王樹山 ,賈曦雨 * ,高 源 ,馬 峰 ,盧 熹 ,張靜驍 ,孫雨薈 ,梁 策

(1.北京理工大學(xué) 爆炸科學(xué)與技術(shù)國家重點實驗室,北京,100081;2.北京理工大學(xué)機電學(xué)院 水下無人系統(tǒng)研究所,北京,100081;3.沈陽理工大學(xué) 裝備工程學(xué)院,遼寧 沈陽,110159;4.兵器科學(xué)研究院,北京,100089)

0 引言

水下爆炸是一個涉及復(fù)雜物理化學(xué)行為,機理尚未充分揭示的極端與前沿科學(xué)問題。水下爆炸動力學(xué)則是研究炸藥等含能物質(zhì)水下爆轟后,產(chǎn)物與水介質(zhì)互作用的物理效應(yīng)的專門學(xué)科,在兵器、船舶、海洋、水利以及石油等國防和國民經(jīng)濟領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。水下爆炸動力學(xué)的研究起源于19 世紀末,經(jīng)歷一個多世紀的發(fā)展,已經(jīng)形成了成熟的理論框架和研究體系。但是自Cole 的經(jīng)典著作之后,鮮有系統(tǒng)性論著對整個研究領(lǐng)域的發(fā)展進程進行梳理。同時,水下爆炸動力學(xué)多學(xué)科相互交叉、滲透的特點尤為突出,清晰的學(xué)術(shù)脈絡(luò)對研究工作的開展極其重要。在充分調(diào)研的基礎(chǔ)上開展文獻分析,以理論與技術(shù)發(fā)展路徑為主線,系統(tǒng)、詳盡剖析了水下爆炸動力學(xué)的起源、發(fā)展歷程和現(xiàn)狀,并提出了發(fā)展建議與未來展望。

1 水下爆炸動力學(xué)范疇與起源

1.1 水下爆炸動力學(xué)范疇

水下爆炸以炸藥(裝藥)在水下點火起爆為起點、以最終爆炸能量全部轉(zhuǎn)化為水介質(zhì)內(nèi)能為終點,整個物理過程涉及沖擊波、稀疏波和多物質(zhì)界面等間斷之間的相互作用;涉及爆轟產(chǎn)物-水的氣-液耦合、自由液面處的水-液耦合和水底處固-氣-液耦合等多介質(zhì)、多相態(tài)耦合;涉及瞬態(tài)爆轟反應(yīng)和長歷時二次燃燒反應(yīng)以及瞬態(tài)沖擊波和長歷時氣泡脈動等跨尺度力-化耦合;涉及爆轟物理、沖擊波物理、凝聚態(tài)物理、爆炸力學(xué)、流體力學(xué)和計算流體力學(xué)等多學(xué)科的交叉與應(yīng)用。顯然,水下爆炸是一個跨尺度、跨介質(zhì)和跨學(xué)科的多學(xué)科相互滲透、機理尚未充分揭示的極端與前沿科學(xué)問題。其內(nèi)涵不僅包括了載荷形成與演化,還包括載荷與目標的相互作用等。

而文中所討論的水下爆炸動力學(xué)是研究炸藥、火藥、發(fā)射藥和推進劑等水下爆轟、爆燃后,產(chǎn)物與水介質(zhì)及不同邊界(氣液邊界、流固邊界)等相互作用的物理效應(yīng)的專門學(xué)科,側(cè)重于水下爆炸研究中“載荷”的部分。廣義的水下爆炸動力學(xué)中的爆炸物或能量源則不限于含能材料,可以是核[1]、電花火[2]、激光[3]、超聲[4]或等離子體[5]等。

相較于更為抽象的物理學(xué)概念,水下爆炸動力學(xué)的研究對水中兵器高效毀傷能力建設(shè)和水中平臺防爆抗沖擊能力提升都有著清晰、緊迫的工程需求與現(xiàn)實意義。

1.2 水下爆炸基本物理現(xiàn)象

1) 爆轟

爆轟是一種自持放熱、反應(yīng)速率極快、以超聲速傳播的特殊化學(xué)反應(yīng),也是炸藥最高烈度的反應(yīng)形式(炸藥也會燃燒、自分解等)。對理想炸藥來講,有不考慮爆轟傳播過程的瞬時爆轟模型、考慮爆轟傳播但不考慮反應(yīng)區(qū)的CJ 模型和考慮反應(yīng)區(qū)寬度及狀態(tài)的ZND 模型等3 種主要模型[6]對其爆轟反應(yīng)過程進行理論描述和計算,如圖1 所示。圖中: p 為沖擊波壓力;pCJ為CJ 理論模型認為維持爆轟穩(wěn)定傳播的波陣面壓力;p0為瞬時爆轟假設(shè)條件下根據(jù)pCJ對產(chǎn)物壓力的估計值。

圖1 不同爆轟理論產(chǎn)物狀態(tài)比較Fig.1 Comparison of states of different detonation theories

水中兵器普遍使用添加有鋁粉等高熱值燃劑及氧化劑的混合炸藥(非理想炸藥),這些添加劑主要在爆轟反應(yīng)結(jié)束后與產(chǎn)物發(fā)生反應(yīng)并持續(xù)放熱[7-12],即含鋁炸藥的二次反應(yīng)。因此,一般含鋁炸藥的能量輸出結(jié)構(gòu)中沖擊波能占比更低,二次反應(yīng)放熱使得氣泡能提升,炸藥總能量水平可以達到2～3 倍TNT 當量[13]。

2) 無限水域爆炸沖擊波

爆轟過程結(jié)束后高狀態(tài)的產(chǎn)物氣體開始膨脹并向水中發(fā)射一道沖擊波,其形成機理、過程以及基本性質(zhì)等均與空氣中的爆炸相類似,主要是量級上有差別,其初始壓力可達10 GPa 以上。圖2描述了某典型時刻水下爆炸沖擊波的傳播。

圖2 典型水下爆炸沖擊波高速分幅快照Fig.2 High-speed framing snapshot of typical underwater explosion shock wave

水下爆炸初始沖擊波的波速很高,可達5～6 倍聲速。隨著傳播距離的增加迅速衰減,在2～3 個裝藥半徑內(nèi)即衰減至2 倍聲速以內(nèi),在10 倍裝藥半徑處即可衰減至接近音速,如圖3[14]所示。因此,中遠場沖擊波的傳播可以通過近似聲學(xué)理論進行描述[15]。

圖3 水下爆炸沖擊波波速衰減特征Fig.3 Attenuation characteristics of underwater explosion shock wave velocity

圖4 是典型水下爆炸遠場沖擊波壓力隨時間變化的曲線,波陣面掃過后,測點處壓力p 可在一定時間(數(shù)十或上百微秒)內(nèi)以指數(shù)形式迅速衰減至峰值的約37%,這段時間用字母θ 表示,被定義為沖擊衰減常數(shù)或時間常數(shù),用來表征水下爆炸沖擊波的時間衰減特征,pm為峰值壓力。過了該時間點后,壓力衰減速率降低,呈倒數(shù)型。

圖4 典型水下爆炸沖擊波壓力-時間曲線Fig.4 Pressure-time curve of typical underwater explosion shock wave

