气泡毁伤动力学

第一部分　概述　　第1章　水下爆炸现象和结构毁伤效应　　水下爆炸指的是在水中很小区域内大量能量（爆源）突然释放的过程[1;2]。其实质是水下含能固体（如炸药）或者液体（如液化天然气）在极短的时间内变为高温高压气体的过程。　　实现水下爆炸*简单的方法就是在水下引爆高能炸药（如三硝基甲苯炸药，简称TNT炸药）。2010年3月26日，韩国海军导弹护卫舰“天安号”在黄海白翎岛西南方附近海域因遭受鱼雷袭击，发生水下爆炸事故而沉没。根据韩国地质资源研究院的分析报告，该次水下爆炸威力相当于260kgTNT炸药[3]。水下爆炸也可以自然发生。甲烷在-182.5℃下呈固态（可燃冰），许多海域的海底存储有大量的固体甲烷晶体。甲烷的沸点是-161.5℃，一旦遇到常温的水，甲烷晶体就会瞬间气化，形成高压气体。2010年4月20日晚位于墨西哥湾的“深水地平线”钻井平台起火爆炸，造成7人重伤、至少11人失踪。事故的原因是深海钻井平台作业时在海底碰到甲烷晶体，接触海水的甲烷晶体瞬间变成甲烷气泡。这些甲烷气泡从钻杆底部高压处上升到低压处，突破数处安全屏障，涌向一处有易燃物的房间，并在那里发生第一起爆炸，随后发生一系列爆炸，点燃了冒上来的原油，造成美国历史上*严重的生态灾难[4]。　　1.1　水下爆炸的物理现象　　在一定深度下实施的水中爆炸与周围的水介质相互作用（图1.1（a）），主要可以分为：①炸药的爆轰波阶段，此时化学反应将固体炸药转化为高温高压气体，爆轰波压力峰值高达109Pa，持续时间微秒级，见图1.1（b）。②冲击波阶段，当爆轰波从爆心传播到炸药和水介质交界面后（图1.1（c）），周围流体速度迅速增大，并产生巨大的惯性载荷，在水中形成冲击波向外传播，见图1.1（d），此时压力峰值大约109Pa，持续时间毫秒级；冲击波在自由水面和结构的作用下还可能产生空化，造成二次加载。③气泡脉动阶段，冲击波后面的高温高压气体形成的气泡，产生脉动和上浮（迁移），见图1.1（e）、（f），这一阶段的明显特征是达到的压力峰值较冲击波的压力峰值低，但持续时间长，约为几百毫秒。　　下面详细介绍冲击波、气泡，对爆轰波不做介绍，有兴趣的读者可参阅Cole的经典著作[1]。　　图1.1　水中爆炸过程示意图　　1.1.1　冲击波　　水下爆炸把含能固体或者液体迅速转化成高温高压气体。如果是化学反应，气泡内的温度可高达3000℃，压力高达50000atm。图1.1（c）所示的是爆轰波撞击药包的*外层。由于爆轰波初始压力非常大，爆轰产物（气体）就会突然膨胀，压缩药包周围的水介质，在水中产生冲击波。冲击波由两部分构成：波前和波尾。波前是一个压力间断面，压力突然升起；波尾变化复杂，刚开始时，波尾中压力近似为指数衰减，在后半部，压力尽管衰减较慢，但是已经变得不重要了。冲击波在水中的传播速度快于后续的气泡膨胀速度，离开药包后基本上沿径向向外传播。除了在爆炸点附近，冲击波基本上可以用一个声学球形波来近似，亦即随着波的传播，压力峰值的衰减比声学衰减（和距离的倒数成正比）稍微快一些，冲击波传播的速度（大约1500m/s）比水中声波稍微快一些。图1.2拍摄的是3gTNT炸药在水中产生的冲击波图像，图中可以清晰地看到冲击波[5]。