不同長徑比柱形炸藥水下爆炸氣泡動(dòng)力學(xué)行為特性

劉元?jiǎng)P,秦 健,,,遲 卉,孟祥堯,文彥博,黃瑞源

(1.南京理工大學(xué) 瞬態(tài)物理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210094;2.海軍研究院,北京 100161;3.防化研究院,北京 102205;4.福州大學(xué) 土木工程學(xué)院,福建 福州 350116)

引 言

水下爆炸的氣泡演變是一個(gè)復(fù)雜的過程,在水下武器的實(shí)際應(yīng)用中,爆炸所產(chǎn)生的沖擊波、氣泡脈動(dòng)以及水射流都承載著一定的毀傷效果[1-5]。近代以來圍繞水下爆炸開展了諸多理論[6-7]與實(shí)驗(yàn)研究[8-10],同時(shí)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,數(shù)值模擬在水下爆炸領(lǐng)域有著重要作用[11-14],幫助解決許多依靠實(shí)驗(yàn)難以觀察與解決的問題,從而推動(dòng)水下武器的發(fā)展。

許多水下武器因結(jié)構(gòu)等的需求,采用柱形裝藥的方式,而柱形裝藥的長徑比不同也會(huì)影響爆炸氣泡的演化過程以及爆炸載荷。Zhang等[15]通過LS-DYNA數(shù)值模擬水下爆炸氣泡現(xiàn)象,并與實(shí)驗(yàn)對(duì)比,討論不同長徑比炸藥在不同邊界條件水下爆炸的氣泡動(dòng)力學(xué)行為差異。馬騰等[16]利用AUTODYN軟件建立二維軸對(duì)稱模型,開展長徑比為1∶2到10∶1的柱形TNT炸藥在無限水域的爆炸數(shù)值模擬,分析不同長徑比對(duì)沖擊波壓力分布以及傳播方向的影響,得到當(dāng)長徑比大于1∶1時(shí),炸藥軸向沖擊波壓力衰減速率大于徑向衰減速率,沖擊波壓力隨著方向角增大而增大等結(jié)論。劉磊等[17]利用AUTODYN軟件分析長徑比對(duì)遠(yuǎn)場壓力峰值分布的影響,結(jié)果表明隨著長徑比的增大,裝藥形狀對(duì)于沖擊波的影響可以傳遞到更遠(yuǎn)的距離。對(duì)于柱形裝藥爆炸后形成的水射流,黃超等[18]利用實(shí)驗(yàn)得出柱形裝藥TNT爆炸后產(chǎn)生的水射流存在形態(tài)差異,并通過實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象觀察出當(dāng)藥柱水平放置引爆時(shí)會(huì)產(chǎn)生不對(duì)稱的水射流。針對(duì)板下氣泡的動(dòng)力學(xué)行為研究,Chen等[19]通過高速攝像捕捉板下氣泡演化圖像,結(jié)合數(shù)值模擬分析了水下爆炸氣泡對(duì)剛性壁面的壓力作用及機(jī)理。目前對(duì)于使用數(shù)值模擬討論長徑比對(duì)板下氣泡動(dòng)力學(xué)行為影響的研究較少,且上述研究多從實(shí)驗(yàn)角度觀測不同長徑比柱形裝藥水下爆炸所產(chǎn)生的氣泡行為與射流現(xiàn)象,難以得到射流的清晰圖像以及數(shù)據(jù)。

本研究利用ABAQUS有限元軟件建立三維模型,對(duì)不同長徑比的炸藥近場水下爆炸氣泡動(dòng)力學(xué)行為進(jìn)行數(shù)值模擬,得到爆炸氣泡演化圖像、射流圖像以及載荷信息。通過相應(yīng)實(shí)驗(yàn)證明數(shù)值模擬的可行性。最后通過系列仿真研究炸藥在不同的起爆狀態(tài)下,長徑比對(duì)爆炸氣泡動(dòng)力學(xué)行為的影響。結(jié)合數(shù)值模擬以及實(shí)驗(yàn),系統(tǒng)討論了不同長徑比炸藥在不同初始擺放條件以及起爆方式下的氣泡動(dòng)力學(xué)行為,從氣泡以及射流圖像反映長徑比對(duì)于爆炸氣泡的影響。