水下爆炸沖擊波的另一個重要物理特征是其壓力峰值的空間分布特征,可以用隨比例半徑r/re表征,這里的re是炸藥裝藥半徑,r 為爆距。在圖5[16]的對數(shù)坐標系內(nèi),沖擊波峰值壓力在10 r/re范圍以外呈線性分布,以內(nèi)則發(fā)生顯著的非線性偏離。王樹山團隊[16]發(fā)現(xiàn)近場沖擊波衰減規(guī)律可以通過兩相指數(shù)衰減模型進行描述。

圖5 水下爆炸沖擊波峰值壓力分布特征Fig.5 Characteristics of peak pressure distribution of underwater explosion shock wave

3) 沖擊波在界面處的反射

在真實海域中,裝藥爆炸后產(chǎn)生的沖擊波會在海底和海面處發(fā)生反射,原理如圖6 所示。由于水和空氣的阻抗明顯不匹配,反射沖擊波被自由面反射后產(chǎn)生稀疏波返回水中。反射的稀疏波隨后沿目標方向傳播并且在入射沖擊波到達后的有限時間內(nèi)抵達入射點并形成負加載,稀釋當前狀態(tài)甚至下降至負值,如圖6 中的壓力-時間曲線,該負加載被稱為水面截斷或截斷反射。與水面截斷相關(guān)的延遲時間能夠通過各自直接路徑和表面反射沖擊波進行計算,即截斷時間。海底反射波會根據(jù)海底材料的性質(zhì)不同,在沖擊波和稀疏波之間變化,正常情況下反射波為沖擊波,當反射波到達入射點時,會形成正加載,載荷壓力突躍增大。

圖6 沖擊波的反射現(xiàn)象Fig.6 Reflection of a shock wave

需要注意的是,在距離合適的情況下,沖擊波在水面和水底的反射都會引起水體大范圍的整體空化,空化閉合時也會產(chǎn)生具有一定強度的沖擊載荷。

4) 水下爆炸氣泡運動

水介質(zhì)密度高、可壓縮性弱,因此在沖擊波形成并離開以后,爆轟產(chǎn)物會在水介質(zhì)的約束下以氣泡的形式持續(xù)膨脹并伴隨著內(nèi)部壓力而降低。當氣泡膨脹至內(nèi)外壓平衡點時會因為慣性的作用繼續(xù)過膨脹至最大尺寸,此時氣泡內(nèi)壓低于外部環(huán)境壓力,壓差的存在使氣泡開始向心收縮,并同樣在慣性的作用下過收縮至最小尺寸。這樣一個完整的膨脹收縮過程叫作氣泡的一次脈動,此后,氣泡會再次膨脹并向外輻射壓力波,即脈動壓力波或二次壓力波,如圖7 所示。

圖7 水下爆炸載荷曲線與氣泡脈動示意圖Fig.7 Diagram of underwater explosion load curve and bubble pulsation

二次壓力波雖然峰值只有主沖擊波的10%～20%,但其脈寬遠遠大于沖擊波,比沖量與沖擊波水平相當,是水下爆炸毀傷研究中不可忽視的重要載荷。

當起爆深度較淺時,氣泡上升到達自由面會出現(xiàn)與爆轟產(chǎn)物混在一起形成的噴射水柱,其形態(tài)與形成機理較為復(fù)雜。

1.3 水下爆炸研究起源與早期發(fā)展

據(jù)《武編》一書記載,在嘉靖二十八年(公元1549 年),明朝人就能夠制造一種“用木箱作殼,內(nèi)裝黑火藥,以油灰粘縫密封,人工拉火引爆”的叫做“水底雷”的水下爆炸裝置。從功能上看,“水底雷”已經(jīng)具備了水雷的基本特征,主要利用黑火藥的燃燒爆炸來對付侵擾東南沿海的倭寇船只。這是目前有關(guān)水下爆炸應(yīng)用的最早的文獻記載。

兵器科學(xué)與技術(shù)內(nèi)涵下的水下爆炸研究起源于19 世紀末,有關(guān)水下爆炸物理現(xiàn)象的認識和研究手段的建立在第一次世界大戰(zhàn)期間逐步系統(tǒng)化和規(guī)?；?在第二次世界大戰(zhàn)期間初步完備化和成熟化。

1861—1865 年的美國南北戰(zhàn)爭期間,水雷被大量使用,其在海戰(zhàn)中爆發(fā)出的巨大威力讓法[17-18]、美[19]、意[20]、英[21]、德[22-23]等世界強國掀起一場海軍軍備競賽,魚雷(1866 年)應(yīng)運而生并在1877 年俄土戰(zhàn)爭中大放異彩。這場海軍軍事裝備的深刻變革推動了人類歷史上第一波水下爆炸研究的熱潮,大量水下爆炸動力學(xué)研究中的“第一次”都出現(xiàn)于這個時期。首次試圖測試/記錄/評估不同條件下(爆距、爆深)水下爆炸沖擊波的強度[19]、首次觀察到近水面爆炸引起的水冢(dome)和噴射水流(jet)[19]、首次觀察到水下爆炸氣泡的脈動壓力特征[23]等,如圖8 所示。

圖8 早期水下爆炸試驗裝置示意圖和所測氣泡脈動的壓力時程曲線Fig.8 Schematic diagram of early underwater explosion test device and pressure time history curve of bubble pulsation measured

第一次世界大戰(zhàn)及戰(zhàn)后一段時間,是水下爆炸研究的第2 個熱潮。著名的“爆炸相似率”就是由Hilliar[24]在這一時期引入到水下爆炸的研究中。以電氣石為代表的壓電材料首次被用于水下爆炸測試[25-27],如圖9 所示。時至今日,以美國PCB(PicoCoulomB)系列為代表的電氣石傳感器依然是水下爆炸信號測試中最可靠、應(yīng)用最廣泛的傳感器類型之一。

圖9 用電氣石傳感器所測棉火藥水下爆炸的信號Fig.9 The signal of underwater explosion of cotton powder measured by tourmaline sensor

其他重要發(fā)現(xiàn)還有: 發(fā)現(xiàn)了氣泡最大半徑的三次方與“裝藥質(zhì)量/一定爆深處總靜水壓”的比值呈正比關(guān)系[28],首次觀測到氣泡在脈動(膨脹)過程中的上浮運動[28],以及Lamb[29]提出了Rayleigh-Plesset 方程的原型等。

1939 年,第二次世界大戰(zhàn)爆發(fā),水下爆炸研究迎來第3 次熱潮。美軍在著名的David Taylor Model Basin 模型試驗水池中用頻閃儀完成了大量基于水下爆炸光學(xué)測試的研究(同期,德國也開展了類似的研究工作[30-31],但使用的主要設(shè)備是高速攝影機),并于1941 年形成了研究報告A Photographic Study of Small-scale Underwater Explosions[32],這應(yīng)該是最早使用高速光學(xué)測量手段針對水下爆炸開展的研究。這一系列研究直觀且全面地揭示了氣泡運動、邊界效應(yīng)和波效應(yīng)等水下爆炸相關(guān)的物理現(xiàn)象的形成機理,進一步激發(fā)了美、英等國對水下爆炸理論研究的熱情[33-34],如圖10 所示。這些研究貫穿整個二戰(zhàn),催生了大量有關(guān)水下爆炸沖擊波傳播、氣泡運動以及它們和復(fù)雜邊界相互作用的新認識、新數(shù)據(jù)。

