模拟不同海拔水下爆炸气泡动态特性研究.pdf

第2 9 卷第1 期 2 0 1 2 年3 月 爆破 B L A S T I N G V 0 1 ．2 9N o ．1 M a r ．2 0 1 2 D O I 1 0 ．3 9 6 3 ／j ．i s s n ．1 0 0 1 - 4 8 7 X ．2 0 1 2 ．0 1 ．0 2 3 模拟不同海拔水下爆炸气泡动态特性研究 黄麟’，张立1 ，国志达2 ，熊苏’，马勇1 ，张凯1 ，翟晓蓉3 1 ．安徽理工大学化工学院，淮南2 3 2 0 0 1 ；2 ．j E 京北方爆破工程有限责任公司，北京1 0 0 0 8 9 ； 3 ．浙江永联民爆器材有限公司永进分公司，金华3 2 11 0 0 摘要不同海拔高度进行水下爆破工程时，因水体表面气压随海拔的升高而线性降低，箕装药爆炸产生 的气泡脉动过程及气泡大小将会发生一定的变化。通过爆炸栽荷的测试以及高速摄影2 种测试方法对气泡 脉动进行了研究。结果表明在海拔0 45 0 0m 范围内随着气压降低，气泡脉动周期按二阶多项式规律显 著增大，2 种方法所得数值误差小于3 ．8 ％，数据一致性较好；在海拔O ～35 0 0m 范围内气泡最大半径随海 拔升高而线性变大。而40 0 0m 和45 0 0m 有突跃变化。将研究结果与水下爆炸气泡周期理论公式进行了比 较，并对理论公式在低气压这一特定条件下进行修正，得出的气泡脉动周期系数由原来的2 ．1 l 修正为 J ．9 9 5 ，而气泡最大半径系数是一个与海拔有关的一次函数。 关键词水下爆炸；气泡脉动；气泡最大直径；爆炸载荷；高速摄影 中图分类号 0 3 8 2 ．1 文献标识码A文章编号1 0 0 1 - 4 8 7 X 2 0 1 2 O l - 0 0 8 7 0 4 S t u d yo nB u b b l eD y n a m i c so fU n d e r w a t e rE x p l o s i o ni n S i m u l a t e dD i f f e r e n tA l t i t u d eC o n d i t i o n s H U A N GL i n l ，Z H A N GL i l ，G U OZ h i d a 2 ，X I O N GS u l ，M AY o n 9 1 ，Z H A N GK a i l ，Z H M X i a o ．r o r t 9 3 1 ．S c h o o lo fC h e m i c a lE n g i n e e r i n g ，A n h u iU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ， H u a i n a n2 3 2 0 0 1 ，C h i n a ；2 ．B e i j i n gN o r t hB l a s t i n gL i m i t e dL i a b i l i t yC o m p a n y ，B e i j i n g1 0 0 0 8 9 ，C h i n a ； 3 ．Z h e j i a n gY o n g l i a nY o n g j i nB r a n c hJ o i n tE x p l o s i v eM a t e r i a l sC oL t d ，J i n h u a3 2 11 0 0 ，C h i n a A b s t r a c t T h ea i rp r e s s u r eo fw a t e rs u r f a c ed e c r e a s e sl i n e a r l yw i t ht h ea l t i t u d ei n c r e a s i n gf o ru n d e r w a t e re x p l o - s i o ne n g i n e e r i n gi nt h ed i f f e r e n ta l t i t u d ea ∞a ．