1 數(shù)值模型的建立

1.1 模型設(shè)置

采用ABAQUS軟件的CEL算法對(duì)固支方板下的水下爆炸進(jìn)行數(shù)值模擬。使用歐拉域劃分材料體積分?jǐn)?shù)的方法進(jìn)行建模。將水、空氣以及炸藥材料賦予歐拉網(wǎng)格,而板結(jié)構(gòu)采用拉格朗日網(wǎng)格進(jìn)行定義。總體模型圓柱形炸藥豎直爆炸的工況采用1/4建模,水平裝藥因?yàn)榭紤]到起爆點(diǎn)選取問題所以采用1/2建模,物理建模如圖1所示。

圖1 1/4模型和1/2模型的設(shè)置Fig.1 Settings of the quarter model and the half model

模型總體歐拉域?yàn)?m×1m×2.2m的長方體,上方1m×1m×0.85m長方體為空氣區(qū)域,水域?yàn)橄路?m×1m×1.35m區(qū)域。爆距采取炸藥中心到板底的距離。

因整體歐拉區(qū)域較大所以劃分網(wǎng)格采用局部加密以及漸變網(wǎng)格劃分方法,最密的網(wǎng)格部分集中在炸藥中心位置,確保炸藥當(dāng)量的準(zhǔn)確性以及壓力數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確,如圖2所示。其中加密區(qū)域網(wǎng)格為3mm,過渡區(qū)域網(wǎng)格由3mm逐漸增至40mm。歐拉域的網(wǎng)格類型為EC3D8R,板的網(wǎng)格類型為S4R。其中1/4模型網(wǎng)格總數(shù)約為250萬,1/2模型網(wǎng)格總數(shù)約為502萬。

圖2 模型網(wǎng)格加密方式Fig.2 The encrypted method of models′ meshes

模型的各項(xiàng)邊界條件設(shè)定為,對(duì)稱面設(shè)置為對(duì)稱邊界條件。模型頂部壓力設(shè)為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓,底部設(shè)置為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓加上相應(yīng)水深的壓力。模型側(cè)面水的區(qū)域壓力設(shè)置為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓加上梯度水壓。并對(duì)側(cè)面區(qū)域統(tǒng)一設(shè)置為無反射邊界。板的中心參考點(diǎn)設(shè)置為固定,因?yàn)榘迕娴膭傂蕴匦?所以板保持固定狀態(tài)。針對(duì)模型整體區(qū)域設(shè)置環(huán)境溫度15℃,以及重力常數(shù)9.8N/kg。設(shè)置炸藥的起爆點(diǎn)為原點(diǎn),以移動(dòng)整體模型來模擬不同起爆點(diǎn)爆炸后的氣泡動(dòng)力學(xué)行為特征。數(shù)值模擬采用通用接觸算法,物質(zhì)之間切向無摩擦力,法向接觸方式為硬接觸。

1.2 材料參數(shù)

ABAQUS軟件的CEL算法經(jīng)常用于求解流固耦合問題。拉格朗日網(wǎng)格用于描述模擬固體結(jié)構(gòu)的形變,歐拉網(wǎng)格滿足材料在單元之間的流動(dòng),所以對(duì)于求解水下爆炸流固耦合問題有著重要的應(yīng)用價(jià)值。

1.2.1 爆炸產(chǎn)物方程

ABAQUS對(duì)于水下爆炸爆轟產(chǎn)物利用JWL狀態(tài)方程進(jìn)行描述[20]。JWL狀態(tài)方程為壓力關(guān)于密度以及熱力學(xué)能的函數(shù),其具體形式如下:

(1)

式中:p為爆炸產(chǎn)物壓力;η為相對(duì)密度,η=ρ/ρ0;ρ為水的密度;ρ0為TNT理論密度;e為TNT比內(nèi)能;A、B、ω、R1、R2為常數(shù)。在模型建立中設(shè)置A=373.77GPa,B=3.7471GPa,R1=4.15,R2=0.9,ω=0.35,e=3.8×106J/kg,ρ0=1630kg/m3。

