水下爆炸气泡射流现象的试验研究
近自由面水下爆炸气泡现象的数值仿真研究
。
水下 爆炸 主要 由 ２个 阶段组 成 ： 冲击 波 阶段 和气
泡脉 动 阶段 。２ ０世 纪 ９ ０年 代 以来 ， 内外 对 冲击 波 国 阶段 的研 究成果 比较 丰 富 ， 从远 场 到近场 的非 接触 爆 炸再 到接 触爆炸 ， 有 相 应 的数 值 仿 真 方 法 ， 有 大 都 并
（ ｏｌｇ ｆＮａ ａ ｃ ｉ ｃｕｅａ ｄ Ｐ ｗｅ ， ｖ ｌＵｎｖ ｒｉ ｆＥｎ ｉｅ ｒｎ ， ｈ ｎ ４ ０ ３ Ｃｈｎ ） Ｃ ｌ ｅｏ ｖ ｌＡｒｈｔ ｔｒ ｎ ｏ ｒ Ｎａ ａ ｉｅｓｔ ｏ ｇｎ ｅｉｇ Ｗｕ ａ ３ ０ ３， ｉａ ｅ ｅ ｙ
Ａ ｂ ｔ ａ ｔ Ｉ ｒ ｅ ｏ ｕ ｄ ｒｔｎ ｈ ｈ ｒ ｃｅ ｓ ｏ ｈ ｕ ｂ ｅ ｎｄ ｅ ｙ ＵＮＤＥＸ ｅ ｒ ａ ｆｅ ｕ — ｓｒ ｃ ： ｎ ｏ ｄ ｒｔ ｎ ｅ ｓａ ｄ ｔ ｅ ｃ ａ ａ ｔ ｒ ｆｔ ｅ ｂ ｂ ｌｓ ｉ ｕｅ ｄ ｂ ｎ ａ ｒ ｅ ｓ ｒ
Ｎｕｍ ｅ ｉ ａ ｉ ｕ ａｔｏ ｔ ｄｙ ｏ ｂｂ ｅ ｎ ｃ ｄ ｂｙ ＵＮ Ｄ ＥＸ ｅ ｒ ａ ｆ ｅ ｕ ｆ ｃ ｒｃ ｌｓｍ ｌ ｉ ｎ ｓ ｕ ｆｂｕ ｌｓ ｉ ｄｕ ｅ ｎ ａ ｒ ｅｓ ｒａ ｅ
ＭＵ ｉ ｌｉ Ｊｎ—ｅ ，ＺＨＵ ，ＺＨＡＮＧ ｅ — ｕ Ｘｉ Ｚｈ ｎ ｈ ａ
ｓｍｕ ａ ｅ ｔ ｅ ｂ ｂｂｅ ａ ｈ ｅｓ ｐ ｅ ｏ ｎ ｅ ｒａ ｆｅ ｕ ｆ ｃ ． ｉ ｌ ｔ ｈ ｕ ｌ ｎｄ ｔ ｅ ｉｔ ｈ ｎ ｍｅ ａ ｎ ａ ｒ ｅ ｓ ｒａ ｅ
Ｋｅ ｒ ｓ ｕ ｄ ｒ ａｅ ｘ ｌｓ ｎ ｕ ｂｅ ｉ ｕｓ ｎ； ｅ ｒｍ ｏｌｐｉｇｂ ｂ ｌ ；ｎ ｍｅｉａ ｓ ｌｔ ｎ ｙ ｗｏ ｄ ： ｎ ｅｗ ｔｒｅｐｏｉ ；ｂ ｂ ｌ ｍｐ ｌ ｏ ｊｔ ｏ ｃ ｌ ｓ ｕ ｂｅ ｕ ｒ ｌ ｉ ａｉ ｏ ｉ ｆ ａ ｎ ｃ ｍｕ ｏ
水中电爆炸气泡动态特性试验研究
关键词 ：水 下 电爆炸 中图分 类号 ：Ｔ Ｊ ５
高 速摄 影
气泡
脉动
射 流 文 章编 号 ：１ ０ ０ ３ － ４ ８ ６ ２（ ２ ０ １ ３ ）０ ５ — ０ ０ ２ ３ － ０ ４
船 电技 术 １ 应用
赵 海峰 ， 操 戈
（ １ ．海 军工程 大 学，武汉 ４ ３ ０ ０ ３ ３ ； ２ ．海 军某代 表 室 ，武 汉 ４ ３ ０ ０ ６ ０ ） 摘 要 ： 由于 现实 大药 量水 下爆 炸 实验 的气 泡运 动性 态 ，难 以很好 地利 用高 速摄 影进 行拍摄 。本 文通 过 自 主 设计 的实验 电路 ，模拟 水下 电爆 炸 的各种工 况 ，证 明 了低 电压 充放 电电路实现 水下微 型 电爆炸 的可 能性 ，
（ １ ． Ｎａ ｖ ａ ｌ Ｕｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ｏ ｆ Ｅ ｎｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ ， Ｗｕ ｈ ａ ｎ ４ ３ ０ ０ ３ ３ ， Ｃｈ ｉ ｎ ａ ； ２ ． Ｎａ ｖ ａ ｌ Ｒｅ ｐ ｒ ｅ ｓ ｅ ｎ ｔ ａ ｔ ｉ ｖ ｅ ｓ Ｏｆ ｆ ｉ ｃ ｅ ｉ ｎ Ｗｕ ｈ ａ ｎ ， Ｗｕ ｈ ａ ｎ ４ ３ ０ ０ ６ ０ ，
０ 引 言
研 究 水 下 爆 炸 的特 性 ，除 了之 前 较 为 系 统 的
光 测 效 果 更 好 的 电爆 炸 ，并 结 合 高 速 摄 影技 术 进 行 试 验 ，取 得 了令 人 满 意 的 效 果 。如 Ｃ ｈ ａ ｈ ｉ ｎ ｅ ］ ， Ｂ ｌ ａ ｋ ｅ ｊ 等和张寒 虹１ ５ － ７ １ 等 研 制 的 高 压 电水 下 电爆 炸 装 置 ，Ｔ ｕ ｒ ａ ｎ ｇ ａ ｎ ［ ８ ］ 等 和 张 阿 漫 等 研 制 的 低 压 电 水 下 电爆 炸 装 置 。
水下爆炸气泡射流作用下固支方板动态响应的数值仿真研究
“ ｕ 。ｄ—ｆｉ （ ＋ ａ Ａｄ ２ ） ｐＡ ） ｎ
芸 ｅ＋ （ ，Ｌ ｄ（ ｄ ｅ’ｄ一 “ｉ ３ ｚ４ ｐＡ ） ） ｎ
式中： 体积 ； ４ —该 体积 区域 的边 界 ； —
咒 —边 界上 的法 向量 ； —
收稿 日期 ： １ １ ０ ２ ０— ２— ９ ０
