低能量導(dǎo)爆索水中爆炸氣泡的脈動(dòng)現(xiàn)象

賈 虎, 沈兆武

(1. 南陽(yáng)師范學(xué)院土木建筑工程學(xué)院, 河南 南陽(yáng) 473061; 2. 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)近代力學(xué)系, 安徽 合肥 230027 )

1 引 言

高速攝影是當(dāng)前研究水下爆炸氣泡脈動(dòng)特性最有效的實(shí)驗(yàn)手段[1-3]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)球形藥包水下爆炸氣泡脈動(dòng)特性進(jìn)行了大量研究,取得了重要的研究成果[4],但是對(duì)柱形藥包水下爆炸氣泡脈動(dòng)特性的研究并不充分。Menon[5]研究發(fā)現(xiàn)導(dǎo)爆索水下爆炸為非球形坍塌,形成對(duì)碰射流; 顏事龍[6]獲得了條形藥包水下爆炸沖擊波參數(shù)和氣泡脈動(dòng)參數(shù); 黃超[7]計(jì)算獲得了端面起爆柱形裝藥產(chǎn)生的初始?xì)馀莺蜌馀葸\(yùn)動(dòng)狀態(tài)。從上述研究成果可以看出,柱形裝藥水下爆炸氣泡的動(dòng)態(tài)特性與球形裝藥水下爆炸氣泡存在明顯不同,但國(guó)內(nèi)外這方面的研究甚少,很不系統(tǒng),還有許多問題沒有解決。

賈虎[8]研究了豎向放置單根低能量導(dǎo)爆索水下爆炸氣泡脈動(dòng)特性,獲得了氣泡脈動(dòng)周期、脈動(dòng)直徑等特征,發(fā)現(xiàn)氣泡脈動(dòng)的最大直徑可達(dá)11.2cm。文獻(xiàn)[10]在傳統(tǒng)氣泡帷幕減震技術(shù)的基礎(chǔ)上,將低能量導(dǎo)爆索纏成網(wǎng)狀,利用其爆炸產(chǎn)生柱狀氣泡的特性,提出了爆炸氣泡帷幕削能新理念,并對(duì)爆炸氣泡帷幕削能設(shè)想進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。為了解低能量導(dǎo)爆索放置方式對(duì)氣泡脈動(dòng)特性及爆炸氣泡帷幕削能特性的影響,對(duì)水平放置的低能量導(dǎo)爆索和豎向及水平放置的兩根低能量導(dǎo)爆索水下爆炸氣泡脈動(dòng)特性進(jìn)行了研究,揭示了低能量導(dǎo)爆索氣泡脈動(dòng)的特性,以指導(dǎo)爆炸氣泡帷幕削能研究。

2 實(shí)驗(yàn)情況簡(jiǎn)介

水下爆炸實(shí)驗(yàn)在Φ2 m×2.5 m,壁厚26 mm的鋼制圓筒形試驗(yàn)裝置中進(jìn)行,在距離地面1.2 m處開設(shè)有拍攝窗口,便于高速攝影拍攝氣泡脈動(dòng)規(guī)律。光測(cè)系統(tǒng)布設(shè)如圖1所示,采用CamRecord 1000高速攝像機(jī),拍攝頻率1000～200000 fps,最高分辨率1280×1024像素。

圖1水下爆炸實(shí)驗(yàn)光測(cè)系統(tǒng)

Fig.1Optical measurement system of underwater explosion test

由于文獻(xiàn)[8]已經(jīng)研究了豎向放置單根低能量導(dǎo)爆索的氣泡脈動(dòng)特性,所以本工作主要研究水平放置單根低能量導(dǎo)爆索、豎向及水平放置相鄰兩根低能量導(dǎo)爆索的氣泡脈動(dòng)現(xiàn)象。

選用的低能量導(dǎo)爆索為RDX裝藥,鋁制外殼,課題組采用柔性金屬工藝,利用新型導(dǎo)爆索軋制工藝方案和生產(chǎn)設(shè)備生產(chǎn),線裝藥密度1.8 g·m-1,直徑1.8 mm,爆速為7900 m·s-1,長(zhǎng)度均為1.2 m。

