剛性池壁和試驗支架對水中爆炸氣泡脈動周期的影響

胡宏偉,王建靈,郭 煒,徐洪濤,金朋剛

(西安近代化學研究所,陜西 西安 710065)

引 言

自20世紀70年代末以來,國內外積極開展水中爆炸能量測試方法的研究,目前已成為炸藥性能評估必不可少的手段之一。通過水中爆炸測試,可以分別求出沖擊波能和氣泡能,其中氣泡能是通過測定炸藥水中爆炸的氣泡脈動周期來計算。由于實驗場地的限制,人們希望水下爆炸能量參數測試能夠在有限水域中進行,然而,氣泡能的計算公式是由無限水域中的氣泡運動推導出來的。在有限水域中,由于各種邊界效應和安裝支架的影響,不同的試驗條件下測得的氣泡周期與無限水域中測得的氣泡周期存在不同程度的偏差。

對于各種邊界條件的影響,以往的研究主要是自由水面和池底對氣泡脈動周期的影響[1-3]。然而,在有限小水域中進行的水中爆炸實驗時,池壁的影響是必須要考慮的。文獻[1,4-6]分別通過理論分析、工程試驗和數值仿真研究得出,剛性表面存在時,氣泡周期變長。此外,在有些水中爆炸試驗中,傳感器需要安裝和定位支架,還需要考慮試驗支架對氣泡周期的影響,而國內外相關研究報道較少。本文通過水中爆炸試驗,研究剛性池壁和試驗支架對氣泡脈動周期的影響,為水中爆炸試驗工作提供參考。

1 試 驗

1.1 樣品與儀器

圓柱形壓裝Pentolite和RDX基含鋁炸藥,配方見表1。藥柱長徑比為 (1.1～ 1.3)∶1,一端中心帶雷管孔。 Al粉為球形 ,直徑為 4.5～5.5μm,黏結劑的組分 (質量分數)為 1.5%F2603、3%蠟和 0.5%石墨。試樣質量均為25g,采用8號銅電雷管端面起爆。

表 1 炸藥配方Table 1 Explosives formulation

美國PCB公司的138型ICP壓電式電氣石水下激波傳感器和482A型信號適配器;微測公司的高低頻數據記錄儀,氣泡脈動信號的采樣頻率為100k Hz。

1.2 試驗裝置和布局

試驗水池Φ3.2m×2.6m,水深 2.4m,池底和池壁均由8mm鋼板焊接而成。試驗支架為一十字鋼支架,由 5號熱軋槽鋼(GB/T 707-1988)焊接而成,長72.5cm。無支架試驗時,將試樣懸吊在距水池池壁一定距離處(0.56～ 1.60m);有鋼支架試驗時,把鋼支架懸吊在水池中心,在鋼架下方 0.60m處中心吊藥。兩種試驗條件下,試樣入水深度均為1.6m,測點距爆心 0.8m,傳感器與裝藥處于同一水平面。

2 結果與分析

2.1 剛性壁面對氣泡脈動的影響

在有限水域中,沖擊波的傳播過程和氣泡的運動狀態與無限水域中不同。當沖擊波傳到水面、池底和池壁時會產生反射沖擊波和稀疏波,對沖擊波和氣泡脈動產生影響。一般把 6.7θ(θ為時間常數,等于測點處水中沖擊波峰值壓力p m的 1/e)作為沖擊波能的積分上限[1],當反射波傳播到測點的時間大于 6.7θ時,對沖擊波能計算的影響可以忽略。至于對氣泡周期的影響,因為沖擊波訊號和氣泡脈動訊號的時間相差很大,一個是 10-4量級,一個是 10-2～10-3量級,一般認為界面反射波對氣泡周期影響很小,理論上只影響二次壓力波的縱向幅值[7],也有研究者認為反射沖擊波會對氣泡周期產生一定的影響[8]。

