柱形裝藥自由場(chǎng)水中爆炸氣泡的射流特性*

黃 超，汪 斌，張遠(yuǎn)平，劉倉(cāng)理，姚熊亮

(1.哈爾濱工程大學(xué)船舶工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱150001;2.中國(guó)工程物理研究院流體物理研究所沖擊波物理與爆轟物理國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 綿陽(yáng)621900)

炸藥水中爆炸后，高溫、高壓狀態(tài)下的爆轟產(chǎn)物以氣泡的形式留在水中繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，通常情況下氣泡同時(shí)存在3 種運(yùn)動(dòng):脈動(dòng)、遷移和變形。氣泡的脈動(dòng)即氣泡作周期性的膨脹和收縮，是氣泡與周?chē)鲌?chǎng)進(jìn)行能量交換的體現(xiàn)，當(dāng)氣泡脈動(dòng)頻率與船體固有頻率接近時(shí)，可能導(dǎo)致船體產(chǎn)生嚴(yán)重的鞭狀起伏運(yùn)動(dòng)，造成船體總縱強(qiáng)度破壞和船載低頻設(shè)備損傷;氣泡在浮力作用下的向上遷移使氣泡最終竄出水面破裂，可能產(chǎn)生巨大的水冢，沖擊船體水面以上的結(jié)構(gòu)和人員;變形運(yùn)動(dòng)使氣泡坍塌時(shí)呈蘑菇狀，在許多情況下氣泡的劇烈變形將形成高速水射流穿透氣泡，產(chǎn)生聚能效應(yīng)。水中爆炸氣泡形成的射流有兩類(lèi):一類(lèi)是自由場(chǎng)爆炸時(shí)，氣泡上下表面壓差不一致導(dǎo)致坍塌產(chǎn)生的向上噴射的射流，另一類(lèi)是氣泡運(yùn)動(dòng)受到附近邊界(自由面、剛性邊界或彈性邊界)影響導(dǎo)致坍塌產(chǎn)生的射流，且射流的方向與邊界性質(zhì)、距離等因素有關(guān)。近年來(lái)的研究表明，近場(chǎng)非接觸水中爆炸對(duì)艦船造成嚴(yán)重的威脅［1］，而射流是其載荷的重要組成部分，研究射流規(guī)律，利用氣泡能量對(duì)艦船目標(biāo)進(jìn)行毀傷打擊，已成為研究人員越來(lái)越關(guān)心的問(wèn)題。

高速攝影可以獲得水中爆炸氣泡的產(chǎn)生、脈動(dòng)和潰滅的完整動(dòng)態(tài)過(guò)程，是研究氣泡動(dòng)態(tài)特性的重要工具。近年來(lái)高速數(shù)字?jǐn)z影技術(shù)已被引入水中爆炸研究，獲得了大量氣泡脈動(dòng)和射流的數(shù)據(jù)［2-4］。然而，現(xiàn)有的水中爆炸研究成果大多是基于球形裝藥水中爆炸實(shí)驗(yàn)和球?qū)ΨQ運(yùn)動(dòng)理論，而在實(shí)際應(yīng)用中很多情況下用到的是柱形裝藥，一般也不采用中心對(duì)稱起爆，產(chǎn)生的流場(chǎng)運(yùn)動(dòng)規(guī)律與球形裝藥的有一定區(qū)別。目前柱形裝藥水中爆炸產(chǎn)生的氣泡動(dòng)態(tài)特性尚不明確，而氣泡在邊界附近形成射流的機(jī)制在很大程度上受到邊界性質(zhì)(如剛度、慣量等因素)的影響，是一個(gè)尚在研究中的課題［5］。本文中，采用高速數(shù)字?jǐn)z影方法研究柱形裝藥自由場(chǎng)水中爆炸氣泡的運(yùn)動(dòng)，試圖得到與氣泡在自由場(chǎng)中形成射流有關(guān)的一些特殊性質(zhì)。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)選在水箱中開(kāi)展，由于水箱為有限水域，為了減小沖擊波的邊界效應(yīng)，在水箱內(nèi)壁貼上一層20 mm厚的低阻抗吸能材料。另外，觀測(cè)窗口由PMMA 制成，具有與水介質(zhì)相近的聲阻抗，能盡量減少?zèng)_擊波反射。對(duì)于淺水中的氣泡脈動(dòng)現(xiàn)象，以太陽(yáng)光作為光源就能滿足拍攝要求。實(shí)驗(yàn)裝置如圖1 所示，水箱尺寸為2 m×2 m×2 m，柱形裝藥置于水箱中心，以此位置為坐標(biāo)原點(diǎn)。采用等截面的PETN 圓柱，端面起爆，高速攝影機(jī)的拍攝速度為4 500 s－1，3 個(gè)PCB138A 壓力傳感器位于裝藥同一深度距裝藥中心D=0.5 m 處，圖2 為最大藥量工況5 中壓力傳感器記錄的沖擊波和氣泡脈動(dòng)壓力信號(hào)，曲線中沒(méi)有明顯的壁面反射沖擊波信號(hào)，說(shuō)明水箱內(nèi)壁粘貼的吸能材料有效地耗散了沖擊波的能量，使氣泡運(yùn)動(dòng)受到的干擾減小到最小。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic of the experimental facility

