(xué)的研究則較少，多是以波浪對浮體的作用為研究背景的理論和數(shù)值研究。

2　結(jié)　論

目前，隨著水中兵器的發(fā)展，艦船遭遇近場水下爆炸的概率在逐漸增大，各軍事強國越來越多地開始關(guān)注近場水下爆炸對艦船結(jié)構(gòu)的毀傷特性。但由于艦船近場水下爆炸的復(fù)雜性，故較少采用實驗研究的方法，特別是在采用實船實驗方面，更是鳳毛麟角。在理論和數(shù)值研究方面，主要的研究還局限于相對簡單的模型，數(shù)值方法也主要依賴于封裝的進(jìn)口通用有限元軟件，求解精度很難保證?？傊m然國內(nèi)外許多研究學(xué)者均針對近場水下爆炸開展了大量研究，但還是存在著一些不足之處：

1）在研究近場爆炸對結(jié)構(gòu)的破壞時，目前更多的是關(guān)注沖擊波對結(jié)構(gòu)的毀傷特性，而有關(guān)氣泡脈動壓力載荷和射流沖擊載荷對艦船破壞規(guī)律的研究則甚少。

2）在研究近場水下爆炸氣泡時，需要考慮計入反射沖擊波的作用、氣泡的初始形狀影響、氣泡內(nèi)部溫度變化影響，以及周圍流場可壓縮性的影響，以對氣泡動力學(xué)行為開展進(jìn)一步的探索。

3）在近場水下爆炸氣泡研究中，要考慮沖擊波的影響。沖擊波對結(jié)構(gòu)會造成初始破口，形成不完整邊界，氣泡在不完整邊界附近會形成“腔吸現(xiàn)象”，而有關(guān)這方面的研究，公開發(fā)表的文獻(xiàn)十分少見。

4）現(xiàn)階段在解決與分析近場水下爆炸問題時，多數(shù)文獻(xiàn)并未考慮自由液面、水底和彈塑性結(jié)構(gòu)的邊界效應(yīng)。

5）在研究近場水下爆炸氣泡對結(jié)構(gòu)的毀傷時，需計入結(jié)構(gòu)的彈塑性，建立氣泡與不完整邊界的耦合效應(yīng)，探索氣泡的反射流載荷和對射流載荷特性，以及其對結(jié)構(gòu)的毀傷規(guī)律。

6）有關(guān)近場水下爆炸載荷的實驗研究，特別是沖擊波過后的氣泡動力學(xué)特性及其載荷特性方面的基礎(chǔ)性實驗研究，尚需加強。

針對以上存在的問題和不足，以后的研究可針對近場水下爆炸，在計入氣泡的初始條件、流場的可壓縮性、結(jié)構(gòu)的彈塑性以及沖擊波作用下的初始損傷的情況下，建立更加完善的水下爆炸氣泡與結(jié)構(gòu)的耦合動力學(xué)模型，為近場水下爆炸的相關(guān)研究提供理論參考與基礎(chǔ)性的技術(shù)支撐。

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Review of the research on underwater explosion bubbles and the corresponding structural damage

YAO Xiongliang，LIU Wentao，ZHANG Aman，LIU Yunlong
School of Shipbuilding Engineering，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China

Abstract：The near-field underwater explosion can cause severe damage to warships. Specifically, studies reveal strong coupling interaction between underwater explosion bubbles and the structure that are initially damaged, which could generate further damage to the structure. The interaction between underwater explo?sion bubbles and different boundaries, including the free surface, the seabed, and the elastic structure, is the research focus in the field of fluid mechanics and fluid-structure interaction. However, urgent problems remain unsolved. This study pays much attention to the structure damage caused by underwater explosion bubbles, namely the research status of this field, including experimental, theoretical, and numerical as?pects. Particularly, the dynamic characteristics of the coupling of bubbles are studied by considering the structure elasticity, free surface effect, the compressibility of the flow field around the bubble, assuming that the underwater explosion shock wave results in structural break. Furthermore, the initial shape of the bubble and the temperature variation inside the bubble are investigated, exploring the phenomenon of "cav?ity suction" as well as the characteristics of the jet and the load law of the bubble.

Key words：underwater explosion；bubble；structure damage；overview

作者簡介：姚熊亮（通信作者），男，1963年生，博士，教授。研究方向：艦船結(jié)構(gòu)動力學(xué)，水下爆炸，氣泡動力學(xué)。E-mail：xiongliangyao@hrbeu.edu.cn劉文韜，男，1991年生，碩士生。研究方向：水下爆炸。E-mail：liuwentao0@hotmail.com

基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目（U1430236，51479041，51279038）

收稿日期：2015 - 07 - 09網(wǎng)絡(luò)出版時間：2016-1-19 14:55

中圖分類號：U661.43

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.3969/j.issn.1673-3185.2016.01.006

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1755.TJ.20160119.1455.016.html期刊網(wǎng)址：www.ship-research.com

引用格式：姚熊亮，劉文韜，張阿漫，等.水下爆炸氣泡及其對結(jié)構(gòu)毀傷研究綜述［J］.中國艦船研究，2016，11（1）：36-45. YAO Xiongliang，LIU Wentao，ZHANG Aman，et al. Review of the research on underwater explosion bubbles and the corresponding structural damage［J］. Chinese Journal of Ship Research，2016，11（1）：36-45.