圖10 早期水下爆炸沖擊波和氣泡光學(xué)測試結(jié)果Fig.10 Optical test results of shock wave and bubble in early underwater explosion

1948 年,時任水下爆炸物研究實驗室(Underwater Explosives Research Laboratory)主管的Cole將英美聯(lián)軍在二戰(zhàn)期間所開展的水下爆炸研究的主要成果編纂、整理成該領(lǐng)域最著名的專著Underwater Explosion[35]。1950 年,英美兩國進一步將第一次、第二次世界大戰(zhàn)期間大量秘密進行的水下爆炸研究成果系統(tǒng)地編輯、整理為一部綜合研究報告,并按氣泡研究、沖擊波研究和水下毀傷研究3 個主題分為3 冊[36]。1956 年,Snay[37]在美國海軍流體動力學(xué)會議上對二戰(zhàn)后西方國家(以美、英為主)水下爆炸領(lǐng)域的研究進展進行了總結(jié)。

至此,有關(guān)水下爆炸現(xiàn)象的研究框架基本構(gòu)建完備,即從19 世紀末至第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束,水下爆炸動力學(xué)研究領(lǐng)域形成了以魚、水雷武器毀傷與艦船防護為核心目標,爆炸沖擊波、爆炸氣泡和水下毀傷為主要研究對象,解析、半解析理論為主要理論研究方法,光學(xué)、電學(xué)測試為主要試驗研究方法,工程模型、經(jīng)驗公式為主要應(yīng)用載體的研究框架。

2 水下爆炸動力學(xué)發(fā)展與現(xiàn)狀

水下爆炸雖然是一個連續(xù)的物理過程,但水下爆炸沖擊波與氣泡的初始速度可以相差20 倍甚至更多,特征持續(xù)時間可相差3 個數(shù)量級以上。這種強跨尺度特征給水下爆炸現(xiàn)象的認識及問題的研究都帶來了巨大的挑戰(zhàn),因此沖擊波和氣泡往往被分開討論與研究。

2.1 水下爆炸沖擊波

如何精確求解與量化水下爆炸沖擊波是水下爆炸動力學(xué)研究需要解決的關(guān)鍵科學(xué)問題之一,現(xiàn)存技術(shù)手段主要有3 類,即工程模型(經(jīng)驗公式)、解析模型和數(shù)值仿真。

1) 工程模型

如果能夠已知沖擊波壓力峰值隨空間變化的分布規(guī)律,以及某點處壓力隨時間變化的衰減規(guī)律,就可以實現(xiàn)水下爆炸沖擊波流場時空特征的完整重構(gòu)?；谙嗨评碚摰慕?jīng)驗公式就是實現(xiàn)水下爆炸沖擊波流場演化參數(shù)便捷、快速預(yù)估的半經(jīng)驗半理論模型。

Hilliar[24]將空氣中爆炸沖擊波的相似準則[38-39]引入到水下爆炸的研究中,證實了水下爆炸沖擊波峰壓P、沖量I 和能流通量F 也可以表達為形如p=f(W1/3/r)的函數(shù)關(guān)系式。在此基礎(chǔ)上White[40]給出的壓力峰值分布模型為

而壓力衰減模型則是Cole[35]基于Kirkwood和Bethe[41]的研究,首次在其著作中提出,即

式中:Pmax為沖擊波峰值壓力;W 為裝藥質(zhì)量;r 為爆距;K1和K2,α1和α2為試驗數(shù)據(jù)擬合系數(shù)。不斷有學(xué)者通過試驗對模型適用范圍開展研究并對4 個系數(shù)進行修正[42]。

1972 年,蘇聯(lián)學(xué)者Zamyshlyayev 等[43]對自由水域沖擊波傳播、自由面和海底效應(yīng)、沖擊波與結(jié)構(gòu)的流固耦合等問題進行了深入研究,提出了一種能夠描述水下爆炸載荷全時程演化的五段式(沖擊波的指數(shù)衰減階段、沖擊波的倒數(shù)衰減階段、倒數(shù)衰減后段、氣泡膨脹收縮階段和脈動壓力段)工程模型。該模型具有非常高的實用價值和可靠的計算精度,至今仍被廣泛使用。

2002 年,Geers[44]和Hunter[45]創(chuàng)新性的將氣泡動力學(xué)方程與表征p(r,t)關(guān)系的工程模型相結(jié)合,建立了一套水下爆炸載荷全時程演化模型。

2022 年,Jia 等[16]利用高精度數(shù)值仿真和試驗結(jié)果,針對水下爆炸沖擊波的傳播模型進行了高階非線性修正,即

不僅能夠精確描述6 倍裝藥半徑以內(nèi)沖擊波的分布與衰減特征,在中遠場范圍內(nèi)也有很高的預(yù)估精度。但是該模型的常系數(shù)僅利用小尺寸B 炸藥水下爆炸試驗數(shù)據(jù)進行標定,其泛化性有待進一步驗證。

2) Kirkwood-Bethe 解析理論

Kirkwood-Bethe(K-B)理論[41]最早由Kirkwood和Bethe 提出,是迄今為止唯一有關(guān)水下爆炸沖擊波傳播的解析理論,對水下爆炸沖擊波在較遠場(大于10 倍裝藥半徑)處的峰值壓力分布特征和衰減特征有很高的解析精度。最早有關(guān)水下爆炸能量輸出結(jié)構(gòu)的相關(guān)結(jié)論(如TNT 裝藥水下爆炸的沖擊波能約占總能量的53% 等)就是結(jié)合K-B 理論計算獲得的[46-48]。眾多學(xué)者針對K-B 理論開展過修正或分析比對研究,例如Cole[35]、Zamyshlyaev[43]、Best[49-50]、Sachdev[51-52]、Rogers[53]和Kedrinskii[54-55]等。

K-B 理論的另一個重要貢獻是其創(chuàng)新性地提出利用時間常數(shù)θ 作為沖擊波壓力衰減特征的表征參量,為Cole[35]、Arons[56]、Zamyshlyaev[43]、Chapman[57]等提出相關(guān)工程模型提供了重要理論基礎(chǔ)。2020 年,王樹山團隊[58]將時間常數(shù)θ 修正為時間相關(guān)函數(shù),實現(xiàn)了6 倍裝藥半徑以內(nèi)水下爆炸沖擊波陣面峰值壓力分布特征以及壓力衰減特征的精確計算。

3) 半解析半數(shù)值的特征線法

與漸近法或攝動法類似,特征線法是一種用來簡化偏微分方程組的方法,起源于19 世紀下半葉。沿著特征線方向,偏微分方程可以簡化為一族常微分方程,因此可以用圖解法手工求得原方程的近似解,在一、二維不定常流的求解中廣泛應(yīng)用。