為了方便低能量導(dǎo)爆索的布設(shè),將單根及兩根低能量導(dǎo)爆索固定在邊長(zhǎng)為1 m的正方形鋼圈上,如圖2所示。

由于拍攝窗口的限制,只能選取低能量導(dǎo)爆索中間的一部分作為拍攝對(duì)象,將正方形鋼圈的中心位置保持在水深1.2 m處(即拍攝窗口的中心的位置),以保證拍攝到低能量導(dǎo)爆索和標(biāo)尺。同時(shí),將試樣放置在攝像機(jī)的最佳視場(chǎng)范圍內(nèi),保證最佳的成像效果。由于低能量導(dǎo)爆索水下爆炸沖擊波和氣泡脈動(dòng)呈現(xiàn)較好的軸對(duì)稱性[9],選取的拍攝段能反映低能量導(dǎo)爆索的氣泡脈動(dòng)特性。

為了判讀氣泡直徑,采用平均值法,即在拍攝所得圖像上,從上到下等距離選取10個(gè)測(cè)點(diǎn),對(duì)10個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量,然后取平均值作為判讀直徑。由于受到攝像機(jī)鏡頭尺寸的限制,鏡頭拍攝到的氣泡圖像所顯示的大小并非氣泡的真實(shí)尺寸[11]。圖像顯示的氣泡尺寸僅為圓柱形氣泡直徑長(zhǎng)度的一部分,氣泡實(shí)際直徑計(jì)算公式可參考文獻(xiàn)[8]。

a. single arrangementb. double arrangement

圖2低能量導(dǎo)爆索布設(shè)方式

Fig.2Layout way of low energy detonating cord

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 水平放置單根低能量導(dǎo)爆索氣泡脈動(dòng)

水平放置單根低能量導(dǎo)爆索水下爆炸氣泡脈動(dòng)現(xiàn)象如圖3所示。

圖3水平放置單根低能量導(dǎo)爆索水下爆炸氣泡脈動(dòng)過(guò)程的典型圖像

Fig.3Typical images of the pulsation process of underwater explosion bubble for single horizontal low energy detonating cord

由圖3可以清晰觀察到拍攝段兩次氣泡脈動(dòng)的過(guò)程。拍攝段水下爆炸起爆后初始產(chǎn)生較為規(guī)則的柱形氣泡并迅速膨脹,在8 ms時(shí)氣泡直徑達(dá)到最大值6.9 cm,接著在內(nèi)外壓的作用下,氣泡迅速收縮,在11.5 ms時(shí)達(dá)到最小直徑3.0 cm。隨后氣泡再次膨脹和收縮,第二次氣泡脈動(dòng)過(guò)程中,氣泡邊界不再清晰,這主要是由于低能量導(dǎo)爆索爆炸后殘留的金屬外殼形成的大量碎片在第一次氣泡收縮時(shí)擊穿氣泡。第二次氣泡脈動(dòng)過(guò)程中,浮力作用明顯,氣泡整體上浮。水平放置時(shí)低能量導(dǎo)爆索水下爆炸氣泡脈動(dòng)持續(xù)時(shí)間長(zhǎng),200 ms時(shí)仍可見大量小氣泡。其第一次和第二次氣泡脈動(dòng)直徑隨時(shí)間變化的規(guī)律如圖4所示。

3.2 豎向放置兩根低能量導(dǎo)爆索氣泡脈動(dòng)

采用圖2所示的方法豎向布設(shè)兩根低能量導(dǎo)爆索,兩導(dǎo)爆索的間距設(shè)置為10 cm,一發(fā)雷管同時(shí)起爆兩根低能量導(dǎo)爆索。其拍攝段水下爆炸氣泡脈動(dòng)過(guò)程如圖5所示。

圖4水平放置單根低能量導(dǎo)爆索前兩次脈動(dòng)過(guò)程中氣泡直徑隨時(shí)間變化

Fig.4Change in bubble diameter with time in the first two pulsation process of single horizontal low energy detonating cord

由圖5可以看出,豎向放置兩根低能量導(dǎo)爆索同時(shí)起爆后,兩導(dǎo)爆索產(chǎn)生的水中沖擊波在兩導(dǎo)爆索形成的平面中間相遇; 拍攝段由于高溫高壓的爆轟產(chǎn)物壓縮周圍流體迅速膨脹而形成兩個(gè)圓柱形氣泡。

