爆炸氣泡帷幕對水中沖擊波能量的衰減特性

賈 虎 , 鄭偉花, 羅 強, 沈兆武

(1. 南陽師范學院土木建筑工程學院, 河南 南陽 473061; 2. 中國科學技術大學近代力學系, 安徽 合肥 230027)

1 引 言

與在空氣和巖土中不同,水下爆炸沖擊波超壓峰值高,波及范圍廣,對鄰近水域水工構筑物、水生生物以及工作人員等破壞嚴重[1]。國內外對陸上爆破震動的衰減規(guī)律及安全控制標準已有了系統(tǒng)的研究和總結,而水下爆炸能量衰減和安全防護方面的研究成果尚比較欠缺,迫切需要有效的減震防護措施降低水下爆炸的危害[2]。水下爆炸安全防護中,水與防護層波阻抗突變是衰減水下爆炸沖擊波能量的關鍵[3]。氣體可壓縮性好,波阻抗明顯小于水的波阻抗,且經濟方便,在水下爆炸能量衰減方面有應用前途,是一種理想的水下減震媒介。

目前國內外以氣體作為防護層衰減水下爆炸能量的方法有: (1)氣泡帷幕技術: 氣泡帷幕減震技術的基本思想是向水下通入高壓氣體以形成不斷上升、濃密的氣泡帷幕,但其僅能較好的衰減沖擊波中間頻率能量,而對低頻和高頻能量的衰減效果不理想,對沖擊波沖量和總能量衰減作用更為有限,且需多臺大功率空壓機同時作業(yè),能耗高、水下布設和施工麻煩,在深水爆破工程中,這種矛盾尤為突出[4-6]。(2)空氣隔層: 為了克服氣泡帷幕衰減爆炸能量不足的缺陷,文獻[3]提出利用空氣隔層衰減水中爆炸沖擊波的新設想,設計了一種柔性體盛裝的空氣隔層實現對水中沖擊波的阻隔。進一步研究表明空氣隔層不僅能削弱水中沖擊波峰值壓力,而且可有效衰減沖擊波沖量和總能量,但在浮力影響下存在著水下大面積防護布設困難的問題。綜上所述,已有的這些防護措施都需要專用的設備或空氣盛裝體,存在著布設困難、使用效率低和衰減效果差等缺陷,對于爆源附近的水下防護目標尚沒有合適、便捷、高效的水下減震防護措施。如何充分發(fā)揮氣體在爆炸安全防護中效能,同時彌補已有防護措施布設困難、使用效率低和衰減效果差等缺陷,已成為急需解決的問題。

國內外關于水下爆炸氣泡脈動的研究主要關注其對目標的毀傷效應[7],但借鑒氣泡帷幕削能的原理,或許可以利用爆炸產生氣泡帷幕達到削能的效果[8]。我們在前期研究中發(fā)現[10]: 纖維爆炸索柔性較好,可纏繞成網狀,水下爆炸時,能產生有規(guī)律的氣泡脈動且持續(xù)時間較長,如果能充分利用纖維爆炸索水下爆炸形成大量有規(guī)律的氣泡,則可構成爆炸氣泡帷幕。針對實際情況,我們提出了利用纖維爆炸索網柵結構水下爆炸產生的爆炸氣泡帷幕對水下爆炸能量和沖擊波進行削減的“以爆制爆”的防護設想,為了驗證這一防護思路的可行性,進行了原理性實驗。

2 爆炸氣泡帷幕衰減水中沖擊波原理

爆炸沖擊波水下傳遞效率高,對水下結構物的破壞作用顯著,這主要是因為傳播介質水的自身變形耗能少,可壓縮性小。水與防護層波阻抗突變是衰減水下爆炸沖擊波能量的關鍵,兩種介質波阻抗的不匹配程度越高,衰減效果越好[3],采用一維彈性波為例說明這一問題。

假定在水中一維彈性波垂直傳入介質1,則由連續(xù)性條件、波陣面守恒定律和牛頓第三定律[9],可推導出入射壓力σI、反射壓力σR、透射壓力σT三者之間的關系:

(1)

σI+σR=σT

(2)

式中,ρw為水的密度,kg·m-3;cw為水中波速,m·s-1;ρwcw為水波阻抗,(kg·m-3)·(m·s-1);ρ1為介質1密度,kg·m-3;c1為介質1中波速,m·s-1;ρ1c1為介質1波阻抗,(kg·m-3)·(m·s-1)。由公式(1)、(2)得:

(3)

式中,T、F分別是透射系數和反射系數,n是波阻抗比。

水中一維彈性波由介質1透射到水中的透射波σT1強度是:

(4)

可見,透射壓力只與兩介質波阻抗比值有關,當兩介質的波阻抗不匹配程度越高,衰減效果越好。上述分析以彈性波簡化為例,而波在兩介質交界面透反射規(guī)律對應力波(如沖擊波等)是成立的。

