封閉空間內水層對爆炸載荷特性影響的實驗研究

徐海斌，王昭，胡華權，孫震宇，史國凱，楊軍，沈兆武

（1.中國科學技術大學近代力學系中國科學院材料力學行為和設計重點實驗室，安徽合肥230026；2.西北核技術研究所強動載與效應重點實驗室，陜西西安710024）

封閉空間內水層對爆炸載荷特性影響的實驗研究

徐海斌1，2，王昭2，胡華權2，孫震宇2，史國凱2，楊軍2，沈兆武1

（1.中國科學技術大學近代力學系中國科學院材料力學行為和設計重點實驗室，安徽合肥230026；2.西北核技術研究所強動載與效應重點實驗室，陜西西安710024）

采用球對稱爆炸裝置，在球形容器中開展了炸藥與水之間有空氣間隙（層）的置水爆炸實驗，根據(jù)實測的激波走時、壓力和沖量等數(shù)據(jù)，對容器內置水爆炸載荷形成機制進行了分析，并探討了爆炸過程中空氣間隙與爆轟產(chǎn)物和水之間的作用機理。結果表明：置水爆炸時容器內壁受到的載荷主要包括幅值較低的前導空氣沖擊波和霧狀水滴的持續(xù)撞擊作用，有空氣間隙的置水爆炸可以降低反射壓力、準靜態(tài)壓力和沖量，空氣間隙有利于水對爆炸載荷的消減效果。

兵器科學與技術；水消波；沖擊波；空氣間隙；容器

0 引言

炸藥周圍堆放水袋或水墻等可以將一部分爆炸能量轉化為水的相變和動能，大大降低爆炸沖擊波的幅值，減輕意外爆炸對周圍建筑或人造成的危害。因此很多國內外學者致力于用水消減沖擊波的規(guī)律研究，通過數(shù)值計算和實驗研究對影響水消減爆炸沖擊波的各種參數(shù)進行了評估［1-6］，包括水與炸藥當量的比值、爆炸載荷密度、比例距離等，美國海軍水面戰(zhàn)中心（NSWC）［1］為美國海軍土木工程實驗室（NCEL）在模擬高性能炸藥庫內進行了置水爆炸實驗，結果表明當水藥比約為2.89時峰值氣體壓力比無水爆炸下降了90%.為了減小爆破效應，美國陸軍工程兵團（USACE）［2］在用于銷毀彈藥的爆炸容器內通過在約1.8kg梯恩梯（TNT）炸藥周圍放置水袋，減小了70%的氣體壓力。Bornstein等［3］在裝甲車輛底部爆炸防護實驗中研究了水箱、充氣輪胎和充水輪胎等對鋼板的防護效果，并指出增加水的重量比增加鋼板重量更利于降低鋼板的變形。上述研究模擬具體的應用場所進行了縮比實驗，主要通過氣體壓力即準靜態(tài)氣壓和壓力時間的積分得到?jīng)_量對水消減沖擊波的效果進行了評估，而關于用水消減爆炸沖擊波的機理研究比較罕見。

關于炸藥與水之間的空氣間隙對置水消波尤其是反射超壓及其沖量影響的實驗研究非常罕見。Chabin等［7］模擬炸藥存儲設施實驗中開展了水墻與炸藥相隔一段距離的爆炸實驗，當比例水墻距離（水墻與炸藥的距離/炸藥當量1/3）增加80%時入射壓力降低約70%。Cheng等［8］利用Dytran動力學仿真軟件建立了一維數(shù)值模型，指出水與炸藥之間的空氣間隙會降低水對入射沖擊波的消減效果。Mao等［9］用SPH算法計算出水與炸藥之間的空氣間隙會影響水對沖擊波的消減效果，空氣間隙越窄，水消波的效果越顯著。Chen等［10］通過實驗與數(shù)值計算研究了水墻與炸藥的距離對入射沖擊波及其沖量的影響。上述實驗和數(shù)值模擬主要研究了置水前后入射沖擊波及其積分后的沖量，而有關置水消減反射超壓和溫度的測試和實驗研究非常罕見。