20 世紀上半葉,隨著電子計算機的出現(xiàn),特征線法發(fā)展成為一種基于有限差分的數(shù)值計算方法(半解析半數(shù)值)。1941—1942 年,Penney 等[59-60]先后利用特征線法對TNT 裝藥水下爆炸球面波傳播問題進行了早期的數(shù)值求解。隨后,Holt[61]利用特征線法對水下爆炸問題進行了較系統(tǒng)的研究,討論了爆轟產(chǎn)物、環(huán)境介質(zhì)(空氣、水)狀態(tài)方程的適用性。但受限于當時的計算條件,他僅求解了從爆轟到?jīng)_擊波運動至大約2～3 倍裝藥半徑時的水下爆炸極早期過程,并在后來一系列文獻[62-65]中對這一階段中波的傳播特征進行了討論。

20 世紀50—60 年代后,近代數(shù)值計算格式發(fā)展迅速,計算效率、精度以及對多物質(zhì)、復(fù)雜邊界和三維問題的處理能力等都遠超特征線法,逐漸成為理論研究和工程應(yīng)用的主流。李曉杰等[66-67]基于二維非均熵流特征線法對水下爆炸近場流動問題,尤其是含鋁炸藥的近場問題開展的系列工作,是該方法應(yīng)用在水下爆炸研究中的最新進展。

4) 高精度數(shù)值算法

在數(shù)學(xué)上,自由場水下爆炸問題是一個典型的氣-水多物質(zhì)黎曼問題,其瞬態(tài)非定常流動由Euler方程組控制。數(shù)值求解水下爆炸就是在數(shù)學(xué)上尋找Euler 方程組的多物質(zhì)初值問題的間斷解,即多物質(zhì)黎曼解。因此,激波間斷(沖擊波)的捕捉和物質(zhì)間斷(氣泡界面)的求解是水下爆炸數(shù)值計算需要解決的關(guān)鍵難點和核心問題。

激波間斷捕捉算法一般指在解算雙曲型偏微分方程組時不需要人工額外地引入粘性效應(yīng)就能夠自動定位并求解激波間斷的數(shù)值計算方法。由于能夠參與一次插值計算的單元/節(jié)點數(shù)量受到理論限制,早期激波捕捉算法普遍都只有1、2 階精度。如前文所述,水下爆炸初始時刻爆轟產(chǎn)物-水界面兩側(cè)的壓力差可達5～6 個數(shù)量級,入射沖擊波峰值可達10～20 GPa。低精度算法在求解這種強沖擊波間斷時會引入過多的人工粘性,使計算結(jié)果被“抹平”,甚至導(dǎo)致非物理解或計算中斷[68]。1987 年,Harten 等[69]開創(chuàng)性的提出了ENO(essentially non-oscillation)格式,在不破壞算法守恒性的前提下,將更多的模板節(jié)點納入到半節(jié)點重構(gòu)中,將算法精度提高到了3 階以上。1996 年,Jiang 等[70]提出具有5 階精度的有限差分加權(quán) ENO(weighted ENO,WENO)格式,權(quán)重因子的出現(xiàn)提高了插值模板的利用效率,在不增加模板節(jié)點的情況下提高了計算精度和穩(wěn)定性,并且可以推廣到10 階以上精度。WENO 格式被提出已過去了近30 年,然而其依然是數(shù)值算法領(lǐng)域最炙手可熱的高精度格式,國內(nèi)外大量學(xué)者致力于對其進行優(yōu)化和改進[71-74],尤其國內(nèi)學(xué)者Wang 等[75-76]提出的保正WENO 格式,解決了求解大壓力比間斷會出現(xiàn)非物理負壓的國際難題。

“多物質(zhì)”體現(xiàn)在數(shù)值計算中就是物質(zhì)界面兩側(cè)參與計算的狀態(tài)/本構(gòu)方程不同。因此,多物質(zhì)界面的計算包含2 個內(nèi)容: 多物質(zhì)界面位置的確定和多物質(zhì)界面流動參量的確定。由于這一技術(shù)主要用于求解氣泡界面,相關(guān)內(nèi)容此處不再贅述。

2.2 水下爆炸氣泡

氣泡動力學(xué)問題在流體力學(xué)發(fā)展的歷史進程中占據(jù)著重要地位,研究成果被廣泛應(yīng)用在物理學(xué)、化學(xué)、生物和醫(yī)學(xué)等眾多領(lǐng)域中。其中,對炸藥水下爆炸氣泡運動問題的研究起始于軍事應(yīng)用的需求,是氣泡動力學(xué)研究中具有獨特特征的研究領(lǐng)域之一。與沖擊波研究類似,求解并表征爆炸氣泡特征也主要有 3 種手段。

1) 氣泡特征工程模型

氣泡膨脹半徑、脈動周期和脈動壓力波峰值等特征的定量表征對水下爆炸研究成果的工程應(yīng)用有重要意義。Ramsauer[28]最早提出氣泡最大膨脹半徑、裝藥量 W和一定深度靜水壓ph間的關(guān)系,如圖11 所示,其關(guān)系式為

圖11 Ramsauer 試驗布置示意圖(P＊為炸點)Fig.11 Ramsauer test layout diagram (P＊ is blast point)

由于水深每增加1 m,靜水壓增加約0.1 個大氣壓。所以式(5)中ph可以寫成關(guān)于深度H 的關(guān)系式ph=1+0.1H。將其代入,得到

式中,KR1和KR2是與裝藥類型有關(guān)的試驗標定系數(shù)。式(6)的形式就是現(xiàn)在應(yīng)用最廣泛的氣泡最大半徑計算模型[35]。還可以進一步將裝藥質(zhì)量變換成裝藥半徑re的表達式,或者進行其他常參數(shù)變換,此外還可以進一步得到氣泡第1 個完整膨脹-收縮過程的持續(xù)時間

Cole[35]給出的二次壓力波的峰值超壓Δpm2計算公式為

式中,ω和 r分別為TNT 當量和爆距。

2) 氣泡動力學(xué)方程

最早對水下氣泡問題的科學(xué)探索起源于19 世紀中期高速螺旋槳附近空化現(xiàn)象對船舶航行影響的研究[77]。Plesset[78]在Rayleigh[79-80]和Lamb[29]的工作基礎(chǔ)上引入了速度勢形式的伯努利方程,得到不可壓縮流體中理想球形氣泡運動方程R-P(Rayleigh-Plesset)方程,是氣泡動力學(xué)理論研究的重要里程碑。

第1 個考慮液體可壓縮性的氣泡動力學(xué)方程由Herring[81]提出,其基于聲學(xué)近似對方程的可壓性進行了1 階精度修正。Trilling[82]在Herring 基礎(chǔ)上對方程形式進行了簡化,形成了H-T(Herring-Trilling)模型。Gilmore[83]模型是在K-B 假設(shè)[41]的基礎(chǔ)上簡化控制氣泡流場的偏微分方程得到的,將氣泡邊界速度的適用范圍擴展到了2.2 倍音速。K-K(Keller-Kolodner)模型[84]采用線性波動方程代替了拉普拉斯方程,能夠計算壓力波對氣泡運動的影響。這3 個模型是這一時期最具代表性的成果,指引了之后近20 年氣泡動力學(xué)理論發(fā)展的方向,形成了“1 階精度氣泡動力學(xué)方程組”[85-91]。

PLK(Poincare-Lighthill-Kuo)方法、奇異攝動法和漸近法等求偏微分方程近似解的理論方法的逐漸成熟為水下爆炸等強非線性問題的研究提供了新的強大工具[92-95]。Tilmann[96]、Shima 和Tomita等[97-100]將氣泡動力學(xué)方程推向2 階馬赫精度。