修 回 日期 ：０ １ ０ ２ １ — ４—１ ４
拉 单元 最 多可 以有 五种 材料 。
１ ２ 材 料状 态方 程 ．
在水 下爆 炸 问题 的仿真 研究 中涉及 空气 、 、 水 炸药及 金 属 。各 种 材 料 本构 关 系 选 取是 否 恰 当 ， 直接关 系 到计算 结果 的精度 。 仿 真计 算 中认为 空气是 理想 气体 ， 并且 满足
结构的整体毁伤， 当气泡脉动周期与舰船低阶振 动频 率接 近 时 可 能 引起 舰 船 结 构 的 “ 状 响应 ” 鞭 （ ｉｐｎ ） ， Ｗｈｐｉｇ Ｊ当气 泡 尺寸 较 大 时可 能造 成 舰 船 浮力 损失 ， 进而 造 成 整 体破 坏 ｌ 。药 包 在 结 构 近 ２ Ｊ
场爆 炸时 ， 气泡 受 到结 构 等 边界 影 响容 易 形 成射 流 ， 流载 荷也 可 能 对 结 构产 生 毁 伤 作用 。对 于 射 水下爆 炸气 泡运 动及 其塌 陷形成 射流 的过程 已有 很多 研究 ４ ， 。在射 流 形 成 的条 件 、 流 的影 响 因 射
１ ７ ０
第一作者简介 ： 孟
涛（ ９ ９一） 男 ， １６ ， 博士生。
研究方向 ： 水下爆炸及毁伤效应。
Ｅ－ ａ ｌ ｑ ｎ ｖ ｍｔ １ ３ ｃ ｒ ｍ ｉ：ｄ ａｙ ＠ ６ ． ｏ ｎ
CL-20基炸药水中爆炸气泡脉动实验研究
第38卷第4期爆炸与冲击V o l.38,N o.4 2018年7月E X P L O S I O N A N DS HO C K WA V E S J u l.,2018D O I:10.11883/b z y c j-2017-0093文章编号:1001-1455(2018)04-0855-08C L-20基炸药水中爆炸气泡脉动实验研究*冯凇1,饶国宁1,彭金华1,汪斌2(1.南京理工大学化工学院,江苏南京210094;2.中国工程物理研究院流体物理研究所冲击波物理与爆轰物理重点实验室,四川绵阳621999)摘要:为研究C L-20基炸药㊁C L-20基含铝炸药水下爆炸气泡脉动情况,在2mˑ2mˑ2m的实验水箱中开展小当量实验,采用高速摄影技术,得到炸药水中爆炸冲击波传播曲线,同时清晰地观测到气泡的产生㊁膨胀和收缩过程㊂拟合得到气泡脉动过程中气泡半径㊁速度㊁加速度对时间的变化曲线,对比分析了C L-20含铝与非含铝炸药水下爆炸气泡脉动规律㊂在实验条件下,首次直观地拍摄到C L-20含铝炸药水下爆炸的二次反应放热现象㊂实验表明:C L-20基含铝炸药的气泡半径㊁脉动周期都明显升高,半径增大13.7%,周期增大6.9%;冲击波峰值压力略有下降;水下爆炸测试技术以及高速摄影技术是研究观测含铝炸药二次反应的有效手段㊂关键词:气泡脉动;高速摄影;C L-20;含铝炸药;二次反应中图分类号:O381国标学科代码:13035文献标志码:A六硝基六氮杂异伍兹烷(C L-20)是一种高能量密度炸药[1],其爆压㊁爆速等参数均优于奥克托今(HM X)[2],在C L-20炸药中加入金属粉(铝粉)可以大幅度提高其爆炸能量[3-5]㊂随着当代水下武器的发展,提高炸药的水中爆炸威力一直是各国科研人员的研究热点㊂目前,C L-20基及其含铝炸药已经陆续应用到水下武器战斗部中[6]㊂炸药水中爆炸后,首先在水介质中产生初始冲击波并向四周传播,随后爆炸产物在水介质中形成气泡,开始不断的收缩与膨胀[7]㊂冲击波载荷与气泡脉动载荷对于水下舰船㊁潜艇将产生一定程度的损害,但二者引起的毁伤却并不相同㊂虽然气泡脉动的压力要远小于冲击波压力,但其作用时间却远大于冲击波,尤其当爆炸中心距离附近目标物较近时,会产生 鞭状效应 [8],造成目标物结构的破坏,这对于研究炸药水中气泡脉动过程具有重要的战略意义㊂在实验室条件下,汪斌等[9]采用高速摄影技术得到P E T N水下爆炸的气泡脉动过程以及水射流过程㊂王树山等[11]利用高速录像技术得到R D X水下爆炸气泡脉动过程与水幕形成过程㊂马坤等[12采用1.2m爆炸容器模拟深水爆炸过程,利用高速相机拍摄小当量T N T深水下爆炸气泡脉动过程,拟合得到气泡脉动周期与气泡最大半径随爆炸深度增大的衰减系数㊂然而,前人的研究主要针对理想炸药气泡脉动情况,关于含铝炸药的气泡脉动实验鲜有报道㊂在此基础上,本文中利用高速摄影技术,观测C L-20基炸药和C