水下爆炸气泡脉动试验研究.pdf

第3 1 卷第1 期 2 0 1 4 年3 月 爆破 B L A S T D 呵G V 0 1 ．3 1N o ．1 M a t ．2 0 1 4 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 4 ．0 1 ．0 2 5 水下爆炸气泡脉动试验研究 张姝红，周华，权琳，金辉 中国人民解放军9 1 4 3 9 部队，大连1 1 6 0 4 1 摘要采用水中爆炸压力测量系统对不同工况下的水下爆炸压力进行了测量，得到了装药在近水底、自 由场和近水面爆炸条件下气泡脉动特性的试验数据，并将试验结果与已有的水下爆炸理论公式进行了比较 分析。分析结果表明T N T 炸药在自由场爆炸条件下气泡脉动周期测量结果与理论公式计算结果吻合较好， 用试验验证了理论计算公式的正确性；在近水底爆炸条件下，爆炸气泡脉动周期较自由场条件下长；R D X 炸 药在自由场条件下和近水面爆炸，测量的爆炸气泡脉动周期与理论公式计算结果相比较小。 关键字水下爆炸；气泡脉动；试验研究 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 4 0 1 0 1 0 6 0 4 E x p e r i m e n t a lS t u d yf o rB u b b l eI m p u l s i o ni nU n d e r w a t e rE x p l o s i o n Z H A N GS h u h o n g ，Z H O UH u a ，Q U A NL i n ，J I NH u i N o ．9 1 4 3 9U n i to fP L A ，D a l i a n11 6 0 4 1 ，C h i n a A b s t r a c t T h eu n d e r w a t e re x p l o s i o np r e s s u r ew a sm e a s u r e du n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o n su s i n gp r e s s u r em e a s u r i n g s y s t e m ，e x p e r i m e n t a ld a t ai n c l u d i n gt h eb u b b l ep u l s a t i o nc h a r a c t e r i s t i cn e a rt h eb o t t o m ，t h ef r e ef i e l da n dn e a rw a t e r s u r f a c e ．M e a n w h i l e ，t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sw e r ec o m p a r e dw i t ht h ev a l u e so fu n d e r w a t e re x p l o s i o nt h e o r yf o r m u l a c a l c u l a t i o n ．T h ea n a l y z e dr e s u l t ss h o w e dt h a tt h eb u b b l ep u l s a t i o np e r i o dm e a s u r e m e n tr e s u l t so fT Me x p l o s i v e sa g r e e dw i t ht h et h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o nv a l u e sw e l lu n d e rt h ef r e ef i e l dc o n d i t i o n ，w h i c hv e r i f i e dt h et h e o r e t i c a lc a l c u l a - t i o nf o r m u l a ；a n dt h eb u b b l ep u l s a t i o np e r i o do fn e a rb o t t o mW a sl o n g e rt h a nt h ev a l u e so ff r e ef i e l de x p l o s i o n ．