Prosperetti[91]和Lezzi[101]辯證地總結(jié)了近百年以來不同的可壓縮性液體條件下氣泡動力學(xué)方程與模型,統(tǒng)一了1 階馬赫精度的氣泡動力學(xué)方程形式,發(fā)展了包含雙參數(shù)的2 階馬赫精度方程。

Geers[44-45]和Hunter[102-103]基于雙漸近理論構(gòu)建了G-H 模型并開展了系列研究工作,不僅將水下爆炸氣泡動力學(xué)計算的初始條件從最大半徑時刻推進到初始膨脹時刻,還通過所提出的體積加速度模型將氣泡動力學(xué)方程中的加速度量與水下爆炸沖擊波模型相關(guān)聯(lián),形成了脈動壓力波的求解模型,分析氣泡能量耗散機制、內(nèi)部波動效應(yīng)等對氣泡脈動的影響。2010 年以來,Wang 等[104-107]進一步推動了氣泡動力學(xué)的理論發(fā)展;張阿漫團隊[108-114]分別對水下爆炸氣泡的動力學(xué)行為進行了較全面的探索。

為了將炸藥爆轟及爆轟產(chǎn)物性質(zhì)與氣泡動力學(xué)特性緊密關(guān)聯(lián),王樹山團隊[115-116]在瞬時爆轟假設(shè)的基礎(chǔ)上,將水下爆炸氣泡動力學(xué)求解的初始狀態(tài)進一步推進到爆轟反應(yīng)結(jié)束的“0”時刻,為爆炸氣泡的理論求解提供了可靠的通用化手段。

3) 高精度數(shù)值算法

僅僅利用解析理論難以支撐爆炸氣泡動力學(xué)高維度(氣泡上浮、氣泡變形、水射流等)的需求[117]。自20 世紀70 年代,數(shù)值計算逐漸發(fā)展為氣泡動力學(xué)研究主要方法之一,尤其是邊界元方法(boundary element method,BEM)(或稱邊界積分法(boundary integration method,BIM))計算效率高,與試驗結(jié)果吻合較好,在氣泡動力學(xué)研究中應(yīng)用廣泛。但BIM 類方法的基本假設(shè)之一是不可壓流,其控制方程由Bernoulli 方程和Laplace 方程的耦合發(fā)展而來,在弱波條件下對氣泡運動形態(tài)的模擬有獨特優(yōu)勢,但天然不具備求間斷解的能力。因此,在以爆炸載荷為前提的爆炸氣泡模擬方面有所不足,并且在處理拓撲變化時更是需要引入復(fù)雜的算法模型[118-122]。

除BIM 外,一些典型的氣-液多物質(zhì)算法也被應(yīng)用于氣泡動力學(xué)的研究。這些算法可根據(jù)氣泡界面位置的捕捉方法不同分為Lagrange 型和Euler型兩大類。其中,在Lagrange 型方法中,坐標是隨物質(zhì)流動而運動的,因此,采用Lagrange 型方法來解決多物質(zhì)流動問題可以追蹤物質(zhì)界面的位置。但用Lagrange 網(wǎng)格來描述流體動力學(xué)問題時會面臨網(wǎng)格畸變、相交和重疊等問題,需要不斷重構(gòu)網(wǎng)格來抑制網(wǎng)格畸變誤差。即便一些新興的粒子類無網(wǎng)格算法可以完全避免網(wǎng)格畸變問題,但依然無法回避多物質(zhì)節(jié)點之間的相交、重疊和錯位等問題[123]。

為了同時具備Lagrange 網(wǎng)格對物質(zhì)界面的解析精度和Euler 網(wǎng)格對流動、大變形問題的計算優(yōu)勢,以任意拉格朗日-歐拉法(arbitrary Lagrangian-Eulerian method,ALE)[124-125]、耦合拉格朗日-歐拉法(coupled Eulerian-Lagrangian method,CEL)[126-127]和界面追蹤法[128-130]等為代表的Lagrange-Euler 混合型算法得到發(fā)展。其中ALE 和CEL 是商業(yè)軟件中最常見的算法。這些算法的基本策略是在界面處利用Lagrange 網(wǎng)格追蹤邊界,在距離邊界較遠處采用Euler 網(wǎng)格計算流場,但也面臨界面重構(gòu)效率和精度的問題。

Euler 型方法的優(yōu)勢在于擅長處理大變形和復(fù)雜拓撲問題,缺點是網(wǎng)格固定不動,界面位置精度會受網(wǎng)格密度的影響。這類方法最顯著的共同特征在于通過輸運方程和場函數(shù)配合求解界面位置[131-134]。其中,基于level-set 法發(fā)展起來的虛擬流體(ghost fluid)族方法一經(jīng)提出,便成為水下爆炸研究領(lǐng)域的主流和熱門方法[135-137]。這類算法在配合Euler 方程作為控制方程求解水下爆炸問題時,不僅能夠準確求解氣泡界面的狀態(tài)量,還能夠解決多物質(zhì)界面與強沖擊間斷耦合的難題[138-143],甚至已被推廣至解決氣-液-固三相問題[144-149]。但是該類方法依然面臨氣泡狀態(tài)精確求解[150-153]和激波間斷精確捕捉[154]二者不能統(tǒng)一的理論難題。

總之,在計算機水平高度發(fā)達的今天,仍然無法依靠數(shù)值計算完美解決沖擊波-氣泡體系跨尺度效應(yīng)帶來的理論困境。在具體研究工作中,只能針對具體問題選擇合適的數(shù)值工具,尚不存在萬能算法。

2.3 水下爆炸邊界效應(yīng)

2.3.1 近自由面爆炸

1) 沖擊波反射空化

當沖擊波到達水面并以稀疏波狀態(tài)返回水中時,由于水不能承受很大的張力,會引起近自由面處水層壓力急劇下降而出現(xiàn)整體空化。如果從水面之上俯視,會看到水面上出現(xiàn)一個白色丘狀隆起,即“水?！薄Ｔ凇八！边吘?可以看到一個迅速擴大的暗灰色水圈,這是由于水介質(zhì)被沖擊壓實和密度提高所形成的沖擊波跡線。該空化區(qū)的閉合會形成幅值可觀的沖擊載荷。由于空化區(qū)的閉合是一個隨時間推進的連續(xù)過程,因此在空化閉合的整個過程中,會持續(xù)地向外輻射壓力波。該壓力波在水面處反射后會引起新的水體空化,并重復(fù)上述過程直至能量耗盡。

最早針對這一現(xiàn)象開展研究的是Kennard[155-156]。隨后Arons 等[157]在其研究的基礎(chǔ)上,給出水下爆炸引起近自由液面空化區(qū)的上下邊界、流體速度等特性參數(shù)的計算方法,是這一研究領(lǐng)域的重要里程碑。該模型認為自由液面附件的壓力場由入射壓力、反射壓力(由裝藥的等強度鏡像計算)和靜水壓三者相加得到。由于反射壓力往往是負壓,所以三者之和為負時即認為水介質(zhì)發(fā)生空化。

