Page 98 - 《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

随着装药量的增加，比冲击波能呈持续上升趋势。以水深 100 m、爆距 20 m 为例，当装药量由 5 kg 增至

30 kg 时，比冲击波能从 0.89 MJ/kg 增加至 0.95 MJ/kg；进一步增至 200 kg 时，能量达到 1.03 MJ/kg，整体
增长幅度较为平稳但持续。该现象可能与炸药能量释放过程中的效率差异有关。大质量炸药在爆炸过
程中释放能量更为集中，冲击波能量占比更高，化学能向动能的转换效率更高；而小质量炸药的爆炸能
量易于扩散，部分能量以热能或声能形式耗散，导致单位质量炸药释放的比冲击波能较低。
3.3 水下爆炸气泡脉动
在水下爆炸过程中，炸药释放的能量主要以冲击波传播与气泡脉动的形式传递。尽管对于 TNT 等
常规炸药而言，冲击波能与气泡能量的比例通常接近各占一半 [27] ，但在深水条件或大装药量情况下，气
泡所携带的能量往往占据更高比例。从水下爆炸防护的角度来看，气泡脉动对舰船及水下航行器结构
的破坏作用更为显著。气泡的膨胀与收缩不仅会引起船体大范围的总纵弯曲变形，还可能产生高能量、
高速度的喷射流和“水冢”现象，对舰船和水下装备构成致命威胁。因此，除了冲击波外，气泡脉动行
为亦应作为水下爆炸效应研究的重要内容。在水下爆炸过程中，气泡行为的关键参数包括最大气泡半
径与脉动周期，这 3 项指标不仅反映了炸药能量释放过程的特征，对水下结构的损伤评估具有重要意
义。为预测气泡脉动行为，文献 [28] 已给出经验公式，用于估计最大半径 R ：
Cole
( w ) 1/3
R Cole = 3.382 5 (24)
h+10
式中：w 为装药量，kg；h 为水深，km。
基于 Zhang 方程，对不同装药量与水深条件下气泡在一个完整脉动周期内的半径变化进行数值模
拟。结果表明，气泡脉动的半径 R 和脉动周期 T 与装药量呈显著相关性。因此，选取装药量为 30 kg 的
典型工况，并在不同水深条件下提取气泡半径随时间变化的数据，以展现气泡脉动过程的特征。为增强
不同条件下结果的可比性，将气泡半径 R 和脉动周期 T 进行无量纲化处理，并用 t 表示气泡半径变化过

程中的时间。 1.0
如图 7 所示，不同水深工况下无量纲气泡半
径 R/R Col e 的演变趋势在整体脉动周期中呈现共 0.8
性特征，但存在显著的相位差异。具体表现为： 0.6 0.1 km
0.5 km
在前半周期（t/T＜0.3），深水工况下的无量纲气 R/R Cole 1 km
2 km
泡半径 R/R Col e 始终高于浅水工况的；而在后半周 0.4 3 km
4 km
期（0.5＜ t/T ＜0.8）则呈现相反规律；值得注意的 5 km
0.2 6 km
是，当 t/T ＞0.9 时，深水工况下的无量纲气泡半 8 km
10 km
径曲线再次超越浅水工况的。这种现象源于不 0
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
同水深条件下气泡动力学行为的差异：浅水气泡 t/T
经历较为完整的膨胀-坍缩过程，其最大膨胀半 图 7 不同水深条件下 Zhang 方程模拟的气泡无量纲
径可达初始半径的 13 倍，而深水气泡因环境压 脉动半径单周期内变化趋势
力增强导致膨胀不完全且坍缩过程加速，脉动周 Fig. 7 Variation of dimensionless bubble radius during
期初始的气泡体积和末端的残余气泡体积占比 single oscillation cycle in Zhang equation simulations
across different water depths
随水深增加显著提升。
进一步分析表明，气泡脉动过程具有显著的非对称特性。在同一水深条件下，R/R Col e 的最大值出现在
0.43＜ t/T ＜0.49，且周期初始阶段的 R/R Col e 要显著小于周期末端的。这种非对称性揭示了水下爆炸气泡
演化的核心机理：首次脉动坍缩过程中，气泡受流体黏性耗散、辐射声能损失以及不可凝气体压力的综
合作用，无法完全恢复至初始体积。特别在坍缩接近临界半径时，不可凝气体的剧烈压缩形成反向压力
梯度，该机制不仅增加了坍缩阶段持续时间，还导致后续脉动周期中气泡最大半径呈现逐次衰减趋势。
与 Cole 等 [2] 提出的经验公式相同，炸药装药量和水深仍是数值模拟所得气泡脉动最大半径的关键

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