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1、第五章 水中爆炸理论及作用5.1水中爆炸的物理现象5.2水中冲击波5.3水中冲击波的传播5.4水中冲击波的反射5.5水中冲击波的作用5.1水中爆炸的物理现象 装药在无限水介质中爆炸时，形成高温、高压的爆炸产物，其压力远远地超过静水压力，会产生冲击波和气泡脉动两种现象。 炸药在空气中和水中爆炸时的物理现象，主要区别： （1）在相等装药爆炸时的水中冲击波的压力比空气冲击波压力要大得多； （2）水中冲击波的作用时间比空气冲击波作用时间要短得多； （3）水中冲击波阵面传播速度近似地等于阵面声速，而空气冲击波阵面传播速度比阵面上的声速要大； （4）爆炸产物在水中膨胀要比空气中慢的多。 原因： （1）在一
2、般压力下，水几乎是不可压缩的，在高压作用下，可压缩： 7.36MPa9.81MPa时，体积变化1/320； 98.1MPa 时，水的密度变化/=0.05 高压下可压缩,形成冲击波。 （2）水的密度比空气大，装药爆炸时，爆炸气体受到不同的静压作用，故膨胀较慢。 （3）水中声速较大，18时，声速为1489ms-1。随水中含气量的增加，水中声速的下降很快。当水中含气量为0.1l时，水中声速下降到900ms-1。5.1.1 水中冲击波 装药在无限、均匀和静止的水中爆炸时，首先在水中形成冲击波。此后，在爆炸产物和水的界面处产生反射稀疏波，以相反的方向向爆轰产物的中心运动。 水中初始冲击波压力比空气中的大
3、，空气冲击波初始压力78.5127.5MPa ,水中9810MPa ; 随着水中冲击波的传播，其波阵面压力和速度下降很快，且波形不断拉宽。 图5-1-1 重量为173的梯恩梯水中冲击波的传播情况 1、 离爆炸中心处较近时（11.5r0），压力下降非常快，离爆炸中心距离较远处，压力下降较为缓慢。 2、水中冲击波的正压作用时间随着距离加大而逐渐增加，但比同距离用药量的空气冲击波的正压作用时间却要小许多，前者约为后者的1/100。 3、随着水中冲击波的传播，其波阵面压力和速度下降很快，且波形不断拉宽。 冲击波在有限水域中爆炸（有自由面和水底存在），冲击波在自由表面和水底产生反射。 1、自由面存在 自
4、由表面存在，水中冲击波在自由表面形成迅速扩大的暗灰色的水圈，在自由面发生反射，形成飞溅水冢。此后，爆炸产物形成的水泡到达水面，出现与爆炸产物混在一起的飞溅水柱。 水很深时，不出现上述现象,对普通炸药，深度h为： 2、有水底存在 水底存在时，水中冲击波的压力增高。 对于绝对刚性的水底，相当于两倍装药量的爆炸作用。 实验表明，对于砂质粘土的水底，冲击波压力增加约10，冲量增加约23。 装药在水中爆炸时，能产生水中冲击波、气泡和压力波。三者对目标(舰艇，水下建筑物等)都会造成一定程度的破坏作用。 5.1.2 气泡脉动现象 水中爆炸的爆炸产物，在和冲击波分离以后，它在水中以气泡的形式作不停的膨胀和压缩
5、，该过程称为气泡的胀缩脉动或气泡的脉动。由于水的密度大、惯性大，这种气泡脉动次数要比空气中爆炸的多，有时可达十次以上。 图5-1-2是用高速摄影机，对于梯恩梯在水中爆炸拍摄的全过程中的一个镜头，可以清楚地看到气泡的形成过程。图5-1-2 气泡的脉动过程 根据科乌尔的数据，当重量为250克的特屈儿装药在91.5m的深度爆炸时，用高速摄影机拍摄到的气泡半径随时间的变化关系如图5-1-3所示。 图5-1-3 气泡半径与时间的关系 由图中可知： 1、开始时气泡膨胀速度很大，经过14ms后，速度下降为零，然后气泡很快被压缩，到28ms后，达到最大的压缩。往后开始第二次膨胀和压缩过程。 2、图中虚线表示气
6、泡的平衡半径，即气泡内压力与周围介质静水压力相同时的半径。不难看出，第一次脉动的80时间内气泡内的压力低于周围介质的静水压力。 3、在脉动过程中，由于爆炸气体的浮力作用，气泡逐渐上升。爆炸产物所形成的气泡一般均接近于球形。若装药非球状，长与宽之比在16范围之内，则离装药25r0(r0为装药半径)的距离处就接近于球形。 4、自由表面反射的稀疏波使气泡变形，所以实际的气泡并不完全是球形的。 障碍物对气泡脉动的影响 1、气泡膨胀时，近障碍物处水的径向运动受到阻碍，气泡有些离开障碍物的现象。 2、当气泡受压缩时，近障碍物处水的流动受阻，而其它方向的水径向聚合流动速度很大，因此使气泡朝着障碍物方向运动，
