馬 坤,初 哲,王可慧,李志康,周 剛

(西北核技術(shù)研究所,陜西 西安710024)

小當(dāng)量炸藥深水爆炸氣泡脈動(dòng)模擬實(shí)驗(yàn)
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馬 坤,初 哲,王可慧,李志康,周 剛

(西北核技術(shù)研究所,陜西 西安710024)

為在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)開展深水爆炸氣泡脈動(dòng)規(guī)律研究,通過增加水面大氣壓強(qiáng)來模擬水中靜水壓的方法,建立可模擬深水環(huán)境的爆炸容器。開展不同模擬水深條件下的3種當(dāng)量炸藥的水下爆炸實(shí)驗(yàn),得到了氣泡脈動(dòng)過程圖像,驗(yàn)證小當(dāng)量深水爆炸模擬實(shí)驗(yàn)與自由場實(shí)驗(yàn)的等效性,分析氣泡脈動(dòng)周期與最大半徑同模擬水深的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:容器壁面反射效應(yīng)對氣泡脈動(dòng)過程的影響可以忽略不計(jì),模擬實(shí)驗(yàn)可等效為自由 場實(shí)驗(yàn);深 水爆炸氣泡 脈動(dòng)周期及 最大半徑隨 流體靜力深 度增加 的衰 減系數(shù) 分別 為-0.83和-0.364。

爆炸力學(xué);氣泡脈動(dòng)周期;衰減系數(shù);水下爆炸;深水模擬

潛艇一般活動(dòng)在高靜水壓的深海中,而水下爆炸載荷(沖擊波載荷及氣泡脈動(dòng)載荷)在深水條件下將產(chǎn)生一定的變化。國外開展深水爆炸相關(guān)研究較早,J.P.Slifko[1]通過 大量的 海上實(shí) 驗(yàn)對深 水爆炸 載荷的特性進(jìn)行了細(xì)致的研究,給出了各類炸藥深水爆炸沖擊波壓力、氣泡脈動(dòng)壓力的特征參數(shù)與水深、比距離等參數(shù)的關(guān)系,數(shù)據(jù)詳實(shí),具有重要的參考意義。R.H.Cole[2]著作中包 含 了 深水爆炸實(shí)驗(yàn) 研 究工作,給出了260 m 深度內(nèi)的氣泡脈動(dòng)周期與水深關(guān)系的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。這些實(shí)驗(yàn)均在海上試驗(yàn)場完成,需要具備實(shí)驗(yàn)場地、配套設(shè)備和實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)等較多苛刻條件。

在實(shí)驗(yàn)室水箱或容器中開展水下爆炸實(shí)驗(yàn)具有經(jīng)濟(jì)性和方便性,然而水下爆炸沖擊波在水箱/容器的壁面反射后會(huì)對整個(gè)流場產(chǎn)生持續(xù)的影響,使實(shí)驗(yàn)結(jié)果不能真實(shí)的反映無限水域中氣泡的運(yùn)動(dòng)特性。王建靈等[3]在有限水域進(jìn)行水下爆炸實(shí)驗(yàn)研究過程中,利用氣泡脈動(dòng)周期和實(shí) 驗(yàn) 藥 量的線性關(guān)系 判 斷水域邊界對氣泡脈動(dòng)過程的影響,對有邊界水域水下爆炸實(shí)驗(yàn)中藥量上限的界定提供了參考。汪斌等[4]在2 m×2 m×2 m 的實(shí)驗(yàn)水箱內(nèi)壁貼20 mm 厚的吸能材 料,實(shí)驗(yàn)得到的 氣 泡 脈動(dòng)周期結(jié)果 與 近似無限水域中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致,4.5 g藥量最大誤差為4.8%。以上研究結(jié)果表明,在實(shí) 驗(yàn)室水箱/容器中開展小當(dāng)量炸藥的水下爆炸實(shí)驗(yàn)研究是可行的。