纖維爆炸索網柵結構水下爆炸后形成的氣泡帷幕為氣液兩相介質,當氣泡脈動達到最大半徑時,爆炸氣泡帷幕的波阻抗最小,與水的波阻抗不匹配程度最高,衰減效果最明顯。

3 爆炸氣泡帷幕衰減水中爆炸沖擊波特性實驗

3.1 水下爆炸實驗裝置和測試系統(tǒng)

水下爆炸實驗在壁厚30 mm,高5 m,直徑5 m的水下爆炸實驗塔中進行。測試系統(tǒng)采用美國PCB公司生產的W138A25長型電氣石水下激波壓力傳感器(ICP),482A22型恒流源和泰克DPO7054型示波器,實驗裝置和測試系統(tǒng)如圖1所示。

圖1水下爆炸實驗裝置

Fig.1Experimental system of underwater explosion

3.2 爆炸氣泡帷幕發(fā)生裝置

為了探索爆炸氣泡帷幕的形成過程,采用高速攝像拍攝兩根纖維爆炸索水下爆炸氣泡脈動過程的圖像(圖2),高速攝像拍攝頻率為2000幅·ps-1,實驗中所用纖維爆炸索直徑1.8 mm,線裝藥密度1.8 g·m-1,纖維爆炸索長度為1.2 m,設置兩根導爆索之間的水平距離為10 cm,62 ms時兩氣泡開始相互融合,79.5 ms時完全融合為一圖形近似規(guī)則的氣泡帷幕,持續(xù)時間很長, 323 ms時仍清晰可見。

圖2兩根纖維爆炸索水下爆炸氣泡脈過程典型圖像

Fig.2Typical images of underwater explosion bubbles pulsation process of two fiber detonating cords

為了驗證爆炸氣泡帷幕對水中爆炸沖擊波的衰減效果,設計如圖3所示爆炸氣泡帷幕發(fā)生裝置,在邊長1 m的正方形鋼圈上布設纖維爆炸索網柵結構,所用纖維爆炸索直徑1.8 mm,線裝藥密度1.8 g·m-1,上下纏繞,由前期測試研究發(fā)現纖維爆炸索氣泡脈動最大直徑約為10 cm,柵格布設水平距離定為10 cm。

圖3爆炸氣泡帷幕發(fā)生裝置

Fig.3Generator system of explosive air bubbles curtain

3.3 炸藥裝藥

炸藥裝藥為球形黑索今(RDX)藥包,藥包裝藥量30 g,起爆形式為中心起爆,如圖4所示。

圖4實驗藥包

Fig.4Experimental charge

4 結果與討論

4.1 爆炸氣泡帷幕對水中沖擊波壓力的衰減

實驗分兩次進行。第一次實驗測試實驗藥包的沖擊波壓力,藥包距離壓力傳感器的距離為1.5 m,二者的入水深度均為2.7 m,測試得到藥包水下爆炸沖擊波波形如圖5所示。從圖5中可以看出藥包的壓力峰值為10.02 MPa,測點處壓力由零上升到峰值所需要的時間為6 μs,隨后沖擊波壓力以指數形式衰減。

第二次實驗主要測試爆炸氣泡帷幕衰減沖擊波的效果。同樣實驗條件下,藥包距離壓力傳感器的距離為1.5 m,將纖維爆炸索網柵布設在藥包和傳感器之間,距離藥包為0.8 m,其中心位置與藥包、傳感器在水下同一深度處(2.7 m),纖維爆炸索網柵結構與藥包的起爆微差時間設為30 ms,實驗測得RDX藥包爆炸沖擊波通過爆炸氣泡帷幕后的壓力曲線如圖6所示。

在爆炸氣泡帷幕作用下測試藥包沖擊波壓力峰值衰減為4.09 MPa,爆炸氣泡帷幕對沖擊波峰值壓力的衰減量高達60%,且沖擊波壓力通過爆炸氣泡帷幕后,脈動持續(xù)時間超過未設爆炸氣泡帷幕前的持續(xù)時間。

圖5無爆炸氣泡帷幕30 g RDX沖擊波曲線

Fig.5Curve of shock wave of 30 g RDX without explosive air bubbles curtain

圖630 g RDX藥包通過爆炸氣泡帷幕后沖擊波波形

Fig.6Curve of shock wave of 30 g RDX with explosive air bubbles curtain

4.2 爆炸氣泡帷幕對水中沖擊波比沖量的衰減

爆炸氣泡帷幕削減水下爆炸沖擊波峰值壓力明顯,但是水下爆炸危害不僅與沖擊波峰值有關,還有水下爆炸能量有關。因此,還要對爆炸氣泡帷幕作用下水中爆炸能量分布情況進行研究,以綜合評判爆炸氣泡帷幕的削能效果。

通過對壓力時程曲線積分,可得到測點處水下爆炸沖擊波的比沖量,比沖量是表征含能材料水下爆炸性能的重要參數。

(5)

式中,I是爆炸波比沖量,Pa·ms;ta為沖擊波到達時間,ms;tb為沖擊波的結束時間,一般取值為ta+6.7θ,ms;θ為時間常數,指爆炸沖擊波壓力時程中由峰值壓力pm衰減為pm/e所用的時間,ms。