L-20基含铝炸药水中爆炸气泡脉动过程,对比分析二者水下爆炸气泡运动时的不同现象;分析铝粉对于气泡脉动过程的影响规律,为计算炸药的能量输出规律提供实验数据,为水下爆炸武器㊁水下爆炸气泡动力学提供数据研究基础㊂1实验部分1.1实验样品实验样品包含2种配方圆柱形压装药柱,每种配方2发,共4发,实验药柱的具体状态如表1所示㊂图1为水中爆炸实验时所用药柱㊂*收稿日期:2017-03-27;修回日期:2017-06-02基金项目:国家自然科学基金项目(11102091);高等学校博士学科点专项科研博导类基金项目(20113219110010)第一作者:冯凇(1989- ),男,博士;通信作者:饶国宁,n j r a o g u o n i n g@163.c o m㊂表1实验药柱参数T a b l e 1P a r a m e t e r s o f e x pl o s i v e g r a i n 工况炸药公式炸药尺寸/(mmˑmm )密度/(g㊃c m -3)1C L -20/E s t a n e /G /W ⌀15ˑ14.681.929295/3.5/0.5/1⌀15ˑ14.681.9293C L -20/A l /E s t a n e /G /W ⌀15ˑ14.211.993480/15/3.5/0.5/1⌀15ˑ14.201.994图1实验药柱F i g .1C h a r ge c o l u m n 1.2 实验装置实验在2mˑ2mˑ2m 的水箱中进行,水箱由5mm 厚的钢板焊接而成,内装自来水,水面高度为1.6m ,炸药位于水箱水平面的中心位置,实验时利用细线将装配好的待测药柱悬挂在水中,药柱距离水箱底部的距离为0.8m ,距离水面的距离也为0.8m ㊂药柱中心㊁压力传感器和高速摄像机处于同一条水平直线上,实验选用P C B 138系列水下爆炸压力传感器,传感器的灵敏度为0.1445V /M P a,传感器敏感部位与炸药中心位于同一高度,药柱中心与传感器的距离为0.7m ,与高速摄像机的距离为1.4m ,高速摄像机为A P X -R S 数字式高速相机,拍摄频率为10000s -1,在1m s 内能够得到10幅气泡脉动图像,实验采用L E D 冷光源作为外照明光图2爆炸水箱示意图F i g .2I l l u s t r a t i o no f e x pl o s i o nw a t e r t a n k 源,其发出的光线亮度高㊁显色好,满足实验要求㊂ 炸药在水箱中爆炸时,为了避免来自界面处反射波对冲击波以及气泡脉动信号的影响[13],实验设计时,在水箱内壁周围粘贴一层白色吸波材料,当冲击波波阵面传至水箱界面时,消除强反射冲击波,保证测量数据不受干扰[14],装置如图2所示㊂1.3 实验过程如图3所示,实验中以同步脉冲发生器为高压起爆台,由高速摄影机及示波器提供触发信号,以实现实验控制台和各类数据的记录同步㊂药柱起爆后,高速摄相机获得气泡脉动图像,P C B 传感器测得冲击波压力㊂图3测试系统示意图F i g .3I l l u s t r a t i o no f t h e t e s t s ys t e m 658爆 炸 与 冲 击 第38卷2 结果与讨论2.1 C L -20基理想炸药气泡脉动1号药柱与2号药柱,为平行实验,实验结果重复性较好,此处我们以2号药柱为例㊂实验得到的C L -20基理想炸药气泡脉动过程,如图4所示,从图中可以清晰地观测到2号药柱水下爆炸气泡的产生㊁膨胀和收缩过程㊂炸药起爆后,高温高压的爆炸产物剧烈压缩周围水介质,并迅速向外膨胀,形成爆炸气泡,此时气泡内压力最大,且不均匀分布,气泡内有少量的爆轰产物从气泡表面溢出(t =0.2m s);随着气泡膨胀增大,气泡内部压力逐渐减小,由于惯性的作用,气泡过度膨胀,t =22.5m s 附近时,气泡膨胀到最大半径为59.9c m ,此时气泡内压力最小,气泡膨胀过程基本呈球形,膨胀过程中气泡的中心位移很小,几乎保持不动㊂由于气泡的过度膨胀,气泡在静水压力作用下收缩,气泡半径迅速减小:t =41.0m s 时,气泡仍为球形;t =45.1m s 时,气泡下表面收缩速度更快,底部先开始坍塌,向气泡内部凹陷,产生竖直向上的射流;t =46.4m s 附近时,气泡收缩至最小半径并迅速上浮,从气泡收缩过程开始,图42号药柱水中爆炸后气泡脉动过程图像F i g .4E x p e r i m