液壓水錘效應引起液體噴濺特性及其影響因素試驗研究*

陳安然，李向東，周蘭偉，紀楊子燚

(南京理工大學 機械工程學院， 江蘇 南京 210094)

燃油箱是戰場大部分運動目標的必備、易燃部件，是彈藥毀傷元重點打擊對象之一。當高速侵徹體(破片、子彈、穿甲彈等)撞擊、侵徹目標燃油箱時，產生液壓水錘效應(Hydrodynamic ram)[1-6]，導致燃油箱出現不同模式的毀傷。液壓水錘效應毀傷燃油箱的機制為：①引起油箱內燃油出現較大的壓力波動，導致燃油箱破損；②引起燃油向外噴濺，增加油箱及周圍環境的起火概率。引燃噴濺燃油的熱源主要包括：破片撞擊油箱壁面產生的火花、機械設備的摩擦火花、電子元器件及其線路在運行過程中的發熱和輻射表面等。

國內外學者采用理論[7-12]、試驗[13-19]和數值模擬[20-26]方法研究了液壓水錘效應，內容多涉及破片撞擊充液容器后產生的沖擊波、液體內的空腔生長、容器的結構響應和液體介質類型對水錘效應的影響等，而針對液壓水錘效應引起液體噴濺的相關研究較少。Lingenfelter等[27-28]通過測量破片侵徹孔處的流場，計算了空腔內的外部環境氣體和蒸發流體的相對組成；利用同步高速攝影技術，觀察了內部空腔和外部噴濺液體之間的聯系；指出液壓水錘效應引起液體噴濺的研究重點是其驅動機制。Disimile等[29-30]對液壓水錘效應引起的液體噴濺進行了定性研究，將該過程分為預噴濺、主噴濺、低頻脈動與高速噴射4個具有不同特征的階段，并統計了每個階段發生的時刻和持續時間，研究了破片速度對液體噴濺的影響。試驗結果表明：破片動能不影響主噴濺和低頻脈動階段，而預噴濺和高速噴射階段只有在破片動能較高時才能觀察到，這表明液體噴濺與容器內的壓力波動緊密相關。在文獻[31]中初步描述了空腔振蕩與液體噴濺的形狀特性。可以看出，液體內的空腔變化和壓力特性對液體噴濺具有重要的影響。

目前為止，不同階段噴濺液體的速度特性，影響液體噴濺時間、速度和形狀的因素及影響機理的研究都不是很深入。為此，本文開展了不同速度破片撞擊充液容器的試驗，測量容器內的空腔生長與振蕩、容器外的噴濺液體、液體內壓力的相關參數，研究液壓水錘效應引起的液體噴濺、空腔形狀變化與壓力波動三者之間的關系，分析噴濺液體的速度、形狀特性及其影響因素。

1 試驗系統設計

1.1 試驗系統

試驗系統主要由彈道槍、擋托裝置、測速靶、充液容器、高速攝像機和數據采集裝置6部分構成，如圖1所示。彈道槍用來加速破片，通過調整發射裝藥量控制破片的撞擊速度。擋托裝置用來阻擋破片托的碎片，避免其撞擊容器。測速靶與計時儀用來測量破片的撞擊速度。高速攝像機用來記錄試驗過程：黑白攝像機幀率為6 000 幀/s，采用長焦鏡頭，能拍攝分辨率較高的圖像，將其對準充液容器以拍攝液體噴濺的局部過程；彩色攝像機幀率為16 000 幀/s，采用標準鏡頭，拍攝視角大，用來拍攝更大范圍的視場。利用容器長度對高速攝像機得到的圖像進行標定，得到圖像與其實際尺寸的比例，測量空腔的長度和半徑、噴濺液體的長度。數據采集裝置與傳感器相連，測量充液容器內的壓力。為了研究液體噴濺、空腔形狀變化與壓力波動三者間的對應關系，設計了兩種尺寸相同的充液容器：鋼質容器和透明容器，前者用于研究容器內壓力與液體噴濺對應關系的試驗；后者用于研究空腔形狀變化與液體噴濺對應關系的試驗。

(a) 試驗布置示意圖(a) Schematic setup of the experiment

1.2 充液容器及試驗方案

兩種容器均為圓筒結構，外徑245 mm、內徑210 mm、高200 mm。容器的前后面板為300 mm×315 mm×4 mm的2A12-T4鋁合金板，材料密度為2 780 kg/m3，強度極限420 MPa。以面板中心為圓心，在Φ280 mm的圓周上加工了6個均勻分布的Φ14的通孔，用于與螺桿配合固定面板。

鋼質圓筒材料為42CrMo高強度鋼，上下底面加工法蘭結構，如圖2(a)所示。側面加工有5個傳感器安裝孔和1個注水孔，其位置分布如圖2(b)所示。透明圓筒材料為聚碳酸酯(Polycarbonate)。