1.2.2 理想氣體方程

對(duì)于爆炸環(huán)境中的空氣利用理想氣體方程進(jìn)行定義,理想氣體方程形式為:

p+pA=ρR(θ-θZ)

(2)

式中:pA為環(huán)境壓力;ρ為空氣密度;R為氣體常數(shù);θ為環(huán)境溫度,θZ為絕對(duì)零度所對(duì)應(yīng)的溫度。此外還要設(shè)置空氣的比熱c。相關(guān)參數(shù)見表1。

表1 理想氣體方程參數(shù)Table 1 Parameters of the ideal gas equation

1.2.3 水的狀態(tài)方程

水域部分材料使用ABAQUS軟件提供的Us—Up狀態(tài)方程進(jìn)行設(shè)置。Us—Up狀態(tài)方程假設(shè)流體不可壓縮且密度較小。參考Mie-Grüneisen狀態(tài)方程形式為:

p-pH=Γρ(Em-EH)

(3)

式中:p為壓縮材料壓力;pH為Hugoniot壓力;Em為比熱力學(xué)能;EH為Hugoniot內(nèi)能;Г為Mie-Grüneisen系數(shù),滿足Гρ=Г0ρ0,Г0為絕對(duì)零度時(shí)的Mie-Grüneisen系數(shù),ρ0為參考密度。

由Hugoniot關(guān)系,可得EH與pH之間的關(guān)系為:

(4)

其中η=1-ρ0/ρ。

Hugoniot壓力pH為:

(5)

根據(jù)Us—Up狀態(tài)方程,沖擊波速度Us和粒子速度Up的關(guān)系式可以表示為:

Us=c0+suP

(6)

同時(shí)根據(jù)ρ(Us-Up)=ρ0Us,可將Mie-Grüneisen方程寫為:

(7)

式中:c0為聲速;ρ0為水的密度;s為材料相關(guān)系數(shù);Г0為Mie-Grüneisen系數(shù)。各項(xiàng)參數(shù)設(shè)置見表2。

表2 Mie-Grüneisen方程參數(shù)Table 2 Parameters of the Mie-Grüneisen equation

2 數(shù)值模型的驗(yàn)證

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

為驗(yàn)證數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性,開展固支方板下不同長徑比炸藥的水下爆炸實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)在江蘇永豐機(jī)械有限公司的2m×2m×2m的水箱中展開。圖3為實(shí)驗(yàn)示意圖,固支方板爆炸實(shí)驗(yàn)將炸藥固定在板下相應(yīng)爆距引爆。爆炸中心水平位置相應(yīng)距離懸有水下傳感器,在炸藥中心正上方板的位置固定有壁壓傳感器來記載沖擊波及氣泡脈動(dòng)所引起的壓力信號(hào)。利用Phantom高速攝像機(jī)記錄氣泡演變圖像。

為了研究不同長徑比炸藥近場水下爆炸的氣泡演化規(guī)律以及載荷特性,開展了長徑比為1∶1和2∶1的2.5g柱形TNT在板底起爆的水下爆炸實(shí)驗(yàn)。炸藥采用豎直放置的方法,起爆點(diǎn)為炸藥底部。

實(shí)驗(yàn)所采用的固支方板尺寸為70cm×70cm,厚度為1cm,焊接在底部鋼架上,底部鋼架全部采用實(shí)心鋼材,支架由4根直徑2cm實(shí)心鋼柱以及4塊20cm×20cm×0.5cm底板組成,盡可能使結(jié)構(gòu)在爆炸過程中不會(huì)產(chǎn)生明顯形變以及劇烈晃動(dòng),更加貼近數(shù)值模擬模型對(duì)于固支方板設(shè)定的剛性條件。

