0 引　言

舰船等海上结构物在遭遇水下近场爆炸时，主要遭受到冲击波和气泡射流两类主要载荷^[1]。针对水下爆炸冲击波载荷特性及毁伤效应研究起步较早，开展了较多的试验探索及数值模拟^{[1 − 5]}，而关于水下爆炸产生的气泡射流载荷等方面的研究起步相对较晚，还没有形成一套完整的理论体系。

气泡射流载荷在水下近场爆炸过程中不可忽略，其对潜艇等水下武器造成的破坏作用丝毫不比冲击波载荷小^[6]。一般来讲，水下爆炸产生的气泡运动造成的损害主要分为2个部分：一是气泡的膨胀收缩过程会造成水下武器的总体失稳；二是在一定条件下，气泡的后行为坍塌特征将造成潜艇等水下武器的局部破坏^[7]。为此，潜艇等水下武器在受到水下爆炸而形成的气泡高速射流问题一直是各国水下研究机构所关注的热点。然而，气泡射流载荷特性及其作用于潜艇等水下武器结构的动力学机理尚未完全揭示。

本文从实验装置研究、载荷特性研究和数值模拟研究等方面对国内外有关水下爆炸气泡射流及其对结构毁伤的研究情况进行综述，为水下武器的研制及舰船抗爆能力的提升提供参考。

1 水下爆炸气泡射流产生装置研究现状

水下爆炸载荷特性十分复杂。在实验中，对于远场爆炸（r≥25，r是判据参数，为爆距与药包半径之比），结构响应占主导地位的是冲击波载荷；而对于近场爆炸（10≤r≤25），冲击波载荷和射流载荷二者共同作用对舰船结构造成毁伤^[8]。

采用炸药进行水下实船试验是研究水下爆炸气泡射流载荷特性及其相关问题最直接、最真实的手段，但是水下爆炸工况极为复杂，试验难度较大，且水下爆炸瞬间产生的冲击环境对高速摄像机的工作带来了很大挑战，再加上水下试验的费用昂贵，因此，水下爆炸气泡射流的图像信息和试验数据显得极为珍贵^{[9 − 11]}。图1为试验时捕捉到的气泡射流演化过程示意图。

为了更好地研究气泡溃灭过程，20世纪中期国外就有学者开始利用激光泡、电火花气泡做空泡相关实验。Shima等^[13]、Menon^[14]、Lauterborn等^[15]对不同边界条件下的电火花气泡进行了相关研究；Koita等^[16]、Vogel等^[17]、Lauterborn等^[18]则是利用激光泡进行了相关实验研究。国内有关气泡射流试验装置方面的发展，基本沿用了国外的方法。目前，国内产生气泡射流的方法主要有3种：水下爆炸产生气泡射流、电火花产生气泡射流、激光脉冲产生气泡射流。但目前，国内开展的产生气泡射流条件最多的还是在爆炸容器中通过高低压放电系统和电火花发生装置来完成的。该套系统主要由爆炸容器（玻璃水槽）、放电系统、电火花发生器、高速摄影机、示波器、可持续照明光源、可调式结构定位装置等构成^[19]。图2为试验装置示意图。试验时，通过可调式定位装置把水箱、照明装置、高速摄像机等放在合适位置，然后启动放电系统产生电压，从而诱导铜丝在水中放电产生气泡，以此来模拟水中爆炸气泡。

图3为激光泡产生装置示意图。该装置由发射器、水箱、聚焦镜片、高速摄像机、持续性强光光源、触发器、滤波片等构成。其中，触发器通过特制的导线分别控制激光发生器和高速摄像机^[20]。试验时，激光发生器产生脉冲激光，同时触发高速摄像机开始拍摄，当激光穿过聚焦镜片后被集中在水槽中的去离子水中，随着通过聚焦点的激光功率密度逐渐上升，去离子水就被电击穿，形成一个空泡。

相比于水下爆炸气泡和电火花泡，激光泡的性能更便于研究。首先，激光泡具有优良的对称性，这为在理论上研究爆炸气泡提供了可能；其次，该装置可以通过调节首端的发生器来定义空泡产生的直径。因此，主要利用激光泡来研究空泡的动力学特性。