T h e p e r i o dm e a s u r e m e n tr e s u l t so fR D Xe x p l o s i v e sw a ss m a l l e rt h a nt h et h e o r e t i c a l c a l c u l a t i o nv a l u e su n d e rf r e e f i e l d c o n d i t i o na n dn e a rw a t e rs u r f a c e ． K e y w o r d u n d e r w a t e re x p l o s i o n ；b u b b l ei m p u l s i o n ；e x p e r i m e n t a ls t u d y 装药在一定深度下实施水下爆炸会产生冲击波 和气泡脉动，二者均会对目标产生巨大的毁伤作用。 对于舰艇目标，冲击波主要造成舰艇结构局部板架 的严重破损；气泡脉动则会使船体产生振荡，进而造 成总体结构的严重破损及舰载设备的损坏。在非接 触爆炸中，气泡是造成目标振荡破坏作用的一个十 分重要的因素。和冲击波相比，气泡脉动峰值压力 远小于冲击波峰值压力，但作用时间更长，其产生的 冲量与冲击波产生的相当；同时由于气泡脉动的周 收稿日期2 0 1 3 1 1 1 4 作者简介张姝红 1 9 7 1 一 ，女，高级工程师、硕士，主要从事水下爆 炸理论技术研究， E m a i l z s h _ d 1 2 0 1 2 1 2 6 ．t o m 。 期与舰艇固有频率接近，容易引起舰艇艇体的共振， 使舰艇的结构和设备受到破坏，因此气泡脉动对舰 艇的破坏是不可忽略的因素。国内学者利用仿真计 算或试验等手段进行了气泡脉动特性研究引。张 阿漫、姚熊亮采用数值计算和试验相结合的方法进 行了3 5gT N T 炸药在近自由面水下爆炸气泡的运 动规律研究Ho ；方正、李世海等通过测量地基和水 中结构物的振动现象来对水下爆炸气泡脉动周期进 行了研究‘5 | 。 开展不同边界条件下的水下爆炸气泡脉动特性 研究，对爆炸毁伤能力的评估具有重要意义。在海 上实施爆炸试验，试验水域宽阔，受到的边界条件影 万方数据 第3 1 卷第1 期张姝红，周华，权琳，等水下爆炸气泡脉动试验研究 响小。采用水下爆炸载荷测试的成熟技术对不同工 况条件下的水下爆炸进行了测量，获得了气泡的二 次脉动相关特性；分析了2 种不同装药在不同布放 深度条件下的气泡脉动周期等特性，并与理论计算 公式进行了比较。 1 试验情况 试验分别在某爆炸试验码头和某外海爆炸试验 海区进行。试验海底底质均为平坦泥沙底质，海水 流速均小于1 节；爆炸试验码头试验海域水深约 6 ～9m ，适合进行中等以下装药量的水下爆炸试 验；外海试验爆炸试验海区水深约4 0 ～5 0m ，可进 行大当量的水下爆炸试验；试验爆源分别为0 ．2k g T N T 、0 ．4k gT N T 、1 5k gT N T 、1k gR D X ；试验的测量 设备为水下爆炸威力测量系统，设备采样频率 1M H z ，采样时间约为4S ；码头试验时测量设备布 放在码头，海上试验时测量设备通过缓冲装置安装 于测量船上；压力传感器通过支架或浮标布放到水 下；传感器为P C B l 3 8 系列。试验布设如图1 所示。 图1 试验布设不意图 F i g ．1 S k e t c ho fe x p e r i m e n t 试验前根据理论式 1 计算不同药量的最大气 泡脉动半径，设计药包布放深度包括大于最大气泡 脉动半径、等于最大气泡脉动半径和小于气泡脉动 半径的不同试验工况，对于R D X 装药等效为1 ．5 倍的T N T 计算最大气泡脉动半径。具体试验工况 如表1 所示。 R 。_ 3 - 5 ‘i 志 3 1 式中形为T N T 当量，k g ；h 为装药布放深度，m 。 2 试验结果分析 2 ．1 测量结果 试验采用了多路压力传感器采集爆炸压力信 号，冲击波起始点到二次脉动最大值两点之间的 时间差为气泡二次脉动的周期。6J 。各次试验的测 量结果一致性良好，对同一工况的各次测量其二 次脉动周期误差小于2m s ；同一工况进行多次试 验的，脉动周期取多次试验结果的平均值。图2 和图3 分别为0 ．4k gT N T 水下4m 和1k gR D X 于水下1 ．5I l l 爆炸时的水面照片，典型的水下爆 炸时程曲线如图4 、图5 所示，各次试验测量周期 值列于表2 中。 表1 试验工况 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 图20 ．4k gT N T 水下4m 爆炸图片 F i g ．2E x p l o s i o np h o t oo f0 ．4k gT N Tu n d e r w a t e r4m 图3 1 k gR D X 水下1 ．5i n 爆炸图片 F i g ．3E x p l o s i o np h o t oo f1k gR D Xu n d e r w a t e r1 ．5m 万方数据 爆破2 0 1 4 年3 月 1 0 矗 山 善5 R 幽 0 - 5 1 0 01 5 02 0 0 2 5 0 3 0 0 3 5 0 4 0 0 4 5 0 时间／m s 图40 ．