對圖5和圖6的壓力時程曲線積分,獲得第一次實驗未設爆炸氣泡帷幕時爆炸沖擊波比沖量時程曲線和第二次實驗設置爆炸氣泡帷幕沖擊波通過后的沖量時程曲線,如圖7所示,爆炸氣泡帷幕對沖擊波比沖量的衰減高達62.2%,能夠有效削減沖擊波比沖量。

a. before passing explosive air bubbles curtain

b. after passing explosive air bubbles curtain

圖7爆炸沖擊波沖量時程曲線

Fig.7Shock wave impulse time curve of explosive shock wave

4.3 爆炸氣泡帷幕對水中爆炸壓力能量分布的衰減

為了評判爆炸氣泡帷幕對水中爆炸壓力能量的衰減效果,對水中爆炸壓力信號進行小波包分析。由于水下爆炸壓力信號為非平穩(wěn)信號,目前非平穩(wěn)信號小波包分析小波基函數一般取db8,本研究小波包分解時選用db8小波基函數。實驗測試系統(tǒng)采樣頻率為500 kHz,由采樣定理選取分析頻率為250 kHz,測試系統(tǒng)最小工作頻率為5 Hz,則根據小波包分析原理,可將信號分解到16層,最小頻帶為0～3.815 Hz。

小波包分解得到的各頻帶范圍內的分量仍為壓力時間變化曲線,各層對應的能量及分析信號的總能量可通過公式(6)、(7)計算:

(6)

(7)

式中,n為小波包分解的層數,取16;Ei為第i頻率帶信號對應的能量;EO為分析信號的總能量;Si為第i頻率帶的小波分解信號;xij為信號Si的離散點幅值; 其中i=1,2,…,2n;j=1,2,…,m,m為信號的離散采樣點。

各頻帶能量(Ei)占總能量(EO)的比例ηi為:

(8)

對圖5和圖6壓力信號進行小波包分解后,通過公式(7)計算得到布設爆炸氣泡帷幕前后分析信號的總能量,分析發(fā)現爆炸氣泡帷幕對水下爆炸沖擊波能量的衰減效果高達57.7%,能量衰減效果明顯。

為了全面考察爆炸氣泡帷幕對各頻率沖擊波信號的衰減效果,采用公式(6)～(8)對小波包變換分層重構信號進行計算,獲得水下爆炸壓力信號通過爆炸氣泡帷幕前后各頻帶能量分布情況,圖8、圖9所示。

圖8爆炸沖擊波能量分布

Fig.8Energy distribution of explosive shock

圖9通過爆炸氣泡帷幕后的能量分布

Fig.9Energy distribution after passing the explosive air bubbles curtain

水下爆炸沖擊波信號頻率成分豐富,各頻段內都有一定的能量,如圖8和圖9所示。未布設爆炸氣泡帷幕時(圖8),在0～60 kHz和90～120 kHz兩個頻率段能量最大。布設爆炸氣泡帷幕后(圖9),0～60 kHz范圍所含能量最大,但和圖8相比,這一頻率范圍內的能量值遠遠小于沖擊波能量分布,與沖擊波能量相差很大,60 kHz以上的各頻帶能量非常小。爆炸氣泡帷幕對各頻段的沖擊波能量衰減效果明顯,絕大部分頻段的能量衰減都在50%以上。爆炸氣泡帷幕能夠有效消除水下爆炸沖擊波的高頻部分,通過爆炸氣泡帷幕后沖擊波特性已發(fā)生根本性改變,只有低頻成分,且低頻成分能量大大削弱。

可見本研究提出的爆炸氣泡帷幕法能夠有效衰減水中沖擊波能量,利用纖維爆炸索水下爆炸產生的柱狀氣泡構成氣泡帷幕進行水下爆炸能量衰減達到以“爆”制“爆”的目的,是具發(fā)展前景的水下爆炸安全防護方法。

5 結 論

在傳統(tǒng)氣泡帷幕減震技術基礎上,提出爆炸氣泡帷幕削能新理念,并對提出的爆炸氣泡帷幕衰減沖擊波的特性進行了研究:

(1) 對提出的爆炸氣泡帷幕削能設想進行了實驗研究,發(fā)現在本研究實驗條件下爆炸氣泡帷幕能有效衰減沖擊波峰值壓力,且衰減量高達60%; 爆炸氣泡帷幕能夠有效削減沖擊波比沖量,對沖擊波比沖量的衰減高達62.2%;

(2) 采用小波包技術對爆炸氣泡帷幕的削能效果進行了評判,發(fā)現本研究實驗條件下,在爆炸氣泡帷幕作用下,各頻段的沖擊波能量都有很好的衰減效果,絕大部分頻段的能量衰減都在50%以上; 爆炸氣泡帷幕能夠有效消除水下爆炸沖擊波的高頻部分,爆炸沖擊波通過爆炸氣泡帷幕后只有低頻成分,且低頻成分能量大大削弱。

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