但无论是电火花产生的气泡还是激光脉冲产生的气泡，都无法准确代替真实工况中炸药水下爆炸产生的气泡，因为国内外用于实验研究的气泡，无论是通过哪种方式产生，其气泡直径都比较小，这就导致了气泡在演化后期形成射流直径的局限性。据国内学者用电火花方式产生的气泡实验来看，其形成的气泡射流直径仅有几个毫米，而真实的水下爆炸气泡射流直径一般为厘米量级。因此，这种跨量级的差异可能会导致实验结果准确性下降，特别是在对气泡射流作用在结构上的相关参数测量时。

2 气泡射流形成条件研究现状

潜艇等水下武器在遭遇近场水下爆炸时，会受到射流载荷作用而引起局部毁伤。因此，明确气泡射流形成的条件很有必要。20世纪末，Kredrinskii 等^[21]从理论方面对气泡形成射流的条件进行探讨；郑监等^[22]则是通过实验的手段来进行研究；Ni等^[23]通过借助有限元软件来对这一问题进行研究，并通过与实验的对比来验证其数值模拟的准确性。

2.1 自由面边界下气泡射流形成条件

炸药在水中爆炸时，产生的气泡除了受自身重力作用，还会受到其附近自由水面的影响。通常来讲，自由水面上方的压力保持常压，而水下爆炸气泡在向自由面运动的过程中，其所处的压力一直在变化，由此导致水下爆炸形成的气泡在自由面的行为存在一定的复杂性。

牟金磊等^[24]通过对较为理想水面条件下水下爆炸所产生气泡的动态特性进行模拟，将气泡最大半径、气泡脉动周期、炸药距自由面距离等特征参数进行对比分析，得出以下结论：当γ<1时，（γ＝d/R_m，d为气泡中心到自由边界的距离，R_m为气泡的最大半径），气泡在收缩阶段产生与自由液面反向的射流，在1＜γ＜1.4时，在收缩阶段发生向上的射流。当γ>1.4时，就不会发生射流。也就是说，自由边界条件下气泡在收缩阶段是否形成射流取决于无量纲参数γ的大小，当γ<1时则气泡在其收缩阶段会产生射流，而当1＜γ＜1.4时，则不会出现射流现象。当 γ > 1.5时，自由面对气泡最大半径的影响不再明显，也就更不可能产生射流。

虽然有学者对自由边界气泡射流的产生条件进行了模拟研究，并初步得出了形成射流的基本条件，但在实际海战中，气泡射流的形成肯定会受到其固定壁面等条件的影响，因此，这种无边界条件下气泡射流形成条件在工程应用中并无实际意义，开展不同边界夹角方向的气泡射流实验、模拟是研究的重点。

2.2 固壁面边界下气泡射流形成条件

相比于上述形成射流的条件，水下爆炸所产生的气泡与壁面的相互作用问题才是学者们迫切想要研究的焦点问题。当舰船或潜艇在受到水下武器攻击时，炸药若在近距离爆炸（10≤r≤25），冲击波对舰船造成一次毁伤之后，接踵而至的爆炸气泡将在水下结构和其他复杂条件的影响下形成指向其自身的射流，这会对结构设备造成二次毁伤，因此很有必要对气泡在近壁面附近的射流特性及形成条件进行研究^[25]。

Gibson^[26]从理论上验证了一定条件下射流形成的判定准则和气泡中心运动假说，按照其推导的准则，当Bjerknes力大于重力的0.442倍时，将产生面朝壁面的射流；当Bjerknes力约为重力的0.442倍时，无射流形成；当Bjerknes力小于重力的0.442倍时，射流的方向指向壁面。牟金磊等^[27]设计水下试验研究水下爆炸气泡射流的产生条件，得到以下结论：在F_浮和Bjerkness力方向呈180°夹角时，γδ<0.4；在F_浮和Bjerkness力方向呈90°夹角时，γδ<0.3；在F_浮和Bjerkness力方向呈0°夹角时，γδ<0.442。其中，γ＝d/R_m，d为气泡中心到边界的距离，R_m为气泡的最大半径，δ=(ρgR_m/ΔP)^1/2。