目前使用最為廣泛的模型[158-163]均由Arons的工作發(fā)展而來。Zamyshlyayev[43]也在這方面獨立開展了系統(tǒng)性研究。他運用動量原理分析了近自由面處整體空化的水錘效應(yīng),給出了描述水錘效應(yīng)的簡化公式,可以計算空化層的深度、水錘壓力和壓力開始時間。此后,學(xué)者們在理論[164-165]、數(shù)值仿真[166-169]和試驗等[167-168]方面開展工作,形成的近自由面水下爆炸空化計算模型,能夠有效預(yù)測水下爆炸引起的近自由面空化的產(chǎn)生、發(fā)展及其潰滅過程,為水下爆炸空化效應(yīng)的深入研究提供了重要參考。

2) 水面興波與水柱

爆炸氣泡與自由液面的相互作用會形成噴射水柱和水面波(興波),這類現(xiàn)象被稱為上臨界深度問題(upper critical depth problem)。Cole[35]最早對噴射水柱的形態(tài)與形成過程進行了定性理論分析,認為水柱形態(tài)與氣泡達到自由面時的狀態(tài)有關(guān)。Cole 指出,當氣泡在開始收縮前到達水面,由于氣泡上浮速度小,幾乎只作徑向飛散,因此水柱按徑向噴射出現(xiàn)于水面;氣泡在最大壓縮的瞬間到達水面,氣泡上升速度很快,這時氣泡上方的水垂直向上高速噴射,形成高而窄的水柱或噴泉。當裝藥在足夠深的水中爆炸時,氣泡在到達自由面以前就被分散或溶解了,則不出現(xiàn)上述現(xiàn)象。

Cushing[170]、Holt[171]、John[172]等針對上臨界深度問題展開了系統(tǒng)研究,不僅總結(jié)了水下爆炸近水面空泡及波浪(興波)的變化規(guī)律,還給出了近水面爆炸流場的解析解,并指出在爆深約為裝藥半徑一半時海面興波幅度最大。Kendrinskii[55]綜合前人研究結(jié)果,給出了近自由面不同起爆深度的4 種典型噴射水柱形態(tài),并分析了形成機理,如圖12 所示。

圖12 近自由面水下爆炸的不同水柱形態(tài)示意圖Fig.12 Diagram of different water column morphology of near free surface underwater explosion

圖12(a)中裝藥起爆深度小于氣泡最大膨脹半徑且氣泡快速膨脹過程中到達自由面,氣泡上方的水體受爆轟氣體產(chǎn)物的推動作用向上拋起,形成空心水柱,在此之后水面閉合,閉合水體相互沖擊作用下,分別形成向上和向下的速度高和直徑小的水射流。圖12(b)為起爆深度稍小于氣泡最大膨脹半徑時,少量水體被拋起,然后分別形成向上和向下的兩股水射流。圖12(c)為起爆深度等于氣泡最大膨脹半徑時,水面的水體主要作徑向飛散并形成向下的水射流。圖12(d)為起爆深度大于氣泡最大膨脹半徑并在收縮階段到達自由面時,產(chǎn)生向上的水射流并穿透氣泡形成高速水柱。

2.3.2 近底爆炸

Britt 等[173-174]提出了水底線性反射理論,忽略底部爆炸成坑過程,將沖擊波簡化為指數(shù)型脈沖壓力,用卷積分對水底反射壓力進行求解,為遠距離水下爆炸弱沖擊波的水底反射壓力計算提供了理論依據(jù),并在計算中考慮了水底為平面、均質(zhì)以及彈性介質(zhì)等情況。Zamyshlyaev 等[43]運用線性與非線性反射理論對水下爆炸的水面及水底反射做了更全面的概括,形成了較完整的水底、水面反射理論。

對水底反射來說,底質(zhì)材料特征和水底幾何特征對反射沖擊波的影響是核心關(guān)注的問題[175-181]。如果考慮炸藥觸底爆炸,則與裝藥在地面爆炸類似,將使水中沖擊波的壓力提高。在考慮絕對剛壁時,相當于2 倍裝藥量的爆炸。實際條件下遠遠達不到這種情況,實驗表明,對于砂質(zhì)粘土的水底,沖擊波壓力增加約10%,比沖量增加約23%。

2.4 深水爆炸

深水這一概念,對于不同研究領(lǐng)域、不同研究人員和不同研究目的,其定義不盡相同。在水下爆炸研究中,盡管深水爆炸已逐漸成為一個行業(yè)內(nèi)較為通用的專有名詞,但其定義和適用范圍仍各有所表。文中所述“深水爆炸”并非界定于某固定水深范圍,而是將考慮“水深”這一影響因素的水下爆炸,統(tǒng)稱為深水爆炸。

深水爆炸研究的需求源自潛艇這一水下作戰(zhàn)平臺的誕生。目前僅有少數(shù)國家開展過幾次相關(guān)試驗。美國海軍研究實驗室(United States Naval Research Laboratory,USNRL)于1967 年在大西洋開展的深海試驗首次系統(tǒng)性地開展深海爆炸載荷研究。該試驗獲得了38 發(fā)不同質(zhì)量TNT 在100～4 500 m 水深范圍的測試數(shù)據(jù),分析認為沖擊波超壓與水深無關(guān),能流密度隨水深減小,并提出了關(guān)聯(lián)水深影響的沖擊波爆炸相似律計算公式[182]

2008 年,我國在南海進行了50 m 和300 m 水深的深海爆炸試驗[183],獲得了0.1 kg 和1 kg TNT共計32 發(fā)數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)沖擊波超壓峰值在50 m 和300 m 水深相差不大,300 m 水深沖擊波能流密度更小,與美軍結(jié)論基本一致。

關(guān)于深水爆炸氣泡的研究,由2.2 節(jié)可知,氣泡特征模型從建立之初便引入了深度變量。而氣泡載荷方面,最早可追溯到Friedman[184]于20 世紀50 年代前后建立的考慮靜水壓力的氣泡脈動壓力分析方法。在此基礎(chǔ)上,Arons[185]基于100 m 左右水深的相關(guān)實驗數(shù)據(jù),建立了二次壓力波超壓峰值與水深的函數(shù)關(guān)系。1967 年,USNRL 進行的深水爆炸試驗中,基于爆炸相似律通過試驗數(shù)據(jù)擬合,得到了深水爆炸二次壓力波峰值壓力的經(jīng)驗公式[182]。該公式依水深采用2 階分段函數(shù)形式,其中第1 段(500～4 000 ft/152.4～1 219.2 m)函數(shù)不含水深變量,即與水深無關(guān)。姚熊亮等[186]給出了一種含水深變量的二次壓力波峰值壓力計算公式

式中:ω和r的定義和單位與式(8)同;H為水深。該式能夠直觀反映峰值壓力隨水深的連續(xù)變化,但不符合嚴格意義上的爆炸相似律。2021 年,王樹山團隊[187]在爆炸相似率模型式(3)的基礎(chǔ)上引入水深修正,提出了一種計算二次壓力波超壓峰值的工程模型,即

深海試驗費用高、周期長且實施難度大,近年來的深水爆炸試驗多使用加壓爆炸容器模擬深水環(huán)境[188-195]。學(xué)者們大多通過試驗結(jié)合理論或數(shù)值仿真的方法,對不同類型、不同質(zhì)量的炸藥深水爆炸氣泡脈動特性和能量開展了更為深入的研究,獲得了水深對爆炸氣泡主要特征參量影響的定性及定量認識。王樹山團隊[196]結(jié)合試驗和數(shù)值仿真,研究了水深對沖擊波超壓峰值和能量的影響規(guī)律,并基于爆炸相似律建立了針對TNT 炸藥的深水爆炸沖擊波載荷工程計算模型。