i th a sv e r yi m p o r t a n ts i g n i f i c a n c ef o rt h eb l a s t i n gc o n s t r u c t i o nw h e t h e r p r o c e s so fb u b b l ep u l s a t i o na n db u b b l es i z ec h a n g e so rn o ta f t e rt h ec h a r g ee x p l o s i o n ．T h er e s e a r c hf o rb u b b l ep u l s a - t i o nu s ee x p l o s i v el o a dt e s ta n dK g b - s p e e dp h o t o g r a p h yt e s ti nt h i sp a p e r ．T h er e s e a r c hs h o wt h a tt h ep e r i o do fh u b - h i ep u l s a t i o ni n c r e a s i n gs i g n i f i c a n t l yb yt h er u l eo fs e c o n do r d e rp o l y n o m i a lw h e nt h ea i rp r e s s u r ed e c r e a s e sg r a d u a l l y i nt h er a n g eo f O - 45 0 0m ．a n di th a sg o o dd a t ar e l i a b i l i t yf o rt w ot e s tv a l u e se I T o ri sl e s st h a n3 ．8 ％；t h em a x i m u m r a d i u so ft h eb u b b l ei n c r e a s e sl i n e a r l yw h e nt h ea i rp r e s s u r ed e c r e a s e sg a d u a l l yi nt h er a n g eo f0 35 0 0m ，t h ev a l U e so f4 0 0 0 1 1 1a n d4 5 0 0 mh a v es i g n i f i c a n tc h a n g e s ．C o m p a r e dw i t ht h ee x i s t i n gt h e o r yf o r m u l ao fu n d e r w a t e re x p l o - s i o n s ，c o r r e c tt h et h e o r e t i c a lf o r m u l a si nl o wp r e s s u r ec o n d i t i o n sa n dg e tt h ec o e f f i c i e n to ft h eb u b b l ep u l s a t i o np e r i o d f r o m2 ．11t o1 ．9 9 5 a n dt h ef a e t o ro fm a x i m u mb u b b l er a d i u si saf u n c t i o nw i t ha l t i t u d e ． K e yw o r d s u n d e r w a t e re x p l o s i o n ；b u b b l ep u l s a t i o n ；m a x i m u mb u b b l er a d i m ；e x p l o s i v el o a dt e s t ；h i s h - s p e e d p h o t o g r a p h y 收稿1 3 期2 0 1 I - 0 9 一1 5 作者简介黄麟 1 9 8 6 一 ，男，在读硕士，从事水下爆炸研究， E m a i l l h u a n 9 3 a u s l ．e d u ．c n 。 水下装药爆炸过程主要分为3 个阶段装药的 爆轰、冲击波产生和传播、气泡脉动和上浮。冲击波 和气泡脉动波是2 个重要因素⋯，因此，水中结构物 万方数据 8 8爆破 2 0 1 2 年3 月 在遭受水下爆炸作用时除受冲击波造成的损伤外， 还将受到气泡载荷的毁伤。