e n t a l p i c t u r e s o f b u b b l e p u l s e f o r c a s e 2u n d e r w a t e r e x pl o s i o n 图5距离2号药柱0.7m 处压力时程曲线F i g.5P r e s s u r e h i s t o r i e s o f s h o c kw a v e a t 0.7mo f c a s e 2c h a r ge c o l u m n 气泡表面爆炸产物溢出时产生清晰迹线,此时气泡内的压力远高于周围流体压力,气泡将再次膨胀;t =47.1m s 时,气泡上表面开始向上凸起;t =50.2m s 时,气泡继续膨胀,同时不再是规则的球形,随着爆炸产物的溢出,气泡表面也不再是光滑的表面㊂随后,气泡又开始新一轮的脉动,随着脉动过程中能量的消耗,各气泡脉动周期和气泡半径极大值逐渐减小,直至气泡能量被消耗殆尽㊂ 实验得到距药柱0.7m 处压力时程曲线,如图5所示㊂从图5中可以清晰地分辨出冲击波㊁第一次气泡脉动㊁第二次气泡脉动压力及周期,实验数据没有明显的干扰信号㊂由图5可知,首先传播的是初758 第4期 冯 凇,等:C L -20基炸药水中爆炸气泡脉动实验研究始冲击波,冲击波峰值压力高,压力为15.49M P a ,持续时间短,波形陡峭㊂冲击波过后,当气泡半径达到最大值时开始收缩,水中压力将低于静水压力,出现负压;而后当气泡半径邻近最小值时,水中的压力又逐渐上升,出现二次压力波,二次压力波的峰值压力虽远低于冲击波的峰值压力,但持续时间长,基本呈对称形状㊂因此其作用不容忽视,如图6所示㊂二次压力波之后还会出现三次压力波,二次压力波和三次压力波之间也会出现负压,但是二次压力波过后的气泡能量所剩无几,其作用可忽略不计,在此不作相关讨论㊂图6距离2号药柱0.7m 处冲击波压力与气泡第一次脉动压力时程曲线F i g .6P r e s s u r eh i s t o r i e s o f s h o c kw a v e a n db u b b l e p u l s e s a t 0.7mo f c a s e 2c h a r ge c o l u m n 2.2 C L -20基含铝炸药气泡脉动实验得到的C L -20基含铝炸药气泡脉动过程如图7所示㊂以3号药柱为例,与理想炸药相比,二者的气泡脉动规律大体一致㊂当t =25.3m s 附近时,气泡膨胀到最大(半径为68.1c m );t =50.2m s 附近时,气泡半径收缩至最小㊂对于含铝炸药,C o o k 等[15]提出了二次反应理论,首先是单质炸药和其他组分的爆轰,其次是在C -J 面之后,铝粉与爆轰产物间的二次氧化反应㊂二次反应放热发生时刻为炸药爆轰后的十几到几十微秒,铝粉相对于炸药是惰性物质,在反应动力学上对反应物的浓度起稀释作用,因而导致爆速㊁爆压及波阵面上的化学能降低㊂C L -20基含铝炸药达到气泡半径最大的时间以及气泡半径都比理想炸药大一些,这些都充分说明了含铝炸药二次反应放热的特点㊂图8反映了含铝炸药二次图73号药柱水中爆炸后气泡脉动过程图像F i g .7I m a g e s o f b u b b l e p u l s e f o r c a s e 3u n d e r w a t e r e x pl o s i o n 858爆 炸 与 冲 击 第38卷图83号药柱水中爆炸后气泡脉动过程铝粉二次反应图像F i g .8B u b b l e p u l s e f o r c a s e 3s e c o n d a r y r e a c t i o n p r o c e s s o f a l u m i n u mu n d e r w a t e r e x pl o s i o n 反应放热的现象:炸药爆轰结束后,铝粉与爆炸产物的二次反应放出大量的热,使气泡内的反应产物温度不断升高;在气泡收缩至最小半径时,此时气泡内压力最大,在持续的高压与高温作用下,气泡内部高图9距离3号药柱0.7m 处压力时程曲线F i g.9P r e s s u r eh i s t o r i e s a t 0.7m o f c a s e 3c h a r ge c o l u m n 温的二次反应产物产生火球㊂摄像机以幅频10000s -1拍摄,在1m