7、即气泡好象引向障碍物。水中爆炸能量分配： 水中爆炸所形成的气泡脉动现象，是由爆炸产物形成的气泡在水中多次膨胀和收缩所形成的脉动。每次脉动消耗一部分能量，其能量分配情况如表5-1-1。 表5-l-1 水中爆炸的能量分配爆炸能量的消耗留给下次脉动的能量用于冲击波的形成用于第一次气泡脉动用于第二次气泡脉动59*276.44l147.65.1.3 二次压力(缩)波 气泡脉动时，水中将形成稀疏波和压力(缩)波。稀疏波的产生相应于每次气泡半径最大的情况，压力波则与每次气泡半径最小相对应。通常气泡第一次脉动时所形成的压力波(又称二次压力波)才有实际意义。 例如137梯恩梯装药，在水中15m深处爆炸时，在离爆
8、炸中心18m的地方测得水中冲击波的压力与时间的关系如图5-4所示。 图5-4 水中爆炸的压力与时间关系1、二次压力波的峰值压力Pm的计算式 气泡脉动所形成的二次压力波的计算： (5-1-1) 2、二次压力波的比冲量im的计算式为 (5-1-2) 如果气泡脉动时留在爆炸产物中的能量为 =1848KJ/kg，装药在水深12m处爆炸时，(5-1-2)式可简化为3、气泡最大半径rm的经验公式 对梯恩梯炸药，可取k=1.63 4、气泡达到最大半径所需的时间tm（s） 5.2 水中冲击波5.2.1 水中冲击波的基本方程式 质质量量守守恒恒，动动量量守守恒恒和和能能量量守守恒恒定定律律导导出水中冲击波的基本
9、方程为出水中冲击波的基本方程为(A) (B) (C) 水的状态方程 (D) （Taif）（Bridgman） 在(D)式中引进了一个温度量，计算不方便。对水的状态方程进行了热力学的变换，得到水的泊松绝热方程为 ： 式中a，*，P*均为常数，其中=5.4108Pa，*=2.53 g-3，P*=9.12109Pa 。函数(s)在P3.0109Pa之内保持为一个常数，即(s)5.5。与压力的关系如图5-2-1所示。 (E) 图5-2-1 系数与压力的关系弱冲击波=5.55P=1大气压=5.45P=3104大气压p大气压P=2.5105大气压=4.6 压力增加到2.5105大气压时，=4.6，熵的变化
10、大，压力再增大时，冲击波就不是等熵的。冲击波通过水和空气时的熵值的增量s与压力的关系列于表5-2-1。0.371050.000647100弱冲击波区1010561050.71050.3360.0800.018925001000500中等强度冲击波区321052.0500.865100005000强冲击波区当S相同时空气冲击波压力（Pa）与压力相应的(S)水中冲击波压力（MPa）冲击波强度表5-2-1 冲击波通过水和空气时s与压力的关系(计算值) 水中冲击波可分为强、中等和弱三种，对水中冲击波也应分为三个区域进行计算：（1）强冲击波(P2.5104大气压 ) 式中 ：d2=4250，=6.29，
11、B=2987.15105Pa (F) 所以：P12943MPa时: P12943MPa时: （9.81104Pa） （F）代入(B)式，当0 = 0时，得（2）中等强度冲击波(0.1104P2.5104大气压)式中：P0=0.981105Pa,0=1020g-3 ，B=2987.15105Pa，(G) (H) (I) 因为P0B，所以(I)式可改写为：(J) 其他参数可按强冲击波的方法计算。 （3）弱冲击波(P0.1104大气压 ) (J)式同样可使用，但水的声速：水的声速为 对未经扰动的介质，用0.981105Pa ，=0代入上式代入(J)式：(K) 由(A)式，忽略P0，且0=0，则代入(
12、J)式：同样，近似的取级数第一项，得到或由(B)式，忽略P0，且当0=0，则代入(J)(L) 进行类似的变换，展开后取二项则得(M) 从(K)，(L)，(M)三式可看到，弱冲击波阵面参数c1，1，D与压力P1成线性关系。由此，水中冲击波阵面参数应根据压力选择相应的计算式。计算结果列于表5-2-2。 习题：已知水中冲击波阵面压力1000大气压，计算波阵面的传播速度、质点速度、密度、音速和温度。当压力为237000大气压时，=4.63解：5.2.2 水中冲击波的初始参数 在水中形成初始冲击波，并向爆炸产物中反射稀疏波，如图5-6所示。由于水的可压缩性很小，冲击波的初始压力很大，一般超过10万个大气