圖2 水中爆炸壓力時(shí)間曲線Fig.2 Pressure curve of underwater explosion

主要研究不同長(zhǎng)徑比柱形裝藥水平和垂直放置時(shí)水中爆炸氣泡的射流特性，設(shè)計(jì)了5 個(gè)實(shí)驗(yàn)工況和1 個(gè)對(duì)比工況，主要變量為長(zhǎng)徑比λ、藥量W 和放置方式，列于表1 中，表中h 為炸藥的深度，工況0為長(zhǎng)徑比接近于1 的對(duì)比工況。

表1 實(shí)驗(yàn)工況設(shè)計(jì)Table 1 Experimental conditions

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

實(shí)驗(yàn)得到的典型氣泡脈動(dòng)過(guò)程如圖3 所示。在氣泡膨脹的初始階段(如t=0.7 ms 時(shí))，由于裝藥的柱形形狀和端面起爆的影響，氣泡在y 方向的尺寸大于氣泡在藥柱徑向的尺寸，由于內(nèi)外壓差，氣泡的形狀在膨脹過(guò)程中向接近球形的穩(wěn)定狀態(tài)過(guò)渡(如t=5.1 ms 時(shí))。當(dāng)t=22.7 ms 時(shí)，氣泡膨脹至最大，其表面各方向的尺寸比較接近。而在氣泡收縮的過(guò)程中，其y 方向尺寸較大的特征再次變得顯著，如t=43.9 ms。當(dāng)t=45.4 ms 時(shí)，氣泡坍塌形成射流，至此完成一個(gè)脈動(dòng)周期。在氣泡再度膨脹的過(guò)程中觀察到一個(gè)有趣的現(xiàn)象，即氣泡第1 次坍塌結(jié)束形成的射流向左(即起爆端)傾斜，如t=50.8 ms 的圖像中氣泡左上角的凸起即是射流傾斜的直接證據(jù)。在所有4 個(gè)藥柱水平放置的工況中均明顯觀察到了此現(xiàn)象的存在，這是以往在球形裝藥中心起爆實(shí)驗(yàn)中未觀察到的，分析射流傾斜的原因有助于了解柱形裝藥水中爆炸氣泡的運(yùn)動(dòng)特性。

從直觀上看，在氣泡膨脹的早期和氣泡坍塌時(shí)，其表面形狀均明顯體現(xiàn)出在藥柱軸向尺寸大于藥柱徑向尺寸的特點(diǎn)?？紤]到炸藥的爆轟過(guò)程僅持續(xù)幾個(gè)微秒，若忽略這個(gè)時(shí)間，認(rèn)為炸藥瞬時(shí)轉(zhuǎn)化為爆轟產(chǎn)物并向外膨脹，那么在氣泡膨脹的早期和氣泡坍塌的過(guò)程中，其表面在藥柱軸向運(yùn)動(dòng)的平均速度應(yīng)大于在藥柱徑向運(yùn)動(dòng)的平均速度，因此柱形裝藥水中爆炸氣泡表面各方向的運(yùn)動(dòng)呈現(xiàn)非對(duì)稱特性。從能量的角度來(lái)看，氣泡表面運(yùn)動(dòng)的非對(duì)稱是爆轟產(chǎn)物能量輸出結(jié)構(gòu)不均勻的體現(xiàn)。對(duì)柱形裝藥左端起爆的爆轟過(guò)程作一維特征線分析可知，遠(yuǎn)離起爆端的爆轟產(chǎn)物具有較高的速度。但其能量的衰減速率更快，氣泡在起爆端輸出的總能量可能更大，其表面的脈動(dòng)周期更長(zhǎng)，最終在浮力的共同作用下導(dǎo)致不對(duì)稱坍塌。

圖3 4.5 g 水平放置PETN 藥柱水中爆炸氣泡脈動(dòng)過(guò)程Fig.3 Bubble oscillation of 4.5 g PETN cylinder mounted horizontally