4k gT N T 水下4m 爆炸压力曲线 F i g ．4 P r e s s u r ec u r v eo f0 ．4k gT N Tu n d e r w a t e r4m 冲击波 二次脉动 I I 1 5 01 0 01 5 02 0 02 5 09 0 03 5 04 0 04 5 05 0 0 时间／m s 图5 1k gR D X 水下1 ．5m 爆炸压力曲线 F i g ．5 P r e s s u r ec u r v eo f1k gR D Xu n d e r w a t e r1 ．5m 2 ．2 气泡脉动形成分析 在近水面爆炸的工况7 和工况8 中，工况7 爆 源布放深度远小于气泡脉动最大半径理论计算 值，这种条件下爆炸没有形成气泡脉动；工况8 爆 源布放深度略小于脉动最大半径理论计算值，气 泡脉动不明显，二次脉动压力峰值与冲击波峰值 压力比值为6 ．6 ％；从水面拍摄的图像看到，在这 两种工况下，在水面形成了狭窄且很高的垂直喷 泉，说明装药在近水面爆炸时无法形成二次脉动。 在工况1 、2 、3 、4 、9 、1 0 、1 1 中，爆源布放深度 均大于气泡脉动最大半径理论计算值，都形成了 明显的二次脉动和三次脉动，二次气泡脉动峰值 与冲击波峰值之比在1 5 ％一2 5 ％之间。 工况5 和工况6 中爆源为沉底布放，从测量结 果看，脉动压力峰值与冲击波峰值压力的比值均 小于1 0 ％，比值与自由场状态下相比较小。 2 ．3 气泡脉动周期分析 将测量结果与理论计算结果对比分析可以看 到，装药在不同布放深度条件下，脉动周期亦受到 影响。文献[ 7 ] 和文献[ 8 ] 给出了2 种常用的气泡 脉动周期计算公式，式 2 为文献[ 7 ] 给出的计算 公式，式 3 为文献[ 8 ] 给出的计算公式。 15 T 2 ．1 1 旷／ h 1 0 。3 百 2 r 坼匕 3 1 0 ．1 h i 式中对T N T 炸药K ， 0 ．2 9 5 ；h 为炸药距水面距 离，m ；W 为炸药重量，k g 。 利用式 2 和式 3 2 个计算公式，计算气泡 脉动周期，并与试验结果进行对比，计算结果列于 表2 中，并将比较结果用图6 直观地表示出来。从 表2 和图6 中可以看出，对于T N T 装药在自由场 条件下，爆炸的脉动周期测量值与式 2 、式 3 计算结果很接近，说明2 个公式对T N T 装药爆炸 的气泡脉动周期计算具有较高的精度，式 2 计算 结果的平均误差是3 ．6 ％，式 3 的平均误差是 1 ．5 ％，式 3 比式 2 具有更高精度；近水底爆炸 和沉底爆炸时，测量结果均大于2 个公式的计算 结果，式 2 的计算结果比式 3 的计算结果相对 误差小，说明近水底爆炸和沉底爆炸时，会增大二 次脉动周期，这符合C o l e 关于刚性边界影响脉动 周期的规律。 图6 脉动周期比较 F i g ．6C o m p a r i s o no fi m p u l s i o np e r i o d 对于R D X 装药，按照1 ．5 倍换算成等量T N T 后，2 个公式计算结果与测量结果偏差较大，测量 结果与2 个理论计算公式相比较小，式 2 计算结 果的平均误差是3 1 ．6 2 ％，式 3 的平均误差是 2 7 ．8 2 0 ／o ，因此采用这2 个公式计算该种装药气泡 脉动周期时，需要对理论公式进行适当修正。 3 结语 收集了多次不同工况水下爆炸的原始数据， 为进行水下爆炸相关研究提供宝贵资料；同时在 相同工况下进行的试验测量结果一致性良好。通 过对测量结果的分析和理论对比，可以得到如下 结论 1 T N T 装药在自由场条件下爆炸的脉动周 期测量值与式 2 、式 3 计算结果接近，说明对 于T N T 两个公式具有较高的计算精度，此时式 3 比式 2 更接近测量值。 6 4 2 O 2 盘窆、R 幽 O O O O 0 O O O “ 如”加 2 加 ； l＼垦曹 万方数据 第3 1 卷第1 期 张姝红，周华，权琳，等水下爆炸气泡脉动试验研究 1 0 9 表2 气泡脉动情况统计分析 T a b l e2S t a t i s t i ca n a l y s i so fb u b b l ei m p u l s i o n 2 装药在近水底爆炸时，水底边界条件对二 次脉动周期有较大影响，水底边界将增大二次脉 动周期，此时式 2 比式 3 更接近测量值。 3 装药近水底和近水面爆炸时，二次脉动不 明显，脉动压力峰值很小；装药在自由场条件下爆 炸，气泡脉动显著，且能形成多次气泡脉动，二次 脉动压力峰值与冲击波压力峰值的比值在1 5 ％～ 2 5 ％之间。 4 采用式 2 和式 3 计算R D X 装药气泡 脉动周期时，误差较大，需要对公式进行修正。 参考文献 R e f e r e n c e s 荣吉利，李健，杨荣杰，等．