s 内能够得到10幅气泡脉动图像,而气泡内部捕捉到49.5~49.8m s 四张图片,时间间隔只有0.4m s ,这也充分体现了高幅频摄像机在观测水下爆炸气泡实验中的优势㊂实验得到距C L -20基含铝炸药0.7m 处压力时程曲线,如图9~10所示㊂对比图5,C L -20基含铝炸药与C L -20基理想炸药水下爆炸冲击波传播规律大体相同,峰值压力为15.20M P a ,略低于C L -20基理想炸药;此外,从2幅图中可以直观地看出,2种炸药的脉动周期㊁二次压力波的大小及区别㊂4发实验水下爆炸参数如表2所示,1与2,3与4为平行实验,从实验结果来看,重复性较好㊂图10距离3号药柱0.7m 处冲击波压力与气泡第一次脉动压力时程曲线F i g .10P r e s s u r eh i s t o r i e s o f s h o c kw a v e a n db u b b l e p u l s e s a t 0.7mo f c a s e 3c h a r ge c o l u m n 表2实验药柱参数T a b l e 2P a r a m e t e r s o f e x pl o s i v e g r a i n 工况脉动周期/m s气泡半径/c m压力峰值/M P a146.7560.615.52246.7659.915.49349.9768.115.20450.4367.615.12958 第4期 冯 凇,等:C L -20基炸药水中爆炸气泡脉动实验研究2.3 C L -20基理想炸药与含铝炸药气泡脉动对比由图4和图7可以看出,气泡在膨胀阶段基本为球形,气泡收缩阶段为不规则球形,为了对比C L -20基理想炸药(2号药柱)与含铝炸药(3号药柱)的气泡脉动情况,对气泡半径进行近似处理㊂图11为2号药柱与3号药柱水下爆炸气泡半径随时间的变化曲线㊂与理想炸药相比,含铝炸药爆轰后气泡脉动周期较长,气泡半径较大:对于2号药柱非含铝炸药,气泡的脉动周期为46.76m s ,气泡最大半径为59.9c m ,3号药柱含铝炸药,气泡的脉动周期为49.97m s ,气泡最大半径为68.1c m ;C L -20基含铝炸药的气泡半径㊁脉动周期都明显升高,半径增大13.7%,周期增大6.9%㊂ 将气泡脉动过程中的直径-时间变化关系对时间微分,可以得到气泡膨胀㊁收缩速度随时间变化的关系曲线[16](图12)㊂图12中纵坐标为正值的曲线段对应气泡膨胀过程,炸药爆轰结束后,对应气泡膨胀速度最大,2号药柱起始膨胀速度约为132m /s ,3号药柱起始膨胀速度约为138m /s ,随着时间的推移,气泡膨胀速度逐渐减小直至零,此时对应气泡最大半径,气泡停止膨胀;纵坐标为负值的曲线段对应气泡收缩过程,随着时间增大收缩速度绝对值逐渐增大,2号药柱气泡收缩最大速度约109m /s (t =44.1m s ),3号药柱气泡收缩最大速度约为105m /s (t =48.0m s ),达到最大收缩速度后,气泡继续收缩同时收缩速度逐渐减小,当收缩速度为零时,气泡达到最小半径,此后气泡继续下一轮的膨胀和收缩㊂由于气泡脉动过程中抵抗水的阻力消耗了部分能量,气泡的起始膨胀速度大于收缩阶段的最大速度㊂从图12可以看出,速度纵坐标为正值代表气泡膨胀阶段,3号药柱气泡曲线段在2号药柱曲线段上方,说明含铝炸药气泡膨胀速度大于非含铝炸药,由于铝粉与爆炸产物的二次反应放热,使气泡内的压力升高导致膨胀速度加快;速度纵坐标为负值即气泡收缩阶段,3号药柱气泡曲线段在2号药柱曲线段上方,说明2号药柱非含铝炸药气泡收缩速度大于3号药柱含铝炸药,因为气泡收缩过程由流场中周围流体静压力驱动,当周围水的静水压力相同时,3号药柱含铝炸药气泡收缩速度小,表明3号药柱含铝炸药气泡内压力比2号药柱非含铝炸药气泡大,这从侧面反应了铝粉的二次反应放热特点㊂图11脉动过程中气泡半径随时间的变化F i g.11V a r i a t i o no f b u b b l e r a d i u s w i t h t i m e i n p u l s e p r o c e ss图12脉动过程中气泡膨胀㊁收缩速度随时间的变化F i g .12V a r i a t i o no f e x p a n d i n g a n d c o n t r a c t i n g ve l o c i t i e s of