两者的破坏机理不同， 冲击波超压高，但作用时间短，主要引起结构的高频 响应，对结构会造成局部破损；而气泡第1 次脉动形 成的压力波远小于冲击波超压，不超过其1 0 ％一 2 0 ％，但作用时间远远大于冲击波作用时间，作用冲 量与冲击波可相比拟，气泡脉动载荷主要引起低频 响应，会造成构筑物整体破坏“ J 。 水下爆炸研究最早始于1 9 世纪6 0 年代，一直 以来都将研究重心放在对冲击波的产生和传播机理 上，直到近年来气泡和水中结构物的相互作用才成 为国际上研究热点旧J 。有关水下爆炸气泡脉动现 象和能量输出的基础理论，国内外都开展了广泛的 理论和实验研究，并进行了大量的数值模拟工作，但 水下爆炸气泡脉动理论并不成熟，研究范围、条件仍 有不足之处。如对非定常气压条件的水下爆炸研究 较少。针对不同海拔高度下水面大气压力不同这一 条件，对水下爆炸气泡脉动参数进行了实验研究。 1 实验原理与设计 实验研究利用了密闭的球形高压爆炸压力容 器，采取抽气压的方式调节水体表面气压，以模拟不 同海拔水下爆炸环境，探究水下爆炸气泡脉动参数 的变化规律。 1 ．1 球形高压爆炸容器 该装置内径1 ．5m ，容积1 ．7 6 7m 3 ，设计压力 2 ．5M P a ，最高耐压实验压力2 ．6 2 5M P a ，符合 G B l 5 0 - - - 9 8 产品标准。在容器中部的东、西、南、北 方向各有1 个直径为0 ．2 5m 的观测窗，窗口东、西、 南盲板采用厚度为3 6m m 的高强度透明有机玻璃， 北边盲板可以安装水下爆炸压力传感器。顶部是 1 个直径0 ．4 0m 的入孔，在入孔法兰盖上安装有连 接起爆系统的接线柱，在容器的上部设计有进气和 抽气阀门H 』，容器底端有一放水口。 1 ．2 电测系统 该系统由C Y Y D 2 0 2 型压力传感器、 S T Y V _ 2 低噪声电缆、Y E 5 8 5 0 A 电荷放大器、 5 4 8 1 5 A 数字储存示波器构成。储存示波器不仅记 录P - t 曲线，还可以对曲线分析计算，信号上升时 间与示波器上升时间比值为1 0 l ，测量误差为 0 ．5 ％，最高采样率1G S a ／s ，在试验中采用lM H z 采样速率，达到水下爆炸电载荷测试技术的要求。 传感器与装药处于同一水平面，并指向装药。 1 ．3 光测系统 由F A S T C A MS u p e rI O K C 型高速摄像机 C C D 、辅助光源及笔记本电脑组合而成；水下气 泡脉动的拍摄频率为10 0 0f p s 时，拍摄时间为 5 ．4 6s ，分辨率为2 5 6 2 4 0 ，拍摄效果基本满足水下 气泡脉动计算分析要求。 1 ．4 实验条件设计 在海拔小于50 0 0m 高度范围内，气压随海拔 高度呈线性变化，都遵循气压每降低1 0 0P a ，海拔升 高9 ．5m 这一规律，故实验采取这一标准”1 。图1 是气压和海拔高度关系图 由于原数据只提供了 25 0 0m 以下的气压值，分析这些数据是呈线性关 系，相关系数r 2 0 ．9 9 86 ，因此25 0 0 45 0 0m 的 数值为外推得到 。在水下爆炸中，装药所承受的 压力为装药入水深度的静水压和水表面所受的气压 之和。通过改变水体表面气压可以改变装药所承受 的压力以模拟不同海拔低气压环境。装药为l 发 8 号工业电雷管，放置在容器中心水下0 ．6m 处，这 段距离和海拔高度相比数值相差很大，可忽略不计。 在海拔高于45 0 0m 的高原地区，水主要以冰雪、冻 土的形式存在，所以不予考虑。由于受实验条件限 制，对因海拔升高而产生温度和重力加速度的改变 未予考虑扣o 。 图l 海拔高度与大气压关系 F i g ．1R e l a t i o n s h i pb e t w e e nM t i t u d ea n d a t m 0 8 p h e r i cp r e s s u r e 表1 实验条件 T a b l e1 E x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n s 万方数据 第2 9 卷第1 期黄麟，张立，国志达，等模拟不同海拔水下爆炸气泡动态特性研究 B 9 2 实验结果与分析 电测系统完整的记录了雷管在不同海拔高度爆 炸的P t 曲线，通过计算可以准确得到气泡脉动周 期；高速摄像机完整的记录了与电测条件相同，且同 一发装药的气泡从初始膨胀一达到最大半径一第一 次收缩至最小半径的全过程，从中可以较精确的读 取气泡脉动周期和最大气泡半径。 