2.2 實(shí)驗(yàn)與模擬結(jié)果對(duì)比

圖4是長徑比為1∶1與2∶1的炸藥板下爆炸實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬的氣泡演化圖像對(duì)比。實(shí)驗(yàn)圖像為Phantom高速攝影機(jī)記錄影像,數(shù)值模擬結(jié)果采用爆炸產(chǎn)物邊界顯示。由圖4可知,長徑比為1∶1的炸藥實(shí)驗(yàn)圖像在約20.31ms時(shí)氣泡膨脹到最大半徑,數(shù)值模擬氣泡在約20.18ms時(shí)膨脹到最大半徑,相差0.13ms;長徑比為2∶1的炸藥水下爆炸實(shí)驗(yàn)圖像顯示氣泡在約21.88ms膨脹到最大半徑,數(shù)值模擬結(jié)果為約20.82ms時(shí)氣泡膨脹到最大半徑,相差1.06ms。實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬的氣泡均反映出氣泡在爆炸之后的膨脹過程,以及膨脹到一定尺寸后受到Bjerknes力影響而產(chǎn)生的氣泡被板面吸引的現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬的氣泡在動(dòng)力學(xué)行為上保持著高度的一致性。兩種長徑比的炸藥爆炸產(chǎn)生的氣泡膨脹與收縮現(xiàn)象、周期數(shù)值模擬結(jié)果都與實(shí)驗(yàn)吻合。將實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬的氣泡演化圖像進(jìn)行對(duì)比可得,關(guān)于氣泡演化圖像,數(shù)值模擬具有較好的準(zhǔn)確性。

圖4 不同長徑比炸藥實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬氣泡圖像對(duì)比Fig.4 Comparison of test and numerical simulation bubble images with different length-diameter ratio

圖5為實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬氣泡半徑隨時(shí)間變化的對(duì)比圖。

圖5 不同長徑比下實(shí)驗(yàn)與模擬氣泡半徑對(duì)比Fig.5 Bubble radius comparison of experiment and numerical simulation under different L/D

由圖5(a)可得長徑比為1∶1的炸藥在板下爆炸后,實(shí)驗(yàn)氣泡最大半徑為22.1cm,模擬所得氣泡最大半徑為21.3cm,相差0.8cm,誤差約3.62%;實(shí)驗(yàn)氣泡膨脹到最大半徑用時(shí)約20.31ms,模擬氣泡膨脹到最大半徑用時(shí)約20.18ms,相差0.13ms。由圖5(b)長徑比為2∶1的炸藥在板下爆炸后,實(shí)驗(yàn)測得氣泡最大半徑約為22.8cm,模擬結(jié)果氣泡最大半徑為21.7cm,相差1.1cm;實(shí)驗(yàn)氣泡膨脹到最大半徑用時(shí)約21.88ms,模擬氣泡膨脹到最大半徑用時(shí)約20.82ms,相差1.06ms。即數(shù)值模擬可以較好地模擬出氣泡的真實(shí)半徑與周期。

圖6是15cm爆距、長徑比為1∶1的炸藥在水下爆炸實(shí)驗(yàn)與模擬的板下壓力時(shí)程曲線對(duì)比。其中實(shí)驗(yàn)測得沖擊波壓力峰值為81.21MPa,數(shù)值模擬測得沖擊波壓力峰值為75.57MPa,相差5.64MPa,誤差約為6.94%。實(shí)驗(yàn)測得板下氣泡脈動(dòng)水射流階段所受壓力峰值為20.46MPa,數(shù)值模擬測得結(jié)果約為22.67MPa,相差2.61MPa。實(shí)驗(yàn)所得曲線氣泡脈動(dòng)水射流階段峰值產(chǎn)生時(shí)間為40.07ms,數(shù)值模擬測得氣泡脈動(dòng)水射流階段峰值產(chǎn)生時(shí)間為38.45ms,相差約1.62ms。數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)基本一致,說明了數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性。

圖6 長徑比1∶1的炸藥板下壓力實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬對(duì)比Fig.6 Comparison of test and numerical simulation pressure curves with L/D of 1∶1