為了研究炸藥與水之間的空氣間隙對封閉空間內水消減爆炸沖擊波的影響，本文通過設計球對稱爆炸裝置在球形容器中進行了帶有空氣間隙的置水爆炸實驗，評估了不同空氣間隙置水對激波走時、動態(tài)壓力、準靜態(tài)壓力、溫度和沖量的影響，實驗驗證了置水爆炸會吸收爆熱、降低溫度，研究了空氣間隙厚度不同對置水消減爆炸載荷的影響規(guī)律，進一步分析了水消減沖擊波的作用機理，可以為合理應用水消波技術提供借鑒。

1 實驗說明

1.1實驗裝置

在球形容器內進行爆炸實驗，內徑為523mm，厚6mm，材料為Q345R低合金鋼。在容器赤道線均勻分布4個傳感器安裝座，容器上端開設直徑125mm的入口用于炸藥安裝［11］。實驗中采用球對稱爆炸裝置，將球形炸藥放置在球形聚氯乙烯（PVC）內殼，并將內殼固定在球形PVC外殼中，內外殼之間注水，水與炸藥之間的空氣間隙即為內PVC殼半徑減去炸藥半徑，PVC殼厚度約為0.1mm.炸藥由主裝藥和小型起爆藥球組成，爆炸總當量為60gTNT，實驗裝置如圖1所示。主裝藥為50%黑索今（RDX）與50%TNT，由2個半球組合而成。起爆藥球安裝在主裝藥中心，當量為1gTNT.通過直徑1mm、線裝藥密度為0.5g/m的RDX導爆索引爆起爆藥球，實現(xiàn)較理想的中心起爆。

圖1　實驗裝置Fig.1 Experimental apparatus

1.2測試系統(tǒng)簡介

測試內容包括容器內壁壓力、沖量和溫度。在容器赤道線的4個傳感器安裝座上安裝傳感器［11］，分別測量動態(tài)反射壓力、準靜態(tài)壓力、沖量和溫度等。用壓電式壓力傳感器測量容器內壁的動態(tài)反射壓力，采用與容器內壁齊平安裝方式；用壓阻式壓力傳感器測量容器內壁準靜態(tài)壓力，采用導孔安裝方式，導孔為若干個直徑1mm的小孔，導孔數(shù)量見表1；用基于反射光柵的測速方法測量沖量塞速度獲取沖量［12］，采用爆炸前沖量塞前端與容器內壁平齊的安裝方式；用1個快響應熱電偶測量容器內壁附近準靜態(tài)氣溫變化，熱電偶響應時間為20ms，先后采用了2種安裝方式，如表1所示。測試壓電式壓力傳感器和沖量信號的采樣率為5MS/s，測試準靜態(tài)壓力和溫度信號的采樣率為10kS/s.

起爆時，由起爆器和雷管組成的回路會產(chǎn)生瞬間電流，該瞬間電流通過互感器產(chǎn)生脈沖電壓作為觸發(fā)信號輸入至同步機，進而同步觸發(fā)示波器等記錄設備。炸藥爆心起爆時間取決于雷管起爆時間與傳爆用時，雷管起爆時間由安裝于雷管末端探針測得，傳爆用時由導爆索長度與爆速計算后得到。本文中，測試信號的時間零時已調整為炸藥爆心起爆零時。

表1　實驗參數(shù)Tab.1 Experimental parameters

2 實驗結果與分析

圖2　3種工況實測的動態(tài)反射壓力波形Fig.2 Reflected pressure waves measured at three different operating conditions

進行水量基本相同、4個不同水與炸藥間隙（即不同水層厚度）的置水爆炸和無水爆炸實驗，如表1所示，共8發(fā)實驗。

2.1實驗結果

圖2是壓電式壓力傳感器實測的無水、無間隙置水和有間隙置水情況下的動態(tài)反射壓力典型波形。由圖2可見，無水爆炸的壓力波形和峰值與以往實驗的結果［11］基本相同，說明該測試系統(tǒng)是可信的。從反射壓力波形特征可以看出:無水爆炸后沖擊波作用到壁面后在容器內壁發(fā)生反射，反射后的沖擊波在容器中心匯聚后再次作用到容器內壁，爆炸后1.5ms容器內自由場逐漸趨于平穩(wěn)；壓力波形通?？焖佘S升至峰值后緩慢下降，再逐漸趨于大氣壓，卸載時間遠大于加載時間。置水爆炸的動態(tài)反射壓力波形與無水爆炸截然不同。無間隙置水爆炸時，沖擊波到達內壁時間明顯晚于無水爆炸，壓力波形先上升一段后又快速躍升至峰值，之后快速下降至大氣壓，卸載時間通常短于加載時間。圖2中壓力波形后期出現(xiàn)了多個幅值5MPa以上的正向脈沖，通過到達時間和壓力幅值可以確定該脈沖不是容器內部正常的反射壓力，應該是干擾信號引起的。有間隙置水爆炸時，沖擊波到達內壁時間略晚于無間隙置水爆炸，壓力波形在到達峰值前會有一些幅值較小的壓力脈沖，逐步上升至峰值后快速下降至大氣壓，其加載時間遠高于壓力峰值的卸載時間。相比無水爆炸，大部分置水爆炸反射壓力峰值更大，但壓力波形在峰值后的持續(xù)時間更短，容器內部流場平穩(wěn)得更快。