在深水爆炸研究中,國內(nèi)已開展了使用 AUTODYN、DYTRAN、ABAQUS等商業(yè)軟件或采用自編程序進(jìn)行深水 爆炸載 荷演變 及其與 各類結(jié) 構(gòu)相互 作用的 數(shù)值模 擬研究[5-8],而 在深水 爆炸模 擬實(shí) 驗(yàn) 方 面較 少 。 鐘 帥[9]、孫 躍 光[10]開 展 了 水 下 爆 破 方 面 的 研 究 工 作 ,研 究 表 明 可 以 通 過 增 加 水 面 大 氣 壓 強(qiáng) 的 方法提高水中靜 水壓,達(dá) 到模擬 深水環(huán) 境的目 的,在 洪江波 等[11]的研究 工 作 中 也 可 以 得 到 證 實(shí) 。 目 前,國內(nèi)關(guān)于模擬深水下炸藥爆炸氣泡脈動(dòng)規(guī)律的實(shí)驗(yàn)研究鮮有報(bào)道。本文中在可模擬深水環(huán)境的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上較為系統(tǒng)地開展小當(dāng)量深水爆炸模擬實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證小當(dāng)量深水爆炸模擬實(shí)驗(yàn)的等效性,研究深水爆炸氣泡脈動(dòng)規(guī)律,結(jié)果表明:爆炸氣泡脈動(dòng)周期與模擬水深之間呈現(xiàn)出衰減趨勢,并擬合出相關(guān)衰減系數(shù)。

1 氣泡脈動(dòng)量綱一分析

為簡化力學(xué)方程組,得到影響氣泡脈動(dòng)的關(guān)鍵因素。忽略熱傳導(dǎo)和粘滯性等因素的影響,將水介質(zhì)簡化為理想不可壓縮流體。假設(shè)氣泡以球形運(yùn)動(dòng),設(shè)氣泡半徑為a,中心上浮速度為u,“流體靜力”深度(實(shí)際水深加10 m)為z,水密度為ρ0,沖擊波傳播至水中后爆轟產(chǎn)物的總能為Y,對應(yīng)的內(nèi)能為E(a)。則通過推導(dǎo)[2]得到氣泡的動(dòng)量方程和能量方程為:

無限水域中炸藥爆炸氣泡的運(yùn)動(dòng)特性由當(dāng)?shù)仂o水壓力及最初爆轟產(chǎn)物的尺寸、內(nèi)壓決定,其中靜水壓由水的重力效應(yīng)決定,而爆轟產(chǎn)物的性質(zhì)由炸藥種類、尺寸決定。對于2個(gè)不同尺寸炸藥水下爆炸的氣泡脈動(dòng)過程,若要保持兩者運(yùn)動(dòng)相似,由于長度比例尺不同,時(shí)間比例尺也要相應(yīng)變化,并使重力(流體 靜 壓 力)的 影 響 在 任 何 系 統(tǒng) 內(nèi) 部 都 相 同 。 即 量 綱 為 [L /T2]的 重 力 加 速 度g這 一 常 量 要 求 時(shí) 間 比 例 尺的增加為長度比例尺增加的平方根。假設(shè)長度比例尺用特征長度L來表示,將方程化為量綱一形式。設(shè)t、a、z的 量 綱 一 變 量 分 別 為,關(guān) 系 式 為,則 式(1)~(2)化 為:

式(3)已經(jīng)完全化為量綱一方程,而式(4)中等號(hào)左邊也已經(jīng)化為量綱一形式,則等式右邊必為量綱一形式,故可以取:

在炸藥密度不變的情況下,總 能Y 與 炸 藥 線性尺寸的立 方 成 正比。式(6)~(7)可 得 出 結(jié)論:對 不同比例尺下同一物理過程進(jìn)行等效換算時(shí),所有長度比例尺的變化應(yīng)該與藥包線性尺寸的3/4次方成正比;與此同時(shí),時(shí)間比例尺的變化應(yīng)該與藥包線性尺寸的3/8次方成正比。

對于 TNT 裝藥水下爆炸,R.H.Cole[2]提出了氣泡脈動(dòng)周期T和最大半徑Rm的經(jīng)驗(yàn)公式:

式中:w為裝藥質(zhì)量,H 為裝藥所處水深。可以看出,水下爆炸氣泡脈動(dòng)的周期和最大半徑的經(jīng)驗(yàn)公式符合量綱一分析得出的比例關(guān)系。