結(jié)構(gòu)在爆炸后先受到?jīng)_擊波的沖擊,即壓力時(shí)程曲線圖第一個(gè)峰值,隨后結(jié)構(gòu)受到氣泡膨脹作用的影響,如圖4(a)實(shí)驗(yàn)圖像0ms到20.31ms,隨后因氣泡內(nèi)部壓力小于外部壓力,所以氣泡開始收縮,對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生吸力,在收縮到一定程度后,在氣泡底部形成豎直向上的水射流,對(duì)結(jié)構(gòu)造成沖擊,同時(shí)伴隨氣泡脈動(dòng)的影響,在壓力時(shí)程曲線上產(chǎn)生第二次波峰,如圖6中40ms左右傳感器記錄的壓力數(shù)據(jù)。

2.3 網(wǎng)格敏感性驗(yàn)證

圖7是不同尺寸網(wǎng)格下長徑比1∶1的炸藥距板下15cm起爆后在板下壓力單元數(shù)值模擬結(jié)果。當(dāng)加密區(qū)域網(wǎng)格為6mm時(shí),模擬結(jié)果誤差太大不具有參考價(jià)值。當(dāng)加密區(qū)域網(wǎng)格尺寸為3mm時(shí),沖擊波峰值為75.57MPa;當(dāng)進(jìn)一步細(xì)化加密網(wǎng)格到2mm后,數(shù)值模擬結(jié)果得到?jīng)_擊波峰值為68.31MPa,相差約7.26MPa,3mm網(wǎng)格數(shù)值模擬結(jié)果更接近實(shí)驗(yàn)值,進(jìn)一步加密網(wǎng)格不會(huì)對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)擬合顯著提升。結(jié)合圖4,3mm網(wǎng)格模型計(jì)算的氣泡在形態(tài)演化上具有較好的收斂性。加密網(wǎng)格到2mm后網(wǎng)格數(shù)量將是原網(wǎng)格數(shù)的3倍,計(jì)算周期較大延長,由原先的單個(gè)算例48h的計(jì)算周期延長到單個(gè)算例需要120h以上,所以加密區(qū)域網(wǎng)格尺寸選擇為3mm。

圖7 3種網(wǎng)格大小下沖擊波峰值對(duì)比Fig.7 Comparison of shock wave peaks at three grid sizes

3 炸藥豎直擺放爆炸氣泡演化過程模擬

根據(jù)模擬工況建立方法,對(duì)不同長徑比炸藥豎直起爆展開系列模擬。當(dāng)炸藥長徑比不同時(shí),爆炸產(chǎn)生的氣泡初始形態(tài)也不相同。由于固支方板對(duì)于氣泡有Bjerknes效應(yīng)的影響,氣泡初始形態(tài)有可能會(huì)與Bjerknes效應(yīng)對(duì)氣泡共同影響,從而使得氣泡產(chǎn)生不同的動(dòng)力學(xué)行為,所以對(duì)于不同長徑比的炸藥水下爆炸動(dòng)力學(xué)行為研究要分為豎直裝藥與水平裝藥進(jìn)行討論。

3.1 起爆點(diǎn)相同

當(dāng)炸藥初始擺放方式為豎直擺放時(shí),主要有3種不同的起爆方式,分別為:底部起爆、中間起爆和頂端起爆。實(shí)驗(yàn)所采用的起爆方式為底部起爆,所以針對(duì)長徑比為5∶1、10∶1、20∶1的3種柱形炸藥首先都采取底部起爆的方式進(jìn)行數(shù)值模擬。

圖8是長徑比為5∶1、10∶1和20∶1的炸藥在板下15cm起爆點(diǎn)同為底部時(shí)的爆炸圖像。當(dāng)炸藥為豎直裝藥時(shí),3種長徑比的炸藥起爆點(diǎn)同為底部起爆時(shí),爆炸后形成的氣泡在0.20ms時(shí)有顯著的形狀區(qū)別,隨著氣泡的演化這種區(qū)別會(huì)越來越小,在6.32ms時(shí)氣泡形狀差別已經(jīng)很小,隨后氣泡膨脹為近乎相同的形狀。氣泡在受到板的Bjerknes力與浮力的影響而產(chǎn)生顯著形變之前就已經(jīng)膨脹至相同形狀,所以長徑比對(duì)于氣泡后期的演化造成的影響較小。即當(dāng)長徑比為20∶1以下的炸藥為豎直裝藥時(shí),長徑比對(duì)于爆炸氣泡形態(tài)的影響主要集中在炸藥膨脹初期短時(shí)間內(nèi)的形態(tài)上,經(jīng)過膨脹氣泡迅速成為同樣的形態(tài),并不對(duì)后續(xù)氣泡演化造成明顯影響。