將不同水與炸藥間隙爆炸實測的沖量I與無水爆炸所測的沖量I0進行了比較，如圖3所示，具體數(shù)據(jù)見表2.由圖3可見，有水爆炸的沖量降至無水爆炸的30%～40%.隨著水與炸藥間隙的增加，沖量先減后增。適當?shù)乃c炸藥間隙有利于降低無間隙置水爆炸的沖量，當水與炸藥間隙增加至20mm時沖量仍比無間隙置水爆炸低7%以上。

對溫度波形50Hz濾波后，將不同水與炸藥間隙爆炸實測的溫升ΔT與無水爆炸所測的溫升ΔT0進行比較，由圖3和表2所示。由圖3和表2可見，有水爆炸的溫升下降為無水爆炸的30%～60%，溫升的下降證明了置水爆炸時水吸收大量爆熱發(fā)生了汽化，并顯著降低了容器內爆炸后的氣體溫度，隨著水與炸藥間隙的增加，溫升先增后減，說明較大的空氣間隙更有利于降低溫升，當水與炸藥間隙增加至20mm時溫度下降幅度最顯著，僅為無水爆炸的35%，約為無間隙置水爆炸的60%.注意到，實驗1的溫升較高的原因是傳感器采用平齊安裝，置水爆炸即實驗2中該傳感器沒有正常工作，實驗后卸下的傳感器證實其已損壞，應是水滴直接撞擊傳感器造成的。故此后溫度傳感器采用導孔安裝方式以保護傳感器。

圖3　水與炸藥間隙與沖量和溫度的關系Fig.3 Relationship among air-gap，impulse and temperature with and without water

表2　實驗結果Tab.2 Experimental results

表2中列出了實測的準靜態(tài)壓力峰值，從中可以看出，在相同導孔數(shù)量的安裝方式下置水爆炸的準靜態(tài)壓力峰值均明顯低于置水爆炸，有空氣間隙的置水爆炸有利于進一步降低準靜態(tài)壓力峰值，水與炸藥間隙為12mm時，僅為無水爆炸的29%，約為無間隙置水爆炸的37%.同時，6導孔的安裝方式時無空氣間隙的準靜態(tài)壓力峰值約為無水爆炸的4/5，明顯高于2導孔時的1/4，說明導孔的數(shù)量會對準靜態(tài)壓力的測量結果產(chǎn)生顯著影響，原因可能是2導孔時容器內氣體進入空腔的速度較慢，測到的壓力在物理意義上更趨于靜態(tài)壓力，并且由于2導孔時準靜態(tài)壓力峰值時刻更晚，水汽化時間和吸熱量更多，可以解釋6導孔的準靜態(tài)壓力峰值與無水爆炸的比值高于2導孔，也說明水汽化過程是一個相對時間較長、持續(xù)的過程，置水對靜態(tài)壓力的消減效果高于準靜態(tài)壓力。

圖4分別對不同水與炸藥間隙爆炸實測的沖擊波平均速度D與無水爆炸的平均速度D0進行比較。用壓電式壓力傳感器上的壓力信號到時，減去導爆索和炸藥的傳爆用時，可獲得爆炸沖擊波從藥球表面到容器內壁的走時，見表2，再根據(jù)從藥球表面到容器內壁的傳播距離可以計算出平均速度。由圖4可見，有水爆炸的沖擊波平均速度均低于無水爆炸，約為30%～40%.隨著水與炸藥間隙的增加，沖擊波平均速度先增后減再增，基本與無間隙置水爆炸的沖擊波平均速度相同。當空氣間隙為12mm時，沖擊波平均速度最小，約為無間隙置水爆炸的90%.空氣沖擊波強度與沖擊波速度是密切相關的，由實測的沖擊波平均速度可知，容器內置水爆炸時產(chǎn)生的空氣沖擊波強度顯著小于無水爆炸，但部分實測的反射壓力卻高于無水爆炸（見表2），這表明出現(xiàn)較大反射壓力的原因除了空氣沖擊波還包括水破碎形成的水霧對容器內壁的撞擊作用。由此可知，置水爆炸時，容器內壁受到的載荷主要包括:前導的空氣沖擊波和水滴的持續(xù)撞擊作用。