從圖4 可以清楚地看到各工況氣泡坍塌時(shí)的圖像，工況0 中氣泡的坍塌形狀與典型球形氣泡坍塌形狀很相似，而其他工況則不同程度地表現(xiàn)出一定區(qū)別，這是裝藥長(zhǎng)徑比影響的體現(xiàn)，工況0 的裝藥長(zhǎng)徑比接近于1，因此產(chǎn)生的氣泡與球形氣泡相似。圖中黑色的“須狀物”是爆炸后殘留的碳化固體顆粒隨氣體產(chǎn)物運(yùn)動(dòng)留下的尾跡，由于固體顆粒的慣性遠(yuǎn)大于氣體的慣性，因此其運(yùn)動(dòng)滯后于氣泡表面的運(yùn)動(dòng)，在高速運(yùn)動(dòng)時(shí)這種現(xiàn)象尤為明顯，這使得我們能夠清楚地看到收縮過(guò)程中氣泡表面的運(yùn)動(dòng)軌跡。藥柱水平放置時(shí)氣泡產(chǎn)物的尾跡是不對(duì)稱的，氣泡左下方表面主要作向內(nèi)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，而右下方部分表面的水平移動(dòng)則更為明顯，尾跡最長(zhǎng)的位置位于氣泡的右下方，因此也可以推斷藥柱水平放置時(shí)射流將在氣泡右下部位形成，方向指向氣泡左上方。而藥柱垂直放置時(shí)，盡管氣泡略有偏斜，但其尾跡卻是呈軸對(duì)稱的，這與球形裝藥的類(lèi)似，氣泡下方邊緣向內(nèi)旋轉(zhuǎn)，射流將在氣泡底部中心形成，指向氣泡上方。氣泡產(chǎn)生偏斜原因是由于水下實(shí)驗(yàn)操作復(fù)雜，很難精確實(shí)現(xiàn)藥柱完全垂直，觀察藥柱垂直放置的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，柱形裝藥垂直放置時(shí)氣泡的運(yùn)動(dòng)對(duì)初始位置比較敏感，垂直放置時(shí)藥包的微小傾斜都會(huì)導(dǎo)致氣泡運(yùn)動(dòng)對(duì)稱軸的傾斜，如圖5 所示。因此，尾跡分布間接證明了不對(duì)稱坍塌是水平放置藥柱端面起爆水中爆炸氣泡的特有性質(zhì)。

另外，尾跡的長(zhǎng)短還可以表征氣泡表面運(yùn)動(dòng)速度的快慢，這樣也能夠估計(jì)射流形成的位置，從圖4中觀察到垂直裝藥氣泡產(chǎn)物的尾跡更長(zhǎng)，說(shuō)明其射流速度更快。圖6 給出了各工況下氣泡射流速度的對(duì)比。

圖4 工況0 ～5 氣泡坍塌時(shí)的圖像Fig.4 Images of bubble collapse for conditions 0 ～5

圖5 4.5 g 藥柱垂直放置時(shí)氣泡的坍塌Fig.5 Bubble collapse of vertically mounted 4.5 g charge

圖6 工況1 ～5 氣泡射流速度Fig.6 Jet velocities of conditions 1 ～5

從圖6 中可以看出，藥柱水平放置的4 個(gè)工況下，隨著藥量的增大，氣泡的射流速度減小，這與文獻(xiàn)［6］中得到的射流速度隨藥量的變化規(guī)律是一致的。然而，工況4 中藥柱垂直放置時(shí)形成的氣泡射流速度卻不符合此規(guī)律，這是由于工況4 的射流在遠(yuǎn)離起爆端形成，而其他工況的射流在藥柱徑向側(cè)面形成，在同等藥量下，藥柱垂直放置時(shí)形成的氣泡射流速度更高。需要指出的是，射流的最終速度要比圖中的最終數(shù)值大得多(可達(dá)102m/s 量級(jí))，這是因?yàn)樵跉馀萏淖詈箅A段氣泡處于一種極不穩(wěn)定狀態(tài)［7］，底部表面向內(nèi)凹陷，高速攝影的圖像無(wú)法獲得氣泡內(nèi)部的信息，但是各實(shí)驗(yàn)工況拍攝時(shí)均采用相同的幅頻，從而能夠保證獲得的射流速度變化趨勢(shì)一致。另外，從圖4 中也可以看到，藥柱水平放置的工況中，隨著長(zhǎng)徑比的增加，射流的影響區(qū)逐漸加寬，能量相對(duì)分散，而藥柱垂直的工況中，射流的影響區(qū)較窄，能量相對(duì)集中，可指導(dǎo)武器的攻擊方式，即在近場(chǎng)非接觸水中爆炸時(shí)，可利用柱形藥包垂直置于艦船底部下方起爆以提高氣泡射流產(chǎn)生的局部破壞。

3 結(jié) 論

采用高速攝影方法研究了端面起爆柱形PETN 自由場(chǎng)水中爆炸氣泡射流性質(zhì)，得到以下主要結(jié)論及建議:

(1)藥柱水平放置時(shí)，氣泡表面的運(yùn)動(dòng)呈非對(duì)稱，最終導(dǎo)致不對(duì)稱坍塌，形成向起爆端傾斜的射流。

(2)藥柱垂直放置時(shí)，氣泡表面的運(yùn)動(dòng)呈軸對(duì)稱，將產(chǎn)生垂直向上的射流，但是氣泡的運(yùn)動(dòng)較易受到藥柱放置垂直程度的影響。

(3)藥柱水平放置時(shí)，射流的速度隨藥量的增大而減小。同等藥量下，藥柱垂直放置時(shí)形成的射流速度更高。

(4)藥柱水平放置時(shí)，對(duì)于等截面的藥柱，隨著長(zhǎng)徑比的增加，射流的影響區(qū)逐漸加寬，能量相對(duì)分散;而藥柱垂直放置時(shí)，射流的影響區(qū)較窄，能量相對(duì)集中，可指導(dǎo)武器的攻擊方式。

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