(a) 鋼質圓筒(a) Steel cylindrical container

容器的安裝組件包括：普通壓盤、臺階壓盤、橡膠密封圈、螺桿及若干螺栓螺母。透明容器的安裝方式如圖3所示。鋼質容器的安裝方式與透明容器一致，僅將中間的透明圓筒和臺階壓盤替換成圖2(a)所示的鋼質圓筒。

(a) 安裝示意圖(a) Schematic of installation

試驗所用的傳感器型號及主要參數如表1所示。

表1 傳感器型號及主要參數

對充滿水的透明和鋼質兩種容器分別進行破片撞擊試驗，每種容器射擊5發。破片為直徑9.5 mm的鎢合金球，密度為17 600 kg/m3，速度范圍為600～1 200 m/s，每發試驗破片的速度間隔約為150 m/s。在其中一發透明容器的試驗中(u0=1 196 m/s)，圓筒受液壓水錘作用而破壞，液體除了從容器前后面板的侵徹孔噴濺之外，還從容器側壁面漏出，導致液體噴濺速度等試驗結果的測量不準確，故剔除，最終得到4發有效的透明容器試驗數據。

2 試驗結果及分析

2.1 液體噴濺與空腔形狀變化的關系

圖4所示為高速破片侵徹透明容器的過程，其中，將高速攝像機記錄到的破片撞擊充液容器的前一幀設置為0時刻。破片撞擊容器前面板時產生火光，在液體內受到阻滯力做減速運動，其尾部產生錐形空腔，并逐漸膨脹，當空腔膨脹至最大體積時，開始收縮進而迅速潰滅。在破片撞擊透明容器的試驗中，可以觀察到多次空腔“膨脹—收縮—潰滅—再膨脹”的循環過程，該過程稱為空腔振蕩。在空腔振蕩的不同階段，液體從侵徹孔噴濺而出。液體內的空腔生長、收縮及第一次潰滅的過程如圖4(b)～(e)所示，圖4(f)和圖4(g)為空腔潰滅與液體噴濺的對應照片。

(a) 0 μs (b) 334 μs (c) 501 μs

容器內空腔振蕩與容器外液體噴濺的時間對應關系見表2，一字線代表無噴濺發生。由于空腔潰滅的瞬間不一定能恰好被拍攝到，故表中空腔潰滅時刻為包含空腔潰滅瞬間的前后兩幀對應時間的平均值。從表2中可以看出，空腔達到最大體積所需的時間約為1 000 μs。首次液體噴濺均發生在空腔生長至最大體積后的400～700 μs內，后續液體噴濺均發生在每次空腔潰滅之后。每次液體噴濺與容器內空腔潰滅的時間差在0～2 600 μs內，且隨著噴濺次數的增加，該時間差呈增大趨勢。用首次噴濺與末次噴濺發生的時間差代表整個噴濺階段的持續時間，本試驗中觀察到的噴濺持續時間均大于5 000 μs。

表2 空腔振蕩與液體噴濺的時間關系

當最后一股以霧化狀態噴出的液體離開容器后，觀察到一段不發生液體噴濺的平穩期，持續時間為幾毫秒到十幾毫秒不等。其間，容器內的空腔不再振蕩，可在高速攝像機的圖像中觀察到絮狀的陰影，如圖5(a)所示。平穩期過后，容器內液體受靜水壓力及液體自身重力作用，從侵徹孔以柱狀或大體積團狀的形態逐漸流出，如圖5(b)所示。

(a) 平穩期(a) Stable period

2.2 噴濺液體的形狀特性

在不同速度破片撞擊鋼質容器的試驗中，前后面板處的液體噴濺形態分別如圖6和圖7所示。為更清晰地展現液體噴濺及其霧化形態隨時間的變化，以觀察到液體噴濺后的第4幀為起始，每間隔5幀(1 220 μs)取一幅圖像進行比較。可以看出，不同時刻噴出的液體具有不同的形狀特性：第一股噴濺出的液體頭部呈箭狀，后續一股或幾股噴濺液體的頭部呈傘狀并拖拽一條線狀液柱。噴濺出的液體在向前運動過程中逐漸霧化。

(a) u0=561 m/s (b) u0 = 718 m/s (c) u0=905 m/s (d) u0=1 134 m/s (e)u0=1 309 m/s圖6 由前面板侵徹孔噴濺出的液體Fig.6 Liquid spurt at the penetration orifice of front panel

(a) u0=561 m/s (b) u0=718 m/s (c) u0=905 m/s (d) u0=1 134 m/s (e)u0=1 309 m/s圖7 由后面板侵徹孔噴濺出的液體Fig.7 Liquid spurt at the penetration orifice of back panel

2.3 容器內液體壓力及侵徹孔形狀對液體噴濺初始速度的影響

破片撞擊鋼質容器的詳細試驗結果如表3所示，表中列出了每發試驗所測得的液體內壓力峰值、前后面板的侵徹孔形狀以及液體噴濺的初始速度。可以看出，液體內壓力峰值隨破片速度的增加而上升；前面板處液體噴濺的初始速度高于后面板處。