圖4　水與炸藥間隙與沖擊波平均速度的關系Fig.4 Relationship between average veloctiy of shock wave and air-gap with and without water

由表2可知，在有空氣間隙的置水實驗中，空氣間隙越大即水層厚度越小，則動態(tài)反射壓力峰值越大。間隙為20mm、水層厚度為10mm的動態(tài)反射壓力峰值約為無水爆炸的1.7倍，間隙為4mm、水層厚度為18mm的動態(tài)反射壓力峰值約為無水爆炸的50%.同樣，前二者的準靜態(tài)壓力峰值分別約為無水爆炸的60%和30%.其原因可能是厚度較小的水層因空氣穴現(xiàn)象和Richtmyer-Meshkov（R-M）不穩(wěn)定性更容易破碎、分裂，使爆炸后的高溫高壓氣體很快突破水層并形成空氣沖擊波，導致水層對爆炸載荷的影響更小。

2.2分析與討論

為了便于分析和說明，將球面波近似為平面沖擊波來分析置水爆炸的過程。

無間隙置水爆炸時，在炸藥-水界面發(fā)生卸載反射，向爆轟產(chǎn)物中反射稀疏波，在水中形成沖擊波。當沖擊波傳播到水-空氣界面時又將發(fā)生卸載反射，水向外膨脹的質點速度增大，并向水中反射稀疏波，在空氣中產(chǎn)生比較弱小的透射沖擊波。當反射波回到炸藥-水界面時，將發(fā)生加載反射，由此類推，在水中將回來反射稀疏波和沖擊波，在空氣中則透射一些系列的沖擊波。每在水的自由面上反射一次，水向外膨脹速度就增加一次，因此靠近空氣一側的水中會產(chǎn)生空氣穴現(xiàn)象［13］，水將被散布成霧滴。當周圍水層擴散、破碎到一定程度，高溫高壓的爆轟產(chǎn)物將破水而出并進入空氣中，最終在水的前方形成前導的空氣沖擊波。在上述過程中，水層發(fā)生了分離、變形、加速、分裂、破碎、霧化等過程，使水滴具有了較高的速度。不同大小、形狀、速度的水滴韋伯數(shù)各不相同，發(fā)生分裂、破碎的時機也不一樣，因此各個水滴到達速度峰值的時刻不盡相同，導致眾多的水滴對目標物往往會產(chǎn)生間斷性的持續(xù)撞擊作用。

有間隙置水爆炸則比無間隙置水爆炸過程更加復雜。爆轟波首先到達炸藥-空氣1界面（注:間隙空氣為空氣1，容器內部空氣為空氣2，見圖1，下同），發(fā)生卸載反射，在空氣1中形成透射沖擊波，該沖擊波到達空氣1-水界面后，將發(fā)生加載反射，空氣1中的反射沖擊波回到炸藥-空氣1界面時又將發(fā)生加載反射，由此推斷，該反射沖擊波在空氣1中將來回反射，并向水中傳入一系列的透射沖擊波。水中的透射沖擊波到達自由表面即水-空氣2界面時，將發(fā)生卸載反射，當反射的稀疏波回到空氣1-水界面時將反射沖擊波，由此類推，在水中將回來反射稀疏波和沖擊波，由于空氣1的存在使傳入水中的透射沖擊波遠多于無間隙置水爆炸，因此靠近空氣2一側的水中產(chǎn)生的空氣穴現(xiàn)象比無間隙置水爆炸更快更強烈，使水霧化得更快、更徹底。在忽略速度衰減和界面不穩(wěn)定性的情況下，理論上反射沖擊波將在空氣間隙中無限循環(huán)下去，并在水中形成無數(shù)道透射沖擊波和氣穴現(xiàn)象，直至水徹底破碎，因此空氣間隙有利于水的破碎與霧化。從實驗結果可見，有間隙置水爆炸的反射壓力波形比無間隙置水爆炸歷時更長，說明空氣間隙有利于水的破碎使更多的爆轟產(chǎn)物破水而出并在空氣2中形成前導的空氣沖擊波?？諝忾g隙為4mm的置水爆炸對降低動態(tài)反射壓力的幅值最顯著，原因可能是在間隙較小的空氣1中反射波來回一次的時間更短，相同時間內傳入水中的透射沖擊波次數(shù)較多，使水霧化程度更高，有利于水吸收爆炸能量，降低爆炸沖擊波。