3 水下爆炸動力學(xué)展望

3.1 水下爆炸載荷研究

對水下爆炸載荷深入化、精細化和實用化研究的驅(qū)動力,一方面是對科學(xué)真理永無止境的追求,另一方面是突破應(yīng)用瓶頸的迫切需求。在過去的一百多年中,2～10 000 倍裝藥半徑范圍內(nèi)的水下爆炸問題得到了系統(tǒng)性的研究。但水下爆炸載荷形成的物理機制并沒有完全得以揭示,理論認識依然停留在19 世紀末由Riemann 等科學(xué)家所建立的“理想間斷”數(shù)學(xué)框架中。

以氣泡為例,如果氣泡壽命比界面熱交換的特征時間短得多,則可以認為該過程是絕熱的,氣泡演化主要由氣體的膨脹和壓縮驅(qū)動[197-198]。但如果有足夠的時間進行傳熱至熱平衡,則該過程更接近等溫。這意味著水和水蒸氣的蒸發(fā)與凝結(jié)是主要的驅(qū)動機制,電火花和激光誘發(fā)氣泡就屬于這類相變氣泡,但爆炸氣泡的情況要復(fù)雜得多。首先爆轟產(chǎn)物本身就是復(fù)雜,多相,多物質(zhì)的氣、液、等離子體的混合物,如果考慮非理想炸藥,則其熱力學(xué)系統(tǒng)將更復(fù)雜;其次,爆轟產(chǎn)物的溫度可達幾千開爾文,壓力可達數(shù)十吉帕,與其接觸的水介質(zhì)很難不因為熱交換而發(fā)生相變?？梢酝茰y,爆轟產(chǎn)物氣體與水介質(zhì)之間存在一個具有一定厚度的物質(zhì)與能量快速交換的動態(tài)平衡區(qū)間,該區(qū)間的熱力學(xué)特征受到爆轟產(chǎn)物及環(huán)境介質(zhì)的性質(zhì)、組分、狀態(tài)等影響。遺憾的是,迄今為止,仍然缺乏對爆轟產(chǎn)物氣泡結(jié)構(gòu)及內(nèi)部狀態(tài)進行實時監(jiān)測的試驗手段,制約了對爆炸氣泡性質(zhì)更進一步的理論認識。顯然,對2 倍裝藥半徑以內(nèi)水下爆炸極近場問題的理論認識深度,決定了本領(lǐng)域基礎(chǔ)研究的水平和高度。發(fā)展和探索極近場問題具有重要的科學(xué)價值。

10 000 倍裝藥半徑以外的水下爆炸問題實際就是水下爆炸的聲學(xué)特征問題。水下爆炸產(chǎn)生的信號聲源級高、頻帶寬,尤其在 10 kHz 以下的低頻分量具有相當高的聲功率,已廣泛應(yīng)用于地球物理勘探、反潛回聲定位及水聲干擾中。然而傳統(tǒng)水下爆炸主要關(guān)注爆炸載荷或信號的強非線性特征,爆炸聲學(xué)則需要關(guān)注非線性爆炸載荷向線性聲學(xué)載荷轉(zhuǎn)換的機理與判據(jù)問題,目前尚不存在針對水下爆炸致聲機理的系統(tǒng)理論[199]。如圖3所示,水下爆炸沖擊波波速在10 倍半徑處衰減至1.3 倍聲速左右,50 倍半徑以后幾乎完全與聲速線重合,可以認為沖擊波已衰減為聲速。但實際上,其傳播與衰減特征在較大距離范圍內(nèi)仍然與聲學(xué)理論預(yù)估存在較大差異[200]。尤其是爆炸聲的應(yīng)用場景主要在大洋中,某點處的信號特征不單純是沖擊波、脈動壓力波及其反射波的時域加和,海水狀態(tài)(密度、鹽度、緯度、深度和洋流等)、海底地貌以及底質(zhì)特征等在強非線性動力學(xué)分析中可以忽略的因素都需要在聲學(xué)研究中予以充分考慮[201]。海洋科學(xué)已成為我國未來發(fā)展的重點領(lǐng)域,對海洋信息的感知與辨識需求日益迫切,水下爆炸聲技術(shù)是具有巨大應(yīng)用潛力和科學(xué)探索價值的研究方向。

3.2 水下爆炸毀傷研究

水下爆炸動力學(xué)問題雖然側(cè)重于研究爆炸載荷的形成、傳播及其演化規(guī)律的研究,但是在工程需求的牽引下,載荷輸出與目標響應(yīng)耦合條件下目標毀傷的時變特征變得更為重要。因此,水下爆炸動力學(xué)問題與結(jié)構(gòu)毀傷動力學(xué)響應(yīng)問題的交叉將會帶出一系列重要的研究課題。例如分析目標毀傷與水下爆炸載荷相關(guān)性的水下爆炸威力場結(jié)構(gòu)及其表征研究,判定目標毀傷程度的威力場結(jié)構(gòu)形式及其表征參量取值范圍的目標毀傷準則與判據(jù)研究等。

早期人們傾向采用沖擊波特征參量表征戰(zhàn)斗部威力或建立目標毀傷準則與判據(jù)[202-203]。例如蘇聯(lián)依據(jù)峰壓將艦艇破壞程度分為3 級,北約國家依據(jù)能流密度將艦艇破壞程度分為12 級[202-205]。Keil[202]首次以爆炸幾何位置和沖擊波能流密度為變量提出了沖擊因子的概念,并依據(jù)試驗結(jié)果論證了船板塑性變形與沖擊因子間存在函數(shù)關(guān)系。隨后,學(xué)者們在Keil 工作基礎(chǔ)上對沖擊因子的適用范圍和精度進行了大量研究,提出了不同修正形式的沖擊因子[206-212]?？梢哉J為,用沖擊因子來評價水中目標毀傷程度和評估水中武器毀傷效能,成為了過去幾十年來最為普遍的做法。

然而,沖擊因子本質(zhì)是爆炸載荷特征的一種工程化表征,其能夠與毀傷程度建立起聯(lián)系的關(guān)鍵在于大量試驗。當爆炸源(新能量結(jié)構(gòu)裝藥)和目標(新材料、新結(jié)構(gòu)艦船等)發(fā)生變化時,沖擊因子與毀傷程度間即存的關(guān)聯(lián)關(guān)系需要通過新的試驗數(shù)據(jù)重新錨定。另一方面,隨著水中兵器命中精度的提高,近場或接觸爆炸條件下,載荷形式極為復(fù)雜,目標將受到?jīng)_擊波、空化脈沖、水射流,甚至爆轟產(chǎn)物等多元載荷的耦合作用。這種不同載荷間的時序疊加與耦合顯然無法用簡單的能量密度準則進行精確表征?？梢?當前對于結(jié)合了戰(zhàn)斗部與目標類型的水下爆炸威力場結(jié)構(gòu)的認識以及采用的毀傷準則與判據(jù)還有很多不足,需要在水下爆炸動力學(xué)與結(jié)構(gòu)響應(yīng)研究的基礎(chǔ)上開展更為系統(tǒng)深入的研究。