张昌锁等^[28]借助有限元软件研究刚性壁气泡脉动过程及水射流现象，讨论带孔刚性壁条件下气泡脉动情况，定义了θ 和γ两个量纲化参数，得出以下结论：当 θ>0.8时，无法形成破口射流；当0.1<θ<0.8，0.2<γ<1.3时，气泡被破口射流穿透；当0.1<θ<0.8，1.3<γ<2.2时，气泡被固壁射流穿透；γ>3时，则无法形成射流。其中，γ＝d/R_m，d为气泡中心到边界的距离，R_m为气泡的最大半径；θ＝R₀/R_m，R₀为刚性壁圆形破口半径。

Zhang等^[29]通过模拟水下爆炸产生的气泡与附近壁面的相互作用过程，得出了一个普适结论：靠近倾斜壁面的气泡崩溃时，会形成斜射流，但是并未指出其形成倾斜射流的具体条件。汪斌等^[30]通过设计实验研究水箱底部液体与气泡作用形成射流的相关情况，指出当药边距小于气泡最大半径时，在气泡脉动过程中起主要作用的是Bjerknes力，此时在力的影响下产生水射流，而当药边距大于等于气泡最大半径时，则不会产生水射流现象。

近些年来，有一些学者在固壁边界条件下研究气泡射流产生情况，也取得了一定的进展。而水下爆炸气泡射流的复杂性，让固壁条件下的实船试验测量工作存在相当大的困难，学者们多是基于Bjerknes力、浮力的关系来判断是否有射流的产生以及产生方向的问题。

3 水下爆炸气泡射流载荷特性研究现状

在气泡射流载荷方面，前人对水下爆炸气泡射流的产生现象进行过模拟预测，研究内容主要在于坍塌射流的力学特性和一些简单模型的结构响应，但是对射流本身载荷特性的研究较少。

近些年来，国内的学者也开始关注水下爆炸射流载荷本身的载荷特性，研究了射流载荷在空间的非均匀分布、载荷作用形式以及载荷与Blake准则之间的关系等问题。Obara等^[31]采用相应实验装置产生水射流加载在玻璃钢板上，研究了钢板对于射流冲击的响应现象。王海坤等^[32]在自制的玻璃水箱中开展爆炸试验，借助高摄和水下传感器等仪器设备采集了近壁面条件下气泡射流的图像，获得了射流荷载冲击结构时的压力曲线（图4），为水下爆炸气泡射流荷载及其对结构的损伤评估研究提供了试验依据。

盛振新等^[33]通过在自己设计的水箱中开展炸药水下爆炸试验，发现了特性条件下气泡射流载荷由中心向四周逐渐减小的规律。与盛振新关注点不同的是，牟金磊等^[34]通过设计实验的方法探究了水下爆炸气泡射流形成条件和载荷等相关问题，提出了气泡形成朝向靶板射流的条件，为舰船结构抗爆性能研究提供了参考。

有关气泡射流速度这一射流自身特性的研究，Koita等通过实验观测了约束管内放电诱导水射流的形成和气泡的演化过程，研究了爆炸深度能量、爆管宽度和爆管内射流速度的关系，探究了上述因素对水射流速度的影响。卢熹等^[35]通过对近壁面条件下水下爆炸射流特性进行研究，得到了不同水下结构参数对气泡射流动态特性的影响因素。Hung等^[36]以不同方板为边界通过在钢罐中引爆雷管的方式研究了水下爆炸气泡在不同边界附近的行为，并将实验中得到的射流尖端速度与Brugan等的数据作对比，为舰船水下抗爆领域的研究提供了一定的参考。艾红旭^[37]依托于电火花装置所产生的射流装置，研究了气泡射流在特定条件下的载荷特性。古滨等^[38]通过电爆炸产生气泡射流的方式进行实验，借助边界积分法建立了不同射流载荷特性的数学模型，探究了其通过所建模型计算方法的可行性。

在捕捉射流形成过程及研究气泡动力学特性方面，李帅等^[39]基于流体动力学理论，通过水下爆炸电火花实验研究了气泡射流载荷特性。倪宝玉^[40]通过在自制水箱中电火花系统产生气泡的方式，借助高速摄像机研究了水下爆炸气泡在近壁面内的运动过程，给出了反射波作用下气泡射流载荷特性。岳永威^[41]通过实验，详细记录了气泡射流发生过程中出现的各类现象，通过假设把射流当作冲击水柱作用到壁面上，以此为基础推导气泡射流载荷工程计算方法。把射流简化为冲击水柱的新思路为进行水下爆炸气泡射流等相关研究开辟了另一种新的方法。