2 實(shí)驗(yàn)情況簡介

采用內(nèi)徑1.2 m 的爆炸容器,該容器可承受4 MPa靜水壓,密封性能良好,實(shí)驗(yàn)平臺(tái)布置如圖1所示。該平臺(tái)使 用自主 研發(fā)的 小當(dāng)量 球形精 密爆炸 源[12],可形成 球?qū)ΨQ 性 良 好 的 沖 擊 波 和 氣 泡。 裝 藥 實(shí)物圖如圖2所示,用直徑1 mm 的柔爆索中心起爆裝藥,柔爆索另一端與雷管底部相連。雷管引線經(jīng)法蘭轉(zhuǎn)接與容器外部起爆線路相連,從而實(shí)現(xiàn)雷管/柔爆索/藥球系統(tǒng)的起爆。在容器內(nèi)部不同爆心距處安裝有沖擊波壓力傳感器,傳感器傳輸線穿過法蘭并做密封處理后,接至外部適配器再與示波器相連,避免了水中轉(zhuǎn)接所可能出現(xiàn)的漏電情況。在容器外部設(shè)置光源,采用逆光的拍攝方式,使采光具有較強(qiáng)的表現(xiàn)力,被攝物體輪廓線清晰。高速相機(jī)拍攝頻率可達(dá)6 000 s-1,能夠拍攝到氣泡的脈動(dòng)過程。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1 Experimental apparatus

圖2 藥球?qū)嵨飯DFig.2 Explosive spheres

在進(jìn)行深水爆炸模擬實(shí)驗(yàn)時(shí),實(shí)驗(yàn)前向容器中注水,水位保證容器內(nèi)留有一定空間即可。實(shí)驗(yàn)時(shí)先將雷管/柔爆索/藥球系統(tǒng)經(jīng)法蘭固定在水域中并密封容器,然后使用空氣壓縮機(jī)經(jīng)法蘭轉(zhuǎn)接口向容器中充入高壓空氣。水深每增加10 m 靜水壓力上升1個(gè)大氣壓,故可將需要模擬的水深換算為實(shí)驗(yàn)所需達(dá)到的靜水壓。容器側(cè)面法蘭與藥球同等水位處安有壓力表,當(dāng)壓力表示數(shù)達(dá)到實(shí)驗(yàn)所需壓強(qiáng)時(shí),關(guān)閉加壓轉(zhuǎn)接口處的高壓球閥,空氣壓縮機(jī)停止工作。最后進(jìn)行起爆線路的連接,確保一切工況正常后起爆藥球?；ジ衅髟谄鸨}沖電流作用下感生觸發(fā)信號(hào)使示波器觸發(fā)并記錄沖擊波壓力信號(hào),高速攝影采用人工觸發(fā)的方式記錄藥球爆炸后氣泡的脈動(dòng)過程。

3 深水爆炸氣泡脈動(dòng)規(guī)律分析

3.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及氣泡脈動(dòng)現(xiàn)象

開展了0.125、0.5和1 g TNT 當(dāng)量藥球不同 模 擬 水 深下的爆炸實(shí) 驗(yàn)。利 用 高 速攝影技術(shù)獲 得 了氣泡的脈動(dòng)過程,并通過圖像處理得到氣泡脈動(dòng)周期和最大半徑的數(shù)據(jù)。圖3所示為0.6 MPa靜壓下1 g TNT當(dāng)量藥球爆炸氣泡脈動(dòng)過程。氣泡球?qū)ΨQ性良好,輪廓清晰。直觀結(jié)果顯示,氣泡脈動(dòng)過程與一般水下爆炸氣泡脈動(dòng)相似:炸藥爆轟產(chǎn)物在原有空間處形成最初的氣泡,隨后氣泡由快至慢的膨脹,當(dāng)膨脹至最大后,開始由慢至快的收縮,直至氣泡內(nèi)氣體壓力的減速作用使得氣泡表面水介質(zhì)速度為零,然后重新膨脹。表1所示為實(shí)驗(yàn)得到的各當(dāng)量藥球在不同模擬水深下爆炸氣泡脈動(dòng)的周期及最大半徑。由于實(shí)驗(yàn)光源調(diào)節(jié)不當(dāng),部分實(shí)驗(yàn)沒有獲得清晰的氣泡最大半徑的圖像,丟失實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖3 藥球爆炸氣泡脈動(dòng)過程Fig.3 Bubble pulse process in water area