t h eb u b b l ew i t h t i m e i n t h e p u l s e p r o c e s s将气泡脉动速度时间关系曲线对时间微分,拟合得到气泡脉动加速度随时间变化关系[16],如图13所示㊂气泡膨胀过程中加速度的绝对值逐渐减小,即膨胀速度变化逐渐减慢,对应图12中速度曲线逐渐平缓以及图11中气泡半径逐渐增大;气泡收缩过程加速度绝对值逐渐增大,即速度变化加快,对应图12中速度曲线逐渐陡峭以及图11中气泡半径逐渐变小㊂从图13中可以看出,气泡刚开始膨胀阶段,2号药柱非含铝炸药气泡加速度绝对值要大一些,随着气泡的继续膨胀,3号药柱含铝炸药气泡加速度绝对值慢慢超过2号药柱非含铝炸药直至气泡最大半径处,加速度绝对值接近于零;随后气泡开始收缩,2号药柱非含铝炸药气泡加速度绝对值大于3号药柱含铝炸药,这都是含铝炸药中铝粉二次反应的缘故,释放的热量继续支持气泡的脉动过程㊂068爆 炸 与 冲 击 第38卷图13脉动过程中气泡膨胀㊁收缩加速度随时间的变化F i g .13V a r i a t i o n o f e x p a n d i n g a n d c o n t r a c t i n g ac c e l e r a t i o n s o f a b u b b l ew i t h t i m e i n t h e p u l s e p r o c e s s 3 结 论为研究C L -20基及其含铝炸药水下爆炸气泡脉动过程规律,采用水箱实验及高速摄影技术,基于小当量炸药水中爆炸试验,得到结论如下:获得C L -20基及其含铝炸药气泡脉动过程的图片,水中爆炸冲击波传播曲线;拟合得到气泡半径㊁速度㊁加速度与时间的变化曲线,对比分析发现,C L -20基含铝炸药的气泡半径㊁脉动周期都明显升高,半径增大13.7%,周期增大6.9%,冲击波峰值压力略有下降,C L -20基含铝炸药气泡膨胀速度快,收缩速度慢;在实验条件下,通过高速摄相技术,捕捉到C L -20基含铝炸药中铝粉与爆炸产物的二次反应放热,致使反应产物产生火球现象,可为今后的含铝炸药爆炸机理的研究提供了有效的实验手段㊂ 感谢中国工程物理研究院化工材料研究所聂福德研究员和杨志剑助理研究员提供的实验样品。
水中爆炸气泡脉动现象的实验研究
膨胀 阶段 ， 泡 中心 位 置 保 持 不 变 ， 着体 积 的不 断 缩 小 ， 泡 上 浮 越 来越 明 显 。受 重力 影 响 ， 泡 下 表 面 收 气 随 气 气
水 中爆 炸气 泡脉 动 现 象 的实验研 究
汪 斌， 张远平， 王彦平
（ 国 工程 物 理 研 究 院 流 体 物 理研 究 所 冲击 波 物理 与爆 轰 物 理实 验 室 ， 中 四川 绵 阳 ６ １０ ） ２ ９ ０
摘 要 ： 实 验 水 箱 中 采 用 高速 摄 影 技 术 获 得 了炸 药水 中爆 炸气 泡 脉 动 过 程 图像 。实 验 结 果 表 明 ： 长径 在 短
缩 速 度高 于 上 表 面 ， 收 缩 至 最 小 时 下 表 面 向上 冲 顶 ， 泡 溃灭 形 成 水 射 流 。 在 气 关键 词 ： 炸 力 学 ； 泡 脉 动 ； 中爆 炸 ； 射 流 爆 气 水 水
中 图分 类 号 ： ８ ． ０３ ３ １ 国标 学 科 代 码 ：１ ０・ ５ ３ ３ 文 献 标 志码 ： Ａ
第６ 期
汪
斌 等 ：水 中爆 炸 气泡 脉 动 现 象 的实 验 研 究
贴有一 层 ２ 厚 的低 密度 吸能 材料 ， ０ｍｍ 实验 结果 表 明采用 此方法 可 以显 著提 高数据 真实 性和 气泡 图像
质量嘲 。
３ 实验 结果 及 分 析
３ １ 气 泡脉 动 图像 ．
３种规格 Ｐ Ｔ 炸 药柱 水 中爆炸 后 的典 型气泡 脉动 过程 图像 如 图 ２所 示 ， 中从 左 至右 列 出 了气 Ｅ Ｎ 图 泡 产生 、 胀 至最 大 以及 收缩 至 最小 的整 个脉 动过 程 。本 文 中 以 ４ ５ｇＰ ＴＮ 炸 药水 中爆 炸 气 泡脉 动 膨 ． Ｅ 过程 为例分 析 相关现 象 ： 炸药起 爆 时刻 为 ｔ ， 中黑 线 为起 爆 电缆 ， 部 白色 细线 为鱼 线 ， 固定 ＝０ｍｓ 图 底 在 炸药 的 同时可 以减少 外 界条 件对 气泡 脉动 过程 的影 响 。炸药 起爆 以后 ， 温 高 压 的爆 炸产 物 压缩 周 围 高 流体 ， 迅速 向外 膨胀 ， 成一个 爆 炸气 泡 ， 上表 面受 雷管 套 等残余 物 影 响 而变 得 不清 晰 。随 着气 泡 体 形 其 积 的增 大 ， 泡 内气体 压 力逐渐 减 小 ， 胀速 度逐 渐降低 ， 气 膨 当气 泡 内气体压 力 和周 围流体静 压相 等时 ， 由