唐文勇等^[42]采用改进的气泡动力学程序对近场气泡脉动情况进行了研究，形成了一套相对完整的水下近场爆炸过程的计算流程，得到了脉动过程中压力分布情况射流基本载荷特性。余俊等^[43]通过捕捉水射流的产生、发展过程，对水下近壁面爆炸气泡的运动过程进行模拟，揭示了水射流的产生机理及其对结构的毁伤状况。Li等^[44]对放电产生的气泡射流引起的动压力进行了研究，模拟了气泡的运动过程，并将结果与所做实验进行验证，发现与实验观测数据基本一致。李帅等^[45]采用电火花放电产生气泡的方式，对水下气泡在不同边界条件下的动力学特性进行研究，并对实验过程中出现的射流现象进行阐述，得出了不同距离条件下对近壁面气泡射流载荷受的影响规律。

综上所述，前人多是分别对射流速度、高度、宽度等因素进行探究，而缺乏气泡射流对结构毁伤的系统而全面的研究，对气泡产生过程中的运动特性关注较多，而对其膨胀收缩后产生的射流作用的动力学过程和机理研究较少。而且，不管是从载荷本身来看还是基于载荷对结构的破坏毁伤，学者们对近场水下爆炸条件下射流的产生及毁伤研究较多，而对中场或稍远场条件下射流的情况鲜有研究，这就为以后有关水下爆炸气泡射流方面的工作中的研究方向指明了道路。

4 水下爆炸气泡射流载荷对结构毁伤研究现状

对于气泡射流，国内外有大量学者通过各种手段来研究其动态特性^{[46 − 49]}，但有关射流对船体结构毁伤这一方向的研究工作，目前的理论体系仍不够完备。实际海战中，水下爆炸所产生的气泡载荷对水下武器毁伤效应主要有气泡脉动载荷和气泡射流载荷，二者可分别对舰船结构产生总体响应和局部毁伤等2种不同破坏效果。

4.1 理论基础

在理论方面，金辉等^[50]基于Geers&Hunter理论来研究水下爆炸气泡射流对水下结构的毁伤，分别得到了单一气泡射流和冲击波与气泡射流联合作用下对船体结构造成不同毁伤情况的结论。Chen等^[51]探讨了气泡引起的射流载荷机理及其诱导船体结构动力响应特性的分析，为进一步研究气泡射流载荷对水下结构的毁伤效应提供了一定的参考。

水下爆炸气泡射流对潜艇等水下结构毁伤破坏方面的研究虽然已经有了一些进展，但在水下爆炸气泡射流理论分析方面仅适用于简单、规则的模型（如球形气泡模型），而对于近边界水下爆炸气泡和非球状效应明显的情况具有很大的局限性。总的来说，就水下爆炸气泡射流对于船体结构的毁伤效果这一领域的研究工作，理论体系还不够完善。

4.2 实验研究

在水下实验方面，有不少学者通过实船舱段模型或等缩比模型来进行实船实验。崔杰等^[52]设计了实船舱段模型来研究气泡射流载荷对其局部结构的毁伤，研究了气泡射流形成原因以及舰船平板在不同载荷作用下的破坏情况。结果表明，特定条件下射流载荷对平板结构的破坏效果远比想象中的大，在实际海战过程中，其对实船造成的毁伤效果绝不能忽视。牟金磊等^[53]借助高速摄像机通过设计的水中容器靶板实验，捕捉到气泡的形成过程，指出射流载荷会对舰船等水下结构造成一定的毁伤效果。Chen等^[54]利用电火花气泡和高速摄影技术研究了气泡接触射流载荷作用下船舶结构的损伤模式，通过在水箱中进行的实验，研究了接触气泡射流对船体结构的损伤作用。孙龙泉等^[55]对运用有限元软件对实船舱段模型进行了爆炸冲击模拟，探究了气泡射流对不同船体结构的毁伤效应。郭娅^[56]通过研究Y型双层舷侧结构在水下爆炸气泡射流载荷作用下的结构动态变化过程，分析了结构在气泡射流作用下，动能以及变形能的变化情况，研究了舰船不同弦侧结构在水下的抗爆能力大小。