13、压。假设爆炸产物按PV = const的规律膨胀。图5-2-2水中冲击波的初始参数 对于一维流动，界面处爆炸产物质点速度为： (5-2-1) 水中冲击波阵面上的质点速度，当0=0时，由(B)式可改写为： 将强冲击波关系式（F）与上两式联立可求解，但误差较大。 由动力学的实验测定，当压力P在045MPa时，水的冲击绝热方程为： 水中冲击波的动量方程为 (5-2-3) 将(5-2-3)和(5-2-1)式联立求解可算出水中冲击波的初始参数Px和x (5-2-2) A鲍姆根据实验确定(J)式中的两个常数分别为B=3.94108Pa， ，于是(J)式可写为还可得联立（5-2-1）以及以上四式,计算的结果
14、为下表：表5-2-3 水中冲击波的初始参数炸药(g/cm3)(m/s)(m/s)(MPa)(J / g)梯恩梯泰安1.601.6961007020218527251.5601.635136001950087.283.5570800 由表知，水中冲击波的初始压力和速度小于相应装药的爆轰压力和爆轰速度；此外，随着D和Pm的增大，Px/Pm和D/Dm比值有减小的趋势，因为高压下水的压缩性增大。 用图表形式也可解得Px和x ： 利用(5-2-1)式可以绘制出如图5-2-3所示的曲线： 图5-2-3 水中冲击波的初始参数lTNT装药，0=1.61g/3；2纯化黑索金，0=1.60 g/3 根据爆炸产物稀
15、疏波曲线和水中冲击波曲线交点，就可决定冲击波阵面上的流速ux和压力Px的大小。5.3 水中冲击波的传播5.3.1 水中冲击波的传播规律 装药在无限水介质中爆炸时所形成的水中冲击波的传播规律，满足以下规律： 质量守恒定律 动量守恒定律 能量守恒定律 (A) (B) (C) (D) 介质的状态方程 或 (E) 若初始条件和边界条件为已知便可进行求解，但是边界条件很难确定，而且求解的过程也十分复杂。 5.3.2 水中冲击波的计算 （1）水中爆炸相似律 影响水中爆炸的物理量主要有： 炸药的爆热Qw；装药密度 ；装药半径r0；未经扰动水的压力P0；未经扰动水的密度 ；未经扰动水的声速 ；水的状态指数n；
16、距离R；时间t。 所以：可得：令 且根据定理得：故得：(5-3-1) 两点说明： 1、当炸药装药半径r0增大倍时，若在距离R处，时间相应也放大倍，则压力变化规律相同。试验结果见表5-3-2。 2、对于不同距离R，在t=0时冲击波的峰值压力，由(5-3-1)式根据实际测定可得经验公式(5-3-1a) 式中A，为实验确定的系数，一些球形和柱形装药的A和列于表5-3-3，使用其他炸药时可根据能量相似原理换算，即表5-3-3 球形和柱形装药的A和值炸药球形装药柱形装药A(MPa)适用范围A(MPa)适用范围TNT370014701.151.136R/r01212R/r024015450.7235R/r
17、03500PETN 1475074802190321.21R/r02.12.1R/r05.75.7R/r0283480017701.080.711.3R/r017.817.8R/r024（2）水中超压的计算 球形装药，JHenrych所做的实验得出的超压公式为 (5-3-1b) (5-3-1C) 对于圆柱形装药(5-3-1d) 根据“爆炸相似律的分析”，对于集中装药水下爆炸的冲击波峰值压力Pm、比冲量i和水流能量密度E的经验计算公式分别为： (5-3-2d) 式中：k，l，m和各系数由实验确定，某些炸药在无限水介质中爆炸时的系数列于表5-3-4。 对于其它炸药，可根据相似原理进行换算，例如（3