3.3 新技術(shù)在水中爆炸動力學(xué)研究中的應(yīng)用

1) 面向人工智能的研究新范式

每一次數(shù)學(xué)工具的重大革新都會給水下爆炸動力學(xué)的研究注入強大的發(fā)展動力。從19 世紀末到20 世紀初基于手工解算的解析計算方法,到20 世紀中葉基于半解析半數(shù)值的計算方法,再到20 世紀70、80 年代以來發(fā)展成熟的現(xiàn)代高精度數(shù)值計算方法,如今,炙手可熱的人工智能技術(shù)成為了代表未來理論計算發(fā)展方向的研究新范式。制約水下爆炸動力學(xué)發(fā)展的瓶頸難題之一就是其高緯度、非線性、多變量耦合的固有屬性,而以深度學(xué)習(xí)為代表的人工智能技術(shù)能夠突破歐式空間的幾何連續(xù)性要求,升維降階求解節(jié)點鄰接關(guān)系,在求解強間斷、非線性、跨尺度問題時具有不可替代的優(yōu)越性,是未來水下爆炸動力學(xué)發(fā)展的最重要方向之一。

2) 面向數(shù)字孿生的實驗新手段

基于增強現(xiàn)實/虛擬現(xiàn)實(augmented reality/virtual reality,AR/VR)、大數(shù)據(jù)實時在線監(jiān)測和人工智能等技術(shù)的數(shù)字孿生(digital twin)是面向未來科技的又一熱門方向。數(shù)字孿生實質(zhì)上是在虛擬空間中對物理實體完成多學(xué)科、多概率和多維度的仿真,利用物理模型數(shù)據(jù)、運行歷史數(shù)據(jù)等來實現(xiàn)對物理實體的全生命周期感知的過程。建立數(shù)字孿生實驗場,不僅可以顯著降低試驗成本,提高試驗安全性,最重要的是能夠?qū)嶒炃昂蠹斑^程中的物理過程進行實時重構(gòu)與互動操作,幫助研究人員高效、快速地重復(fù)或回顧不易觀察的實驗細節(jié)。這對高瞬態(tài)、強破壞,且依賴試后分析的水下爆炸研究來講,具有顛覆性意義。

3) 面向非接觸式激光誘導(dǎo)的測試新技術(shù)

以高速成像手段為代表的非接觸光學(xué)手段在空中爆炸研究領(lǐng)域中的應(yīng)用已經(jīng)非常成熟,尤其高速數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)(digital image correlation,DIC)、高速紅外成像等方法在爆炸加載靶板三維形態(tài)的高動態(tài)時空演化規(guī)律反演,以及爆炸場動力學(xué)/熱力學(xué)演化特征捕捉等方面應(yīng)用廣泛。然而水介質(zhì)對光尤其是紅外光的吸收/散射特性,嚴重限制了這類方法在水下爆炸中的應(yīng)用。近年來,國內(nèi)外學(xué)者利用水下爆炸造成的介質(zhì)折射率大梯度特征,引入脈沖激光誘導(dǎo)的紋影測量技術(shù)能夠結(jié)合機器學(xué)習(xí)對爆炸流場時空演化特性進行實時反演,對需要克服高瞬態(tài)、強破壞的水下爆炸測試有重要價值。

4) 面向新型含能物質(zhì)的應(yīng)用新方向

隨著凝聚態(tài)物理手段日趨完善,以金屬氫、高張力鍵能釋放材料等為重點的新一代含能化合物,將進一步突破當前含能材料的能量密度水平,實現(xiàn)高能物質(zhì)科學(xué)技術(shù)的新飛躍。同時,其能量及釋放特性也將發(fā)生質(zhì)變。了解、掌握并控制這些特性及規(guī)律為我所用,將成為未來水下爆炸動力學(xué)研究新的使命。

5) 面向深海探索與安全的新需求

隨著科技及工業(yè)技術(shù)的飛速發(fā)展,無論是現(xiàn)代潛艇,還是深水無人航行器、深海預(yù)置武器等新型無人平臺,作業(yè)深度已能夠覆蓋幾百米到幾千米的深海空間。尤其西方強國積極鼓勵深?？萍汲晒娛禄?持續(xù)高強度投入深海爆炸技術(shù)研發(fā),力圖爭奪深海戰(zhàn)略制高點。我國已經(jīng)掌握了世界領(lǐng)先的載人深海平臺技術(shù),但深海作戰(zhàn)相關(guān)領(lǐng)域研究尚不充分、總體處于概念論證階段。尤其對深水爆炸毀傷基本科學(xué)問題的認識不足,直接制約了深水作戰(zhàn)高效毀傷能力建設(shè),使我國深海戰(zhàn)略安全面臨巨大的威脅和風(fēng)險。因此,1 000 m 以深的深海爆炸動力學(xué)研究關(guān)系國家核心利益。

4 結(jié)束語

多學(xué)科交叉是水下爆炸動力學(xué)研究最主要也是最重要的特征之一,在盤根錯節(jié)的知識體系中梳理出清晰明了的學(xué)術(shù)脈絡(luò)對相關(guān)研究工作的開展具有重要意義,因此作者通過此文盡可能地概括了水下爆炸動力學(xué)研究的全貌。首先給出了水下爆炸動力學(xué)的定義和研究范疇,詳盡介紹了水下爆炸動力學(xué)的起源和早期發(fā)展歷程,以技術(shù)發(fā)展為主線系統(tǒng)的剖析了該領(lǐng)域研究主要方面的發(fā)展歷程與現(xiàn)狀,給出了發(fā)展建議與展望,旨在為從事水下爆炸研究的科研工作者提供有益的借鑒和思路的啟迪。

我國規(guī)模性、系統(tǒng)性地開展水下爆炸動力學(xué)研究大約始于“十五”期間,主要以縱向科研任務(wù)為導(dǎo)向解決工程應(yīng)用中的亟需。因此相關(guān)基礎(chǔ)研究深度和廣度不足,研究主題離散化問題突出,難以形成體系?！笆濉币詠?在國家政策和科研經(jīng)費的持續(xù)支持下,水下爆炸動力學(xué)逐漸發(fā)展成為兵器、船舶、海洋和水利等多個學(xué)科領(lǐng)域的熱門研究方向,徹底擺脫了全面落后的舊面貌,初步與國際先進水平接軌。

在過去的約150 年間,伴隨著研究工具和方法的迭代與發(fā)展,水下爆炸動力學(xué)的研究經(jīng)歷了“唯象認知研究(1870s—1920s)”—“理論解析研究(1930s—1960s)”—“數(shù)值計算研究(1970s—2020s)”這樣3 個主要階段,目前正處于向“人工智能研究”階段過度的探索期和胚胎期。是否能夠借助第四次工業(yè)革命技術(shù)革新的強大勢能實現(xiàn)我國水下爆炸動力學(xué)研究從“跟跑”向“領(lǐng)跑”的轉(zhuǎn)變,是時代擺在我國相關(guān)科研工作者面前的問卷,而給予肯定的作答則是整個行業(yè)應(yīng)該肩負的歷史責(zé)任與使命。