2 ．1 实验结果处理 1 电测气泡脉动周期 由示波器读取的￡是从测试波形图上读取冲击 波到气泡波两波峰间的时间，而气泡脉动周期的定 义是水中装药爆炸后在交界面处形成的初始冲击波 到气泡波的时间。故从冲击波出现到冲击波峰值传 至测点处已经经过了一段时间，张立等在有限水域 中煤矿工业炸药爆炸能量的测试研究中对这段距离 所需时间t d 提出了相对应的计算方法”1 ，通过计算 得到单发雷管t t 值为0 ．6 8 8m s 。即“ t t d ，再将 所得的值修正到同一标准压力下，即 瓦孔 鞴 “6 孔 急 “ 1 式中只为实测水面大气压，P a ；n 为装药深度处静 水压，P a ；P 0 为相应海拔高度下标准气压，P a ；P 。为 装药深度处总静水压，l e a ；P 。为相应海拔高度装药 深度处总静水压，P a 。 在研究中，抽取气压的标准是保持P 。 P 0 ，故 修正后的n 和“的数值相等”’。 2 光测气泡脉动周期和最大半径 由于爆炸容器的观测窗口较最大气泡半径小， 但雷管水下爆炸产生的气泡是较规整的球形膨胀， 故实验中采取拍摄半球的形式对脉动现象进行观 测。高速摄像机拍摄频率设置为10 0 0f p s ，即每幅 照片间隔为1m s ，通过判读照片很容易得到气泡脉 动周期。在模拟不同海拔条件下气泡周期和最大半 径的数值有所不同，但总体的趋势都是相同的。图 2 为不同海拔的气泡最大半径照片，可以看出最大 半径随海拔增高呈逐渐增大趋势。 图2 气泡最大半径随海拔变化 F i g 2T h ec h a n g eo fm a x i m u mb u b b l er a d i u sf o l l o we l e v a t i o n s 由于从高速摄像机中拍摄到的气泡只能看到一 个球冠，需要对其进行换算修正，朱锡等在水下爆炸 气泡脉动特性的试验研究中总结了修正公式”1 一赫 ㈤ 式中l 为镜头到装药中一t l , 的距离，n l l n ；b 为照片上 测量的气泡半径，t r i m ；r 为修正后的最大气泡半径， m m 。 研究所采用气泡最大半径数据为修正值 2 ．2 试验结果分析 有关水下爆炸气泡脉动最大半径和周期的计算 主要采用以下公式”o 。。 叫罟 ”3 3 n 者鲁 ㈤ 式中P ，为同前，P a ；a 。为气泡最大半径，e m ；k 为半 径系数；W 为装药量，k g ；K 为周期系数； 为装药入 水深度，m ；‰为不同海拔的大气压水柱。m ；T 为计 算气泡脉动周期，I l l s 。 在高海拔低气压的特殊条件下，直接采用常压 条件总结的计算公式是不合理的，将试验中得到的 数据对比常压条件下的最大半径和周期公式，从而 对相应的系数值进行计算，总结出适合不同海拔条 万方数据 爆破 2 0 1 2 年3 月 件下的气泡脉动公式。 表2 为在不同海拔条件下由电测和光测所得的 2 组气泡脉动周期和最大半径数值，由图3 可知光 测周期略大于电测周期，但各组数据间的差值误差 小于3 ．8 ％，2 组数据一致性较好。将电测气泡脉动 周期拟合公式Y 6 E 一0 7 x 2 0 ．0 0 1I x 2 8 ．6 7 ／2 0 ．9 9 88 代入式 4 ，计算得到K I ．9 9 5 常 压条件下K 2 ．11 ，即在不同海拔高度的气泡脉动 周期公式为 丁 獬 ㈤ 表2 两种方法测出的气泡脉动参数 T a b l e2T h ep a r a m e t e r so ft w ok i n d sb u b b l ep u l s a t i o n 图3 电测、光测、计算周期在不I 司海拔条件下比照图 F i g ．3 A c c o r d i n gt oe l e e t f i e a lm e a s u r e m e n t ，l i g h t m e a s u r e m e n t ，c a l c u l a t i o np e r i o di nd i f f e r e n ta l t i m d e 将不同海拔条件的数值代人式 5 ，得到修正 后的计算周期，与实验测／t ；的周期进行比较如图3 ， 从图中可以看出由修正后公式得到的气泡脉动周期 与电测周期几乎重合，两者间的差值误差小于3 ％， 计算脉动周期与光测周期间的最大误差为4 ．