潜水内爆炸实验报告(3篇)
第1篇一、实验目的本次实验旨在通过模拟潜水内爆炸现象，研究爆炸对潜水器及周围环境的影响，为潜水器设计和安全防护提供理论依据。
二、实验背景随着深海探测技术的不断发展，潜水器在深海探测任务中发挥着越来越重要的作用。
然而，潜水器在深海作业过程中，面临着来自水压、生物、物理等多种风险。
其中，潜水器内部爆炸事故一旦发生，将对潜水员的生命安全造成极大威胁。
因此，研究潜水内爆炸现象，提高潜水器安全性能具有重要意义。
三、实验内容1. 实验材料（1）潜水器模型：采用1:10比例的潜水器模型，模拟实际潜水器结构。
（2）爆炸装置：选用TNT炸药作为爆炸源。
（3）传感器：包括压力传感器、温度传感器、加速度传感器等，用于监测爆炸过程中的各项参数。
（4）实验水池：模拟深海环境，水池深度为10米。
2. 实验步骤（1）将潜水器模型放入实验水池，确保其稳定性。
（2）在潜水器模型内部安装爆炸装置，确保爆炸源位于潜水器中心位置。
（3）将传感器连接至潜水器模型，并对传感器进行校准。
（4）启动爆炸装置，记录爆炸过程中的各项参数。
（5）观察潜水器模型及周围环境的损坏情况。
四、实验结果与分析1. 爆炸过程实验过程中，爆炸装置成功引爆，爆炸瞬间潜水器模型发生剧烈振动，压力、温度、加速度等传感器数据迅速上升。
爆炸过程中，潜水器模型周围水花四溅，实验水池水面出现大量气泡。
2. 潜水器模型损坏情况爆炸后，潜水器模型出现以下损坏情况：（1）壳体出现裂缝，部分区域出现变形。
（2）内部仪器设备损坏，部分部件丢失。
（3）模型周围水花四溅，实验水池内出现大量气泡。
3. 爆炸对周围环境的影响爆炸过程中，潜水器模型周围水花四溅，实验水池内出现大量气泡。
爆炸产生的冲击波对周围环境产生一定影响，但未对实验水池其他设施造成损坏。
五、实验结论1. 潜水内爆炸会对潜水器结构造成严重损坏，影响潜水器内部仪器设备正常运行。
2. 爆炸产生的冲击波对周围环境有一定影响，但未对实验水池其他设施造成损坏。
水下爆炸中的流体力学
d divV dt
c2 dP d
式中： V-速度矢量，m/s； P-压力，Pa；
-介质密度， kg / m3 ；
c-介质波速，m/s 分析水下爆炸的问题过程中， 由于冲击波通过介质后熵值变化很 小，接近于等熵过程。水的等熵状态方程为：
水下爆炸中的流体力学
一、绪论
水下爆炸炸药、鱼雷、炸弹或核弹等在水中的爆炸,是一个极短 时间内，在有限体积或面积上发生极大能量转换的过程。其过程大体 可分为三个阶段：装药的爆轰、冲击波的产生、气泡的形成和脉动。 由于水下爆炸冲击波的强破坏效应，故在国防军事、国民经济建 设、生物医学等领域都具有重要地位。水下爆炸冲击波的传播规律及 其动力效应是水利水电工程、 航运工程和爆破工程等领域关注的一个 重要问题,直接关系到水下设施的安全和容器状构筑物爆破拆除参数 的合理选取,因而具有重要的工程价值和理论意义。军事上，对水下 爆炸冲击波的研究一直是舰船抗爆保护的重点。 目前,国内外水下爆炸的研究主要趋向于理论分析、实验研究和 数值计算三种方法有机结合所进行的综合性探索。 然而由于其复杂性， 该领域一直以实验研究为主。 近年来随着计算机技术和计算理论的快 速发展， 使得人们可以通过数值模拟的方法对水下爆炸的各种现象进 行预报。各种计算机软件大大方便了这一领域的研究工作。 近年来,随着一批大型通用程序的出现 ,基于通用程序的数值模 拟方法已成为研究水下爆炸冲击波和气泡脉动的重要手段。 目前能模 拟水下爆炸冲击波和气泡脉动的通用程序主要有 DYNA,DYTRAN 和 AUTODYN。国内外已有不少学者运用 DYNA 和 DYTRAN 对水下爆炸冲击 波和气泡脉动进行了数值模拟研究。
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水下爆炸冲击波的传播特性试验研究
水下爆炸冲击波的传播特性试验研究水下爆炸对构筑物的破坏主要表现为冲击波和气泡脉动效应。
