Page 91 - 《爆炸与冲击》2026年第01期

第 46 卷 杜青松，等： 深海水下爆炸冲击波载荷及气泡脉动特性研究 第 1 期

the parameters. The results reveal that the peak pressure of the shock wave is primarily influenced by the charge mass and

stand-off distance, and increases with water depth at an approximate rate of 1% per kilometer. In contrast, both shock wave
impulse and specific shock wave energy decrease with increasing water depth and stand-off distance, but show a positive
correlation with charge magnitude. The bubble pulse radius is primarily determined by both the charge weight and the water
depth, with the bubble pulsation phenomenon becoming attenuated in deep-water environments. Compared to the traditional
Cole empirical formula, the simulated bubble pulse radius is reduced in the range of 0.1 to 10 km. The simulation indicates an
asymmetry in the pulsation cycle: the expansion phase consistently lasts slightly longer than the collapse phase. These findings
contribute to a more nuanced understanding of underwater explosion phenomena in deep-sea environments and have practical
implications for naval engineering, subsea structural safety assessment, and explosive ordnance disposal in complex oceanic
settings.
Keywords: deep-sea explosion; shock wave; bubble pulsation; unified bubble equation

随着海洋资源勘探开发和水下军事技术的发展，深水爆炸现象已成为研究热点。深海环境中，爆炸
冲击波的传播规律和气泡脉动不同于浅水爆炸，与水深、压力、环境梯度等条件密切相关。深入理解深
水爆炸冲击波传播和气泡脉动的物理规律，有助于优化水下武器的设计，提高海底设施的抗爆能力，且
对深海环境保护具有重要意义。
[1]
Taylor 开创性地提出了爆炸波传播与湍流的理论模型，为理解水下冲击波的传播及其与结构的相
互作用奠定了早期基础。Cole 等 [2] 则系统构建了水下爆炸理论框架，深刻揭示了爆炸气泡脉动与冲击
波传播的耦合机理。在此基础上，Sedov 等 [3] 发展的爆炸自相似理论成为描述冲击波传播的经典解析工
[4]
具。随着工程应用的深入，Arons 、Bjarnholt [5] 及后续众多学者通过试验相继建立了冲击波超压、能流
[7]
[6]
密度与能量的系列工程相似律模型，推动了理论的实用化进程。Kedrinskii 与 Le Méhauté等 的研究进
一步强调了冲击波和气泡相互作用对环境参数（如深度和边界）的敏感性，揭示了能量分布与波衰减规
律的复杂性。计算能力的飞跃催生了理论模型的突破性进展。区别于 Geers 等 、Plesset 和 Keller 等 [10]
[9]
[8]
的经典理论，Zhang 等 [11] 提出了一个考虑更全面物理机制的气泡统一理论，本文中统称为 Zhang 方程，显
著提升了对不同环境下冲击波传播的预测精度，并在后续引入了相变影响 [12] 使模型更加完善。
在理论演进的同时，研究场景也从浅水向深水拓展。Slifko [13] 于 20 世纪 70 年代开展的大规模深水
试验得出结论：深水环境中冲击波压力峰值基本不随水深变化，但其能流密度随环境压力增加而衰减。
我国于 2008 年在南海进行的深水试验 [14] （最大深度 350 m）结论与之基本吻合。为克服深水试验的成本
与技术壁垒，现代研究多采用加压容器模拟深水环境并结合数值模拟。例如：Gao 等 [15-16] 利用加压罐获
得了 600 m 水深内 TNT 与 RDX 炸药的宝贵试验数据，并分析了水深对压力波特性的影响；郝轶等 [17] 则
针对容器壁面反射波的干扰效应进行了专门研究。数值模拟方面：梁浩哲等 [18] 、胡毅亭等 [19] 和 Yue 等 [20]
分别运用 AUTODYN 和 LS-DYNA 软件，系统分析了深水爆炸冲击波、气泡动力学及能量规律；Shen 等 [21]
通过高阶多相流模型揭示了装药条件与深度对冲击波负载的机理；Xiao 等 [22] 和 Liu 等 [23] 则聚焦于深水
冲击波对特种结构与海底管系的毁伤效应。
上述研究增进了对深水爆炸现象的理解，但存在严重的局限性。首先，多数研究局限于特定或单一
工况，缺乏对水深、爆距等多变量耦合作用下冲击波传播与气泡脉动规律的系统性揭示。其次，受试验
条件制约，现有试验研究严重偏向于浅水环境，对于 1 000 m 及以上的极端深水场景覆盖严重不足。最
后，尽管 Zhang 方程为代表的高精度理论模型已然出现，但当前数值模拟研究未能充分吸纳和利用

Zhang 方程作为理论模型，限制了 Zhang 方程的推广。
本文中采用 Zhang 方程作为理论模型，通过数值模拟研究不同装药质量、不同水深和不同爆距情况
下深水爆炸冲击波和气泡脉动的变化规律，重点分析爆炸冲击波的压力峰值、冲量和能量的变化趋势，
并探讨脉动气泡的动力学行为，以期为深水爆炸中的冲击波传播和气泡行为研究提供理论支持。

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