18、）水中冲击波压力随时间衰减的规律 137梯恩梯装药，在水中爆炸时，在离爆炸中心6m处得到的P(t)曲线如图5-3-2所示，图5-3-2 水中冲击波压力及冲量与对间的关系水中冲击波超压随时间衰减的规律为： (5-3-3a) 式中:为时间常数，由下面的经验公式决定 如果装药为圆柱形时式(5-3-3)中的时间常数为（3）水中冲击波作用的比冲量 （4）水中冲击波正压作用时间t+水中冲击波的超压持续时间远小于空气冲击波的持续时间。对于球形装药冲击波的波长=1460t+(m)对于圆柱形装药t+7*(s)冲击波的波长：7*cw0=1.02104* (m)（5）水流的能量密度 5.4 水中冲击波的反射 当装药
19、在有限水介质中爆炸时，必须考虑界面对冲击波的影响。 1、对于冲击波在刚性表面反射上式稍加整理可得 (5-4-1) 水中冲击波压力和密度的关系，可按冲击波强度选用前面讨论的有关计算式。如压力小于2500MPa时：计算的结果列于表5-4-1。 JHenkych提出，水中冲击波的反射超压可用下面公式计算入射波超压在0P11.2108Pa (5-4-1a) 2、装药在水底爆炸 对于刚体，以We2W计算； 对于普通地面以1.31.5W计算。3、在自由表面 自由面的影响见图5-4-1 和5-4-2。 在水面处的峰值压力可按下式计算 图5-4-1 自由曲存在时A点的P(t)曲线 图5-4-2 镜象反射示意图
20、 自由面可以看成是将压缩波削去一截5.5 水中冲击波的作用与防护 5.5.1 水中冲击波的作用 炸药在水中爆炸时，对水中建筑物和舰、船的破坏作用，主要是由爆炸后形成的冲击波、气泡脉动和二次压力波的作用。对于各种猛炸药在水中爆炸时，大约有一半以上的能量转化为水中冲击波。 1、接触爆炸 水水中中接接触触爆爆炸炸，直直接接受受爆爆炸炸产产物物和和水水中中冲冲击击波波作作用用，两两者者的的联联合合使使水水下下目目标标遭遭到到严严重的破坏。重的破坏。2、 非接触爆炸 水中非接触爆炸，可以分为两种情况： 近距离(即装药与目标物的距离小于气泡的最大半径)时；远距离爆炸目标物主要是受到水中冲击波的破坏作用。
21、水中爆炸的破坏作用与装药重量及目标离爆炸中心的距离有关。各种爆破弹的冲击波压力与距离的关系如图5-5-1所示。 图5-5-1 各种爆破弹的冲击波压力与距离的关系I区压力在区压力在456.210456.2105 5Pa以上。潜艇沉没，无装甲的舰艇受到严以上。潜艇沉没，无装甲的舰艇受到严重破坏。重破坏。 II区内的压力为区内的压力为294.3105Pa-441.510-441.5105 5Pa，潜艇受到严重，潜艇受到严重破坏。破坏。 III区内潜艇将受到中等程度的破坏区内潜艇将受到中等程度的破坏 IV区内则受到轻微损伤。区内则受到轻微损伤。 各种装药量爆炸时对不同距离的舰艇和防护结构破坏情况如图5
22、-5-2所示。1水下防护结构的破坏；2外壳板穿孔及内隔墙的破坏；3外壳板严重破损；4外壳板漏水。图5-5-2 舰艇和防护结构破坏情和距离及装药量的关系 水中爆炸时，不同药量和不同距离时，对人体的冲击伤列于表5-5-1。经验表明:水中爆炸时冲击波的杀伤极限距离比空气中大4倍左右。装药重量(kg)13550250500对人体致死极限距离(m)8102575100250引起轻度脑振荡，同时使胃、肠壁损伤的距离(m)82010252510075150100200250350引起微弱脑振荡，而脑腔、内脏不受损伤的距离2010050300100350表5-5-1 水中爆炸不同药量和不同距离时对人体的损伤5
23、.5.2 水中冲击波的防护 水中爆炸对水中生物及周围构筑物具有极强的破坏作用，产生的爆破飞石、冲击波、地震波、浪涌都会对周围环境造成影响。 水中爆炸主要考虑水中冲击波和地震波。控制地震波主要是考虑微差爆破技术，见相关文献。 控制水中冲击波效应，有效的方法气泡帷幕技术。 所谓气泡帷幕技术是在建筑物周围水底设置喷气管或产生大量气泡的化学药物。 具体的实现方法为: 在建筑物和爆破区的水底敷设23排横过建筑物长度，直径25mm50mm的软管和钢管作为喷气管。在管上钻孔径为1.5mm2.0mm、间距2550mm的喷气孔。两排喷气孔有一定的夹角，喷出的气泡互相碰撞，即搅动水流，又增加帷幕厚度。5.5.3 水中爆炸安全距离1、临近建筑物的安全距离 岸边建筑物，根据建筑物的震动速度小于其允许值来确定，其中震动速度为： 对与水中建筑物应同时核算震动速度和水中冲击波的动应变。2、对水面船舶的安全距离3、人员的安全距离4、对水中鱼类的安全距离