在無限水域中,水中爆炸產生的氣泡膨脹排除周圍的水,水的流動狀態顯示為放射性直線,而在有限水域中,由于池壁的影響,使水流的運動狀態發生了變化,水流沿壁面方向是彎曲的,如圖1所示。

由圖1可看出,氣泡膨脹時,靠近池壁的水流受阻,而遠離池壁一側的水流則易于流動,氣泡有遠離池壁的趨勢,結果使氣泡的中心位置向遠離池壁一側移動。但是,氣泡內處于正壓的時間不長,因此,這種效應不大[1,9]。氣泡收縮時并不是氣泡周圍的水同時收縮,由于池壁處水的流動受阻,所以遠離壁面的水比接近于池壁的水易于收縮,結果使氣泡的中心位置向靠近池壁一側移動。

圖1 氣泡的膨脹和壓縮Fig.1 Expansion and contraction of bubble

因此,在對稱的水池中,若把爆心放在中心軸位置,就可以抵消上述氣泡向一側靠近的影響。若水池太小,則爆炸氣泡的膨脹和壓縮都會受到池壁的影響。

2.2 爆心距剛性壁面的距離對氣泡周期的影響

測量了距剛性池壁不同距離處,Pentolite炸藥水中爆炸的氣泡周期(由于大小、形狀和邊界材質的不同,其他試驗水池或水域的結果可能有所差異),結果見表 2。

表 2 距池壁不同距離處水中爆炸的氣泡周期Table 2 The bubble period of underwater explosion in different distance from the wall

由表 1可以看出,隨著爆心距池壁距離(s)的減小,氣泡周期(t b)逐漸增大,即爆心距池壁越近,越接近氣泡半徑(無限水域計算為 0.46m),對氣泡周期的影響越大。

為了解釋這種現象,可把氣泡膨脹和壓縮近似為一個準靜態的絕熱過程,氣泡和周圍的環境(水介質和剛性池壁)等效為一個彈簧振子,這樣,氣泡的膨脹和收縮可近似為彈簧的伸縮過程。由于剛性池壁妨礙了水流的運動,增加其慣性,這相當于增加了懸掛彈簧一端小球的質量,從而使氣泡的脈動周期延長。

2.3 試驗支架對氣泡周期的影響

在無支架和有支架兩種試驗條件下,測量了Pentolite、RL1和RL2炸藥的氣泡周期,結果見表3。

表 3 3種炸藥水中爆炸的氣泡周期和氣泡半徑Table 3 The bubble period and radius of three kinds of explosives for underwater explosion

由表3可知,Pentolite水中爆炸后,有支架時和無支架時所測得氣泡周期一致,均為 85.2ms;RL1炸藥水中爆炸后,有支架時所測得的氣泡周期比無支架時增加1.7ms;RL2炸藥水中爆炸后,有支架時所測得的氣泡周期比無支架時增加3.4ms。

試驗時,鋼支架距爆心 60cm,池底距爆心80cm,相當于在自由水面方向加入一剛性壁。當炸藥爆炸后,由于非對稱效應,氣泡的膨脹和壓縮都會受到影響,發生氣泡向一側吸附的現象,從而使氣泡周期延長。所以,RDX基含鋁炸藥水中爆炸后,在有支架的情況下,氣泡周期相對于無支架時有不同程度的增大,且炸藥中 Al含量越大(即總能量越大、二次燃燒反應的時間越長),支架對氣泡周期的影響越嚴重。 Pentolite的氣泡周期在兩種試驗條件下沒有變化,可能是理想炸藥的氣泡半徑小于非理想含鋁炸藥,且反應速率較快的原因。

3 結 論

(1)在有限水域中,由于剛性池壁妨礙了水流的運動,并增加其慣性,使氣泡的膨脹和壓縮受到影響,隨爆心距池壁距離的減小,氣泡周期逐漸變大。

(2)在水中爆炸測試中,傳感器的安裝或定位支架會影響氣泡脈動周期,使氣泡脈動周期變大,對不同性能的炸藥其影響也不同。

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