4 ％， 从而验证了修正公式的可靠性。 由表2 可知在海拔0 45 0 0m 范围内，随海 拔的升高，气泡最大半径呈逐渐增大趋势，40 0 0m 和45 0 0m 有突跃变化；图4 为气泡最大半径与海 拔高度在O 一35 0 0m 这一范围内关系，呈线性变 化，拟合直线方程为Y 0 ．0 0 35 5 x 1 7 4 ．7 7 ／．2 0 ．9 8 25 。将所得拟合方程代人式 3 ，求的k 值并 不是一个常数，而是一个与海拔有关的一次函数Y 一1 ．6 9 14 x 8 14 1 9 ／．2 0 ．9 9 6 ；将测试和计算所 得最大气泡半径对比，两者的差值误差为0 ．3 ％，在 这一范围内，完全可以由计算结果代替测试结果。 图4 气泡最大半径与海拔高度关系 F i g ．4 T h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nm a x i m u m b u b b l er a d i u sa n da l t i t u d e 3 结语 实验所用装药为8 号工业电雷管，是生产线上 装配产品，装药量不能控制的非常准确，因而使研究 结果会有微小误差，但从数据分析中町以得出 1 采用电测和光测2 种测试方法对水下爆炸 的气泡周期进行测量，测得的结果基本相同，光测值 略大于电测值，两者的差值比小于3 ．8 ％，这个主要 是由于光测结果只能准确到1m s ，精度不高造成 的。对电测数值进行拟合得到，气泡脉动周期与海 拔高度的关系为Y 6 E - 0 7 x 2 0 ．0 0 1I x 2 8 ．6 7 ，相 关系数r 2 0 ．9 9 88 。 2 由图2 可以看出，最大气泡半径随海拔升 高呈逐渐增大的趋势，在O 一35 0 0m 这一范围内成 线性变化，拟合直线方程为Y 0 ．0 0 35 5 x 1 7 4 ．7 7 ， ／．2 0 ．9 8 25 40 0 0m 和45 0 0m 规律不明显 。 下转第1 0 5 页 i i i gm，靼讣K堪目{扩 船铂“北∞粥硒弘弛如嬲撕 、窭匿需鏊理扩 万方数据 第2 9 卷第l 期朱劭涌，曹雄浓度对硝酸铵水溶液热稳定性的影响研究 1 0 5 上接第9 0 页 3 电测的气泡周期值对式 4 中的系数修正 得到，K 1 ．9 9 5 。从图4 口T 以看出由修正后公式得 到的气泡脉动周期0 电测周期几乎霞合，两者间的 差值误差小于3 ％，计算脉动周期与光测周期问的 最大误差为4 ．4 ％，从而验证了修正公式的可靠性。 4 由结论 2 得到的拟合方程代入式 3 ，得 到的k 值并不足一个常数，而是一个与海拔有关的 一次函数Y 一1 ．6 9 14 x 8 1 41 9 ，r 2 0 ．9 9 6 ，将测 试和计算所得最大气泡半径对比，两者的差值误差 为0 ．3 ％，在这一范围内，完全町以由计箅结果代替 测试结果。 [ 2 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 3 ] 参考文献 R e f e r e n c e s 张立，章桥龙，郭进，等．装药浅水下爆炸的气泡 脉动参数研究[ J ] ．煤矿爆破，2 0 0 5 2 5 { ． Z H A N GL i ，Z H A N GQ i a o l o n g ，G U OJ i n 。e ta 1 ．As t u d yo n b u b b l ep u l s a t i o np a r a m e t e r so fb l a s t i n gw i t hc h a r g i n gb e - l o ws h a l l o ww a t e r [ J ] ．C o a lM i n eB l a s t i n g ，2 0 0 5 2 5 - 8 ． i nC h i n e s e 周霖，谢中元，陈勇．炸药水下爆炸气泡脉动周期 工程计算方法[ J ] ．兵工学报，2 0 0 9 ，3 0 9 1 2 0 2 - 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