表3 容器內的壓力峰值、侵徹孔形狀與容器外噴濺液體的初始速度

從表3可以看出，前面板侵徹孔的形狀特征較一致，即圓形穿孔的邊緣呈翻卷狀；后面板侵徹孔較前面板呈現更嚴重的變形，在本次試驗中，共觀察到3種典型特征：

1)侵徹孔邊緣呈鋸齒狀撕裂并帶有延伸性裂紋；

2)侵徹孔邊緣材料拉伸后呈花瓣狀外翻；

3)侵徹孔邊緣材料軸向拉伸。

由試驗結果可知，噴濺液體的初始速度并不隨破片撞擊速度或液體內壓力的變化而單調改變，這是因為不規則的侵徹孔形狀會對液體的流動產生影響，從而改變噴濺液體的速度和形狀。定義一個無量綱的相對噴濺初始速度c，其值為液體噴濺的初始速度vs除以破片撞擊速度u0，即c=vs/u0，該無量綱參數與破片撞擊速度的關系如圖8所示。cfront和cback分別代表前、后面板處液體的相對噴濺初始速度。

圖8 相對噴濺速度與破片撞擊速度的關系曲線Fig.8 Fitting curves of relative velocity of the liquid spurt versus impact velocity of the fragment

經擬合，前后面板侵徹孔口液體噴濺的相對初始速度服從以下規律：

(1)

(2)

由試驗結果可以看出，當破片的撞擊速度在561～1 309 m/s的范圍內變化時，前后面板處噴濺液體的初始速度分別在111.41～142.39 m/s和100.77～118.79 m/s的范圍內變化，且二者不呈單調關系。由文獻[31]的研究結果得知，可能導致該現象的原因是：當破片的撞擊速度越低時，破片撞擊面板所產生侵徹孔的邊緣粗糙或產生裂紋的可能性越高，而粗糙的孔壁和橫截面較小的裂紋可能導致液體在孔口的流速增加；較高速度的破片撞擊面板所產生的侵徹孔可能相對低速破片的侵徹孔更加光滑。直觀體現為噴濺液體的初始速度并不隨破片撞擊速度的增加而明顯增大。由擬合結果可以看出，相對噴濺初始速度隨破片撞擊速度的增加呈反比例下降趨勢。

2.4 噴濺液體的速度衰減特性

圖9和圖10為液體噴濺速度隨位移的變化規律。可以發現，液體噴濺速度隨著噴濺次數的增加而下降，且單次噴出的液體在運動過程中存在速度波動的情況。在液體離開容器運動的過程中可以明顯觀察到液體出現了霧化，但影響速度波動的具體原因尚不明確。

(a) u0=561 m/s

在本次試驗中，第一階段的噴濺液體在離開容器0.2～0.4 m后其速度發生回升，第二階段的第一股噴濺液體在離開容器0.05～0.1 m后其速度發生回升。如圖9和圖10(a)、圖10(b)和圖10(e)所示，第三、四次液體噴濺的速度回升時，其運動距離相比前兩次更小，即隨著噴濺次數的增加，噴濺液體發生速度回升的位置逐漸接近侵徹孔。

(a) u0=561 m/s

比較單次試驗相同位置處的液體噴濺速度，得到表4所示的速度衰減率。在本次試驗中，前后面板處的平均速度衰減率分別為60.39%和58.28%。

表4 噴濺液體的頭部平均速度及速度衰減率

3 結論

針對液壓水錘效應引起液體噴濺的問題，本文設計了一套試驗裝置，開展了高速破片撞擊充液容器的試驗，研究了空腔形狀變化與液體噴濺的對應關系、噴濺液體的速度及形狀特性、液體內壓力及侵徹孔形狀對液體噴濺特性的影響，得到以下結論：

1)高速破片撞擊充液容器引起的液體噴濺呈現兩個特性不同的階段，第一個階段發生在容器內空腔達到最大體積之后的400～700 μs內，噴濺液體的速度較高，液體頭部呈箭狀；第二個階段發生在每次空腔潰滅之后，該階段出現多次形態相似的液體噴濺，噴濺液體具有傘狀頭部和線狀尾部。當最后一股噴霧形式的液體噴出后，存在一段不發生液體噴濺的平穩期，持續時間為幾毫秒到十幾毫秒不等。

2)液體噴濺的相對初始速度與破片的撞擊速度成反比，且前面板侵徹孔處的噴濺初始速度均高于后面板侵徹孔處的噴濺初始速度。

3)噴濺液體在運動過程中存在速度波動的情況，且隨著噴濺次數的增加，速度回升出現的位置逐漸接近侵徹孔。液體噴濺速度隨噴濺次數的增加而下降，在本次試驗中，前、后面板處噴濺液體的平均速度衰減率分別為60.39%和58.28%。