表1 不同藥量不同模擬水深氣泡脈動(dòng)周期及最大半徑實(shí)驗(yàn)值Table 1 Experimental data of bubble period and maximum radius at different charge weight and water depth conditions

3.2 氣泡脈動(dòng)周期實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

與大水域中進(jìn)行的水下爆炸實(shí)驗(yàn)不同,實(shí)驗(yàn)在容器中完成,氣泡脈動(dòng)過程中不可避免的要受到?jīng)_擊波在容器內(nèi)部來回反射的影響。為驗(yàn)證影響程度的大小,對每種模擬深度下氣泡脈動(dòng)周期與炸藥的TNT當(dāng)量的關(guān)系進(jìn)行分析,結(jié)果如圖4所示。

由式(8)可知,在深度保持不變的情況下,氣泡脈動(dòng)周期與炸藥質(zhì)量的立方根呈線性關(guān)系。對于有邊界反射效應(yīng)的容器內(nèi)水下爆炸實(shí)驗(yàn),隨著實(shí)驗(yàn)藥量的增大,沖擊波在邊界反射后對氣泡脈動(dòng)過程的影響將越來越強(qiáng),最終使氣泡脈動(dòng)周期偏離與炸藥質(zhì)量立方根的線性關(guān)系。而從圖4中可以看出,對于每種模擬深度,氣泡脈動(dòng)周期隨 TNT當(dāng)量的立方根的增加均呈線性變化趨勢。因此認(rèn)為,容器邊界對氣泡脈動(dòng)過程的影響可以忽略不計(jì),實(shí)驗(yàn)結(jié)果能夠與無限水域下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果保持一致。

將每種當(dāng)量炸藥水下爆炸氣泡脈動(dòng)周期與模擬水深之間的關(guān)系進(jìn)行擬合,結(jié)果如圖5所示。圖中可見,每種當(dāng)量下實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)均在擬合曲線上,反映出在某種當(dāng)量下實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。不同的擬合曲線均呈現(xiàn)出相同的衰減趨勢,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)能夠一致體現(xiàn)氣泡脈動(dòng)周期隨水深增加的規(guī)律性。為了有效利用所有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),獲得深水爆炸氣泡脈動(dòng)周期隨水深增加的衰減系數(shù),對氣泡脈動(dòng)周期與 TNT當(dāng)量立方根之比和水深的關(guān)系用曲線擬合,結(jié)果如圖6所示。

圖4 相同模擬深度下氣泡脈動(dòng)周期與TNT當(dāng)量立方根的關(guān)系Fig.4 Relation between bubble period and cube root of TNT equivalent charge at the same simulated depth

圖5 不同當(dāng)量炸藥下氣泡脈動(dòng)周期與水深的關(guān)系Fig.5 Relation between bubble period and water depth under different TNT equivalent charges

圖6 氣泡脈動(dòng)周期與TNT當(dāng)量立方根之比隨水深增加關(guān)系Fig.6 Relation between ratio of bubble period and cube root of TNT equivalent charge and water depth

式中:T為氣泡脈動(dòng)周期,單位為s,w為藥量,單位為 kg,H 為水深,單位為 m。

3.3 氣泡脈動(dòng)最大半徑實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

將不同當(dāng)量炸藥水下爆炸氣泡脈動(dòng)最大半徑與水深之間的關(guān)系進(jìn)行擬合,如圖7所示。0.125、1 g TNT 當(dāng)量下,實(shí)驗(yàn)點(diǎn)與擬合曲線吻合良好,均符合氣泡脈動(dòng)最大半徑隨水深的曲線走勢。0.5 g TNT當(dāng)量藥球?qū)?yīng)數(shù)據(jù)點(diǎn)只有2個(gè),不進(jìn)行擬合,與其他兩條曲線比較,數(shù)據(jù)點(diǎn)符合曲線的走勢。將所有數(shù)據(jù)擬合至1條曲線上,氣泡脈動(dòng)最大半徑與TNT當(dāng)量立方根之比隨水深變化的擬合曲線如圖8所示。

圖6中大部分?jǐn)?shù)據(jù)點(diǎn)偏離擬合曲線較小。擬合曲線的衰減系數(shù)為-0.83,與量綱一理論分析得到的結(jié)果-5/6吻合較好,說明了實(shí)驗(yàn)?zāi)軌虻玫綔?zhǔn)確的氣泡脈動(dòng)周期隨水深變化的衰減規(guī)律。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到的氣泡脈動(dòng)周期公式:

圖7 氣泡脈動(dòng)最大半徑與水深的關(guān)系Fig.7 Relation between maximum bubble radius and water depth

圖8 氣泡脈動(dòng)最大半徑與TNT當(dāng)量立方根之比隨水深增加關(guān)系Fig.8 Ratio of maximum bubble radius and cube root of TNT equivalent charge varied with water depth

圖中大多數(shù)點(diǎn)都能與擬合曲線保持一致,表明不同當(dāng)量炸藥的實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致性較好,3種當(dāng)量藥球在不同水深爆炸均能得到符合客觀實(shí)際的氣泡脈動(dòng)最大半徑實(shí)驗(yàn)結(jié)果。曲線中有一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)偏離稍大,該數(shù)據(jù)是在調(diào)試實(shí)驗(yàn)中得到的,引入了較大的實(shí)驗(yàn)誤差。圖中擬合得到的衰減系數(shù)為-0.364,與無量綱理論分析得到的結(jié)果-1/3比較接近,說明了實(shí)驗(yàn)得到的氣泡脈動(dòng)最大半徑隨水深變化的規(guī)律是準(zhǔn)確的。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到的氣泡脈動(dòng)最大半徑公式:

式中:Rm為氣泡脈動(dòng)最大半徑,單位為 m,w為藥量,單位為 kg,H 為水深,單位為 m。

4 結(jié) 論

為研究深水爆炸氣泡脈動(dòng)規(guī) 律,基于小 當(dāng)量炸藥深水爆 炸模擬 實(shí)驗(yàn)平 臺(tái),開展了 0.125、0.5、1 g TNT當(dāng)量藥球不同模擬水深下的爆炸實(shí)驗(yàn),得出結(jié)論如下:(1)容器壁面對氣泡脈動(dòng)過程影響可以忽略,在該容器內(nèi)實(shí)驗(yàn)得到的氣泡脈動(dòng)過程與無限水域情況下是一致的。(2)每種當(dāng)量炸藥水下爆炸氣泡脈動(dòng)周期及最大半徑符合隨水深增大而不斷減小的規(guī)律,不同當(dāng)量之間氣泡脈動(dòng)周期及最大半徑與水深的關(guān)系曲線走勢一致。(3)根據(jù)所有數(shù)據(jù)的擬合結(jié)果,深水爆炸氣泡脈動(dòng)周期及最大半徑隨流體靜力深度增加的衰減系數(shù)分別為-0.83和-0.364,與量綱一分析的結(jié)果相近。

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Experimental research on bubble pulse of small scale charge exploded under simulated deep water

Ma Kun,Chu Zhe,Wang Ke-hui,Li Zhi-kang,Zhou Gang
(Northwest Institute of Nuclear Technology,Xi’an 710024,Shaanxi,China)

For investigating bubble pulse of small scale charge exploded under deepwater in the laboratory,an experiment platform of charge exploded under simulated deepwater is established by means of adding atmospheric pressure over the water surface to increase the hydrostatic pressure.Experiments of 3 small scale charges exploded under different simulated deepwater environments are conducted.Images of bubble pulse process are gained.The equivalence between experiments of small scale charge exploded under simulated deepwater and experiments under free-field is validated.The variations of the period and the maximum radius of bubble pulse depending on the water depth are analyzed.Passing through these experiments,the reflection effect from the containment vessel shell can be neglected for the bubble pulse process,and the simulated deepwater environment can be regarded as real free-field deepwater environment.When increasing the hydrostatic water depth,the attenuation coefficients of the period and the maximum radius of bubble pulse of small scale charge exploded under deepwater are-0.83 and-0.364,respectively.

mechanics of explosion;bubble pulse period;attenuation coefficient;underwater explosion;simulated deep water

O383.1國標(biāo)學(xué)科代碼:1303520

:A

10.11883/1001-1455-(2015)03-0320-06

(責(zé)任編輯 王易難)

2013-10-17;

2014-02-28

馬 坤(1986— ),男,碩士研 究生,助理 研究員,makun@nint.ac.cn。