水下爆炸气泡脉动的实 验及数值模拟[ J ] ．北京理工大学学报，2 0 0 8 ， 2 8 1 2 1 0 3 5 ．1 0 3 8 ． R O N GJ i l i ，L IJ i a n ，Y A N GR o n g - j i e ，e ta 1 ．E x p e r i m e n ta n d n u m e r i c a ls i m u l a t i o nf o rt h eb u b b l ei m p u l s ei nu n d e r w a t e r e x p l o s i o n [ J ] ．J o u r n a lo fB e i j i n gI n s t i t u t e o fT e c h n o l o g y ， 2 0 0 8 ，2 8 1 2 1 0 3 5 1 0 3 8 ． i nC h i n e s e 朱锡，牟金磊，洪江波，等．水下爆炸气泡脉动特性 的试验研究[ J ] ．哈尔滨工程大学，2 0 0 7 ，2 8 4 3 6 5 3 6 8 ． Z H UX i ，M UJ i n - l e i ，H O N GJ i a n g - b o ．E x p e r i m e n t a ls t u a y o fc h a r a c t e r so fb u b b l ei m p u l s i o ni n d u c e db yu n d e r w a t e r e x p l o s i o n s [ J ] ．J o u r n a lo fH a r b i nE n g i n e e r i n gU n i v e r s i t y ， 2 0 0 7 ，2 8 4 3 6 5 3 6 8 ． i nC h i n e s e [ 3 ] J O H NMB r e t t ，M I C H A E LB u e l d a n d ，T E R R YT u r n e r ，e t a 1 ．A ne x p e r i m e n t a lf a c i l i t yf o ri m 硒n go fm e d i u ms c a l e u n d e r w a t e re x p l o s i o n s fR ] ．D S T O ．T R ．1 4 3 2 ，2 0 0 3 ．0 5 ． [ 4 ]张阿漫，姚熊亮．近自由面水下爆炸气泡的运动规律 研究[ J ] ．物理学报，2 0 0 8 ，5 1 3 3 9 - 3 5 3 ． [ 4 ] Z H A N GA m a n ，Y A OX i o n g - l i a n g ．T h el a wo ft h eu n d e r - w a t e re x p l o s i o nb u b b l em o t i o nn e a ro f f r e es u r f a c e [ J ] ． C t aP h y s i c aS i n c i c a ，2 0 0 8 ，5 1 3 3 9 3 5 3 ． i nC h i n e s e [ 5 ]方正，李世海．水中爆炸气泡脉动周期的试验研究 [ J ] ．工程爆破，2 0 0 1 ，7 2 2 9 - 3 3 ． [ 5 ] F A N GZ h e n g ，L IS h i - h a i ．S t u d yo np e r i o do fb u b b l ei m p u l s i o ni n d u c e db yu n d e r w a t e re x p l o s i o n [ J ] ．E n g i n e e r i n g B l a s t i n g ，2 0 0 1 ，7 2 2 9 - 3 3 ． i nC h i n e s e [ 6 ] 赵琳，李兵．炸药能量测试的水下爆炸方法[ J ] ． 声学技术，2 0 0 3 ，2 2 2 7 2 - 8 2 ． [ 6 ] Z H A OL i n ，L IB i n g ．Am e t h o do ft h eb l a s te n e r g ym e a s - u r e m e n tb yu n d e r w a t e re x p l o s i o n [ J ] ．A c o u s t i cT e c h n i q u e ，2 0 0 3 ，2 2 2 7 2 8 2 ． i nC h i n e s e [ 7 ] 库尔．水下爆炸[ M ] ．北京国防工业出版社，1 9 6 0 ． [ 8 ]松佐夫HH ．水下和空中爆炸理论基础[ M ] ．北京国 防工业出版社，1 9 6 5 ． 1 J 1 J 1 J 1 J 1 l 2 2 rI-rL r l r L 万方数据