豎向放置兩根低能量導(dǎo)爆索水下爆炸第一次氣泡脈動(dòng)周期是27.5 ms,比文獻(xiàn)[8]中觀察到的豎向放置單根低能量導(dǎo)爆索第一次氣泡脈動(dòng)周期(21.5 ms)長(zhǎng),究其原因主要是由于兩氣泡間距小,膨脹階段相互排斥,收縮階段互相吸引,阻止雙方的膨脹和收縮,從而抑制氣泡的運(yùn)動(dòng),延長(zhǎng)氣泡的脈動(dòng)周期。圖5中看出,拍攝段的兩根低能量導(dǎo)爆索氣泡膨脹初期保持圓柱形,而隨著脈動(dòng)半徑的逐漸增大,氣泡外輪廓不再保持標(biāo)準(zhǔn)的圓柱形(t=24.5 ms及其以后的圖像中可以看出),這一方面是因?yàn)橄噜弮蓤A柱形氣泡間距過(guò)小,相互之間阻力的影響,另一方面是爆后導(dǎo)爆索爆炸碎片到達(dá)氣泡邊緣,擊穿氣泡。

圖5豎向放置兩根低能量導(dǎo)爆索水下爆炸氣泡脈動(dòng)過(guò)程的典型圖像

Fig.5Typical images of the pulsation process of underwater explosion bubble for two vertical low energy detonating cords

62 ms之后兩氣泡開始相互融合,79.5 ms時(shí)完全融合成圖形近似規(guī)則的氣泡帷幕,該氣泡帷幕持續(xù)時(shí)間長(zhǎng),323 ms時(shí)仍清晰可見,但氣泡帷幕的厚度伴隨著氣泡的膨脹和收縮逐漸變薄。水下爆炸1130 ms后,該區(qū)域仍有大量的小氣泡,這些小氣泡的存在能顯著增加水下爆炸混響效應(yīng)。

3.3 水平放置兩根低能量導(dǎo)爆索氣泡脈動(dòng)

采用圖2的布設(shè)方式,將兩根低能量導(dǎo)爆索間距10 cm并排布置在正方形鋼圈上,放置在水中時(shí),保持兩根低能量導(dǎo)爆索水平放置,由一發(fā)雷管同時(shí)起爆,氣泡脈動(dòng)過(guò)程如圖6所示。

從圖6可以看出,拍攝段水平放置兩根低能量導(dǎo)爆索第一次氣泡脈動(dòng)周期(14 ms)要比水平放置單根(11.5 ms)長(zhǎng),原因在于兩柱形氣泡間距10 cm布設(shè),二者膨脹階段相互排斥,收縮階段相互吸引,互為對(duì)方膨脹和收縮的阻力,抑制兩氣泡的運(yùn)動(dòng),導(dǎo)致第一次氣泡脈動(dòng)周期變長(zhǎng)。從14 ms時(shí)兩氣泡為邊緣非光滑的近似柱形氣泡,此時(shí)對(duì)應(yīng)氣泡直徑最小,第一次氣泡脈動(dòng)周期為14 ms。在19.5 ms時(shí)氣泡直徑達(dá)到第二次脈動(dòng)的最大值,隨后收縮,21 ms時(shí)直徑達(dá)到最小值。

在22 ms時(shí),兩氣泡逐漸融合在一起,形成一氣泡帷幕層,該氣泡帷幕層持續(xù)時(shí)間長(zhǎng),在67.5 ms前共經(jīng)歷5次膨脹和收縮的過(guò)程,隨后氣泡帷幕層厚度逐漸變薄,并慢慢分散成數(shù)量眾多的小氣泡,在541.5 ms時(shí)仍可見大量小氣泡。

圖6水平放置兩根低能量導(dǎo)爆索水下爆炸氣泡脈動(dòng)過(guò)程的典型圖像

Fig.6Typical images of the pulsation process of underwater explosion bubble for two horizontal low energy detonating cords

4 結(jié) 論

用高速攝影系統(tǒng)對(duì)水平和豎向放置的單根及兩根低能量導(dǎo)爆索水下爆炸氣泡脈動(dòng)特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究,得出結(jié)論如下: (1)拍攝段水平放置單根低能量導(dǎo)爆索水下爆炸首次氣泡脈動(dòng)形狀保持圓柱形,第一次氣泡脈動(dòng)的周期為11.5 ms,最大直徑為6.9 cm; (2)豎向放置兩根低能量導(dǎo)爆索第一次氣泡脈動(dòng)周期長(zhǎng),第一次氣泡脈動(dòng)周期為27.5 ms,62 ms后兩氣泡開始相互融合,79.5 ms時(shí)形成完全融合的氣泡帷幕; (3)水平放置兩根低能量導(dǎo)爆索第一次氣泡脈動(dòng)周期為14 ms,第二次氣泡脈動(dòng)周期為7 ms,22 ms時(shí)兩氣泡開始相互融合,形成一氣泡帷幕層。

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