由此可見，有空氣間隙置水爆炸的動態(tài)反射壓力和沖量均比無空氣間隙更小，說明炸藥與水之間的空氣間隙有利于水對爆炸載荷的消減效果。實驗中發(fā)現(xiàn)，用4倍炸藥量的水直接包裹炸藥不利于減小該實驗工況下的爆炸威力，爆炸氣體推動下水的高速撞擊有時會導致容器局部載荷較大的情況。炸藥與水之間的空氣間隙促進水的霧化，可以緩解這些情況。實驗表明，有間隙或無間隙置水爆炸都有利于降低爆炸后的準靜態(tài)壓力、沖量和溫升。因此，通過在炸藥周圍設置空氣間隙進行置水，并適當降低水量以降低水對壁面的撞擊作用，可以實現(xiàn)在尺寸較小的封閉空間內的消波防護，也可為水作為消減爆炸沖擊波方法的工程應用提供參考。

3 結論

本文通過在炸藥周圍包裹水層進行爆炸實驗，研究了炸藥與水之間空氣間隙對置水爆炸載荷的影響規(guī)律，并探討了空氣間隙與爆轟產(chǎn)物和水之間的作用機理，得到以下結論:

1）水與炸藥間隙有利于水的破碎、霧化和吸熱，使反射壓力、準靜態(tài)壓力和沖量均低于無空氣間隙的置水爆炸，有利于水對爆炸載荷的消減效果。

2）置水爆炸時容器內壁受到的載荷主要包括前導的空氣沖擊波和霧狀水滴的持續(xù)撞擊作用。前導空氣沖擊波幅值遠低于無水爆炸的沖擊波，水對目標物的撞擊作用隨水與炸藥間隙變化而變化，與無水爆炸的反射壓力峰值基本在同一量級。

3）相比無水爆炸，盡管大部分置水爆炸反射壓力幅值更大，但壓力波形在峰值后的持續(xù)時間往往更短，而且置水爆炸時容器內部流場平穩(wěn)更快。

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Experimental Study of Air-gap Effect on Water Mitigation of Confined Explosion

XU Hai-bin1，2，WANG Zhao2，HU Hua-quan2，SUN Zhen-yu2，SHI Guo-kai2，YANG Jun2，SHEN Zhao-wu1
（1.CAS Key Laboratory of Mechanical Behavior and Design of Materials，Department of Modern Mechanics，University of Science Technology of China，Hefei 230026，Anhui，China；2.Key Laboratory of Intense Dynamic Loading and Effect，Northwest Institute of Nuclear Technology，Xi'an 710024，Shaanxi，China）

To investigate the mechanism of water mitigation on air shock wave due to detonation of explosive surrounded by water，several experiments with an air-gap between explosive and water are carried out in a spherical vessel using the spherical charge and water configurations ignited at the center point of the sphere.The water mitigation concept of confined explosion is studied according to the experimental data，such as travel time of shock wave，pressure，impulse and so on.The mechanism of interaction among airgap，detonation products and water during explosion is also discussed.The results indicate that the lower air shock wave than explosion without water followed with the continual impact of water spray forms the explosion loading from detonating the charge surrounded by water.It is useful of air-gap between charge and water layer to attenuate the reflected overpressure，quasi-state pressure and impulse，which means the air-gap can be applied to enhance the mitigation effect of water on explosion loading.

ordnance science and technology；water mitigation；shock wave；air-gap；vessel

O383+.1

A

1000-1093（2016）08-1443-06

10.3969/j.issn.1000-1093.2016.08.015

2015-12-03

國家自然科學基金項目（11172245）

徐海斌（1980—），男，博士研究生。E-mail:xuhaibin@nint.ac.cn；沈兆武（1953—），男，教授，博士生導師。E-mail:hhma@ustc.edu.cn