一般而言,气泡脉动通常起附加破坏作用,而冲击波起决定性作用。
水下爆炸冲击波的传播规律及其动力效应是水利水电工程、航运工程和爆破工程等领域关注的一个重要问题,直接关系到水下设施的安全和容器状构筑物爆破拆除参数的合理选取,因而具有重要的工程价值和理论意义。
本文以水下爆炸冲击波效应为研究契机,在有限的钢板水箱水域内开展了水冲击波试验研究。
首先,通过现场试爆及其现象分析,得出了药包布置原则；其次,利用高速摄影技术再现了水下爆炸冲击波波阵面的动态传播过程,并得出波阵面传播速度及其传播规律；根据水冲击波波阵面传播速度,得出不同距离处的峰值压力,并对水冲击波峰值压力、传播距离及药量关系进行分析,从而得出了小药量水下爆炸冲击波压力计算经验公式。
最后,选取水压爆破拆除工程实例,对试验结果进行验证,说明了药包布置原则的合理性、实用性。
主要得出以下结论：(1)利用高速摄影技术来观测水下爆炸冲击波的传播过程及测试其峰值压力是切实可行的；(2)试验条件一定,水下爆炸冲击波波阵面传播速度从零急剧上升到某一值,随后以波动形式迅速衰减,最终趋向于某一稳定值；(3)相同试验条件下,药量越大,水冲击波波阵面传播速度上升及衰减越快,且二次波峰值压力越大：(4)根据冲击波波阵面水动力学量之间的关系,得出水下爆炸冲击波波阵面传播速度所对应的峰值压力,并对其峰值压力、传播距离及药量进行分析,从而得出了小药量水下爆炸冲击波峰值压力计算经验公式,即当比例半径r/r0>5.649时,Pm=105.472(Q1/3/R)1.65；(5)在水压爆破工程中,对于开口式容器状构筑物,为提高炸药能量利用率,降低其能量损耗,则要求药包的入水深度h至少要大于容器内壁到爆心的距离R,即h>R；(6)药包布置位置要尽可能使冲击波波阵面同一时刻达到容器状构筑物侧壁,使容器状构筑物受力均匀为原则；(7)为减少自由水面卸载所造成的能量损失,条件适合时可在开口式容器状构筑物中注满水并对顶部做封闭措施。
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气泡周 围的压力场进行记录． 将试验结 果与经典 的 Ｂａｅ ｌ 判断准则进行 了比较分析 ， ｋ 提出 了气泡产生 冲向靶板 的射流条 件． 同时通过对试验中测量到的压力 时间曲线进行分析 ， 可以看 出射 流的产生对气泡 载荷 的压力 、 冲量 、 能量都产生 了 很大影响 ， 从能量的角度提 出射流现象将使气泡能量集 中， 对其正前方结构可能产生更 大的毁伤． 并 在分 析试 验结果 的
基 础 上 分 析 了射 流 产 生 的 机理 ， 到 了不 同引 力 和 浮力 方 向情 况 下 的射 流形 成 条 件 和 射 流形 成 的载 荷 形 式 ， 舰 船 结 构 得 为 抗 爆 研 究气泡射流 ； 爆炸力学 ； 高速摄影
中图 分 类 号 ： ６ １６ ０ ８ ． 文 献标 识 码 ： 文 章 编 号 ：０ ６７ ３ ２ ｌ ）２０５ －５ Ｕ ６ ． ； ３２ １ Ａ １０ —０ （ｏ ｏ ０ －１４０ ４
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水 下 爆 炸 气 泡 射 流 现 象 的试 验 研 究
牟金磊 ， 朱 锡， 黄晓明， 李海涛
（ 军工程大学 船舶 与动 力学院， 海 湖北 武汉 ４０ ３ ） ３０ ３ 摘 要： 水下爆炸气泡塌陷产生 的射流载荷会对舰船结构造成 严重地毁伤 ， 射流现象又十分复杂． 而 为研究水下爆炸气
泡射流 的产生条件以及载荷形式 ， 文章设计 了一 系列的试 验 ， 通过高速摄影观测气 泡运动过程 ， 同时利 用压力传感器对
ｂ ｂ ｌｓ ｏ ａ ｓ ｇｎ ａ ｒ ｉ ｂｕ ｄ ｒ ａ ｒｐｓｄｂ ｌｋ ｔ １ ｈ ｏ ｄｔ ｎ ｒ ｒａｉ ｕ ｂｅ ｅ ｔ ｔｅ ｕ ｂｅ ｌｐ ｉ ｅｒ ｇ ｏｎ ａ ｓ ｏ ｏｅ ｙＢａ ｅｅ ａ．Ｔ ｅｃｎ ｉｏ ｓ ｅｔ ｇａｂ ｂ ｌ ｊｔｏ ｈ ｃｌ ｎ ａｉ ｄ ｙ ｐ ｉ ｆ ｃ ｎ ｏ
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第 ３ 卷第 ２期 ｌ
２１ ０ ０年 ２月
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