由于水下爆炸涉及工况复杂，在这种条件下所产生的气泡运动具有太多不可控，在水下爆炸气泡射流对潜艇等水下结构毁伤破坏试验方面，目前公开发表的文献多数属于自由场条件下形成的气泡射流，或者是气泡与简单边界的相互作用形成的射流，水下爆炸气泡射流对潜艇等结构的毁伤破坏作用公开发表用于科学研究的参考文献为数不多。

4.3 数值模拟

有关射流对水下结构的破坏毁伤的模拟，有不少学者通过大型商业软件来研究射流载荷对平板、桁架等结构的毁伤效果。姜忠涛等^[57]借助Abaqus对薄方板结构受射流冲击的过程进行了数值模拟研究，其结果与国外研究学者Obara的实验结果基本吻合，证实了其模拟结果的准确性。孟涛等^[58]借助模拟软件对固支方板在水下爆炸气泡射流作用下的响应情况进行模拟，将工况分为底部爆炸和侧面爆炸2种典型情况进行计算，得出气泡射流载荷会对水下结构造成不可忽视的局部毁伤。李烨^[59]采用耦合的欧拉-拉格朗日算法计算了射流载荷冲击不同材料平板的工况，与实验结果吻合较好。崔杰等^[60]利用有限元软件研究射流载荷对水下结构的毁伤效果，得到了水下爆炸气泡射流载荷在不同冲击位置对结构的毁伤效果有所不同的结论。王金娥等^[61]通过有限元软件，研究了水下爆炸气泡射流对潜艇等水下武器的底层甲板的破坏效果，具有一定的军事价值。

从以往的研究来看，很少有学者在实验中研究气泡射流载荷对结构在非常接近情况下的影响，或对结构的接触冲击，特别是对船体结构的影响^{[62 − 66]}。然而，这种情况一旦发生，会对舰船结构造成无法估量的损伤，对舰船等水中武器的生命力是很大的威胁。在工程上，对于水下近场爆炸与接触爆炸，气泡射流载荷已被广泛认为是不可忽略的载荷，但是否需要考虑水下爆炸气泡射流载荷的临界条件尚不明确。因此，研究水下爆炸气泡接触射流载荷对舰体结构的毁伤效应应当成为学者们下一步的研究方向。除此之外，上述学者们做的工作中，大多都只研究了水下爆炸气泡射流载荷特性及其对结构的毁伤，而陈崧等^[67]的研究内容则综合考虑水下爆炸冲击波与射流联合载荷对结构作用，更接近实际工程应用中的工况，具备更大的参考价值。

5 结　语

本文从理论工作、实验和数值模拟研究3个方面综述气泡射流载荷本身特性及其对结构毁伤的研究现状。总结了水下爆炸气泡射流产生装置现状，梳理了自由边界下气泡射流产生条件和固壁面边界下气泡射流产生条件研究现状，总结了气泡射流载荷对舰船结构毁伤的研究进展，得出了以下结论：

1）目前国内外产生气泡射流的装置主要有3种，分别是：电火花气泡产生的射流、激光泡长生的射流和水下小当量炸药爆炸产生的气泡射流，而这3种方式形成的气泡射流直径仅有几个毫米，与真实海战中产生的厘米级气泡射流相比存在很大误差，特别是在研究气泡射流对结构的毁伤时。

2）国内有学者对自由边界气泡射流的产生条件进行了研究，并初步得出了形成射流的基本条件，但在实际海战中，固定壁面等复杂条件会影响气泡射流的形成过程。因此，这种自由边界下气泡射流形成条件在实际工程应用中并无实际意义，开展不同边界夹角方向的气泡射流实验、模拟工作才是以后研究的重点。

3）在气泡射流载荷方面，前人做过一些有关射流现象方面的工作，大多数学者主要研究了气泡射流形成过程中呈现的力学特性，但是对水下爆炸气泡射流载荷本身特性关注较少。

4）水下爆炸气泡射流对结构毁伤方面的工作虽然有了一些进展，但在水下爆炸气泡射流理论分析方面仅适用于球形气泡等简单、规则的模型，而对于探究射流载荷对水下结构破坏效应的试船实验也为数不多。