圖8 不同長徑比炸藥在板下15cm爆炸氣泡圖像Fig.8 Bubble images of different L/D explosives exploding 15cm below the plate

圖9是爆距為15cm時(shí),長徑比5∶1、10∶1與20∶1的炸藥底部起爆板下爆炸的射流圖像,以速度為變量繪制氣泡內(nèi)部速度云圖。射流速度云圖的速度單位均為m/s。由圖9可知當(dāng)炸藥初始擺放方式為豎直放置時(shí),3種長徑比的炸藥在相同起爆方式下,爆炸氣泡產(chǎn)生的射流在形成時(shí)間、形態(tài)上無明顯區(qū)別。

圖9 不同長徑比的炸藥在板下15cm爆炸形成的射流圖像Fig.9 Water jet images of explosives at different L/D exploding 15cm below the plate

圖10是射流頂端速度隨時(shí)間的變化曲線。由圖10可得3種長徑比炸藥爆炸后形成的射流最大速度相似,長徑比為5∶1的炸藥爆炸產(chǎn)生的水射流在達(dá)到最大速度后更快地衰減,衰減后射流速度略低于另外兩種長徑比炸藥爆炸產(chǎn)生的射流速度。

圖10 射流速度曲線Fig.10 Water jet velocity graph

當(dāng)炸藥豎直擺放時(shí),爆炸形成的射流呈現(xiàn)出底部較粗頂部較細(xì)的特征,在高度一定的情況下,射流平均寬度取與射流截面積相等的等高長方形邊長d,見圖11。

圖11 射流平均寬度示意圖Fig.11 Schematic diagram of the average width of the water jet

圖12是豎直擺放的不同長徑比炸藥爆炸后形成射流的平均寬度隨時(shí)間變化的曲線,可以看出3種長徑比炸藥爆炸后所形成的射流不論是平均寬度還是射流寬度增長速度都相近,結(jié)合射流速度云圖可得3種長徑比炸藥豎直擺放爆炸后形成的射流形態(tài)與演化過程相似。

圖12 射流平均寬度對(duì)比Fig.12 Comparison of average width of water jet

3.2 起爆點(diǎn)不同

圖13分別為長徑比20∶1的炸藥底部起爆、中間起爆、頂端起爆3種不同起爆方式下的氣泡圖像。同一長徑比的炸藥在3種起爆方式下產(chǎn)生的氣泡都在爆炸初期呈現(xiàn)一定的豎長特性,隨著演化過程逐漸統(tǒng)一為橢圓形,氣泡都在18ms左右膨脹到最大半徑,所以氣泡的演化過程、形態(tài)以及周期上都無明顯差別。圖14是長徑比為20∶1的炸藥3種不同起爆方式下的射流圖像。3種氣泡射流形成時(shí)間都在37ms左右,且射流形態(tài)相似。得出炸藥初始擺放方式為豎直擺放且長徑比固定時(shí),起爆位置對(duì)氣泡動(dòng)力學(xué)行為不產(chǎn)生顯著影響。

圖13 長徑比20∶1的炸藥不同起爆位置爆炸氣泡圖像Fig.13 Bubble images of explosives with a L/D of 20∶1 at different detonation positions

圖14 長徑比20∶1的炸藥不同位置起爆水射流圖像Fig.14 Water jet images of explosives with a L/D of 20∶1 at different detonation positions

圖15是不同起爆點(diǎn)引爆炸藥所產(chǎn)生的射流速度時(shí)程曲線。由圖15可以看出,3種起爆點(diǎn)射流形成的時(shí)間接近。起爆點(diǎn)位于炸藥上端中心點(diǎn)時(shí)射流速度最大,最大速度可達(dá)到233.7m/s;其次是起爆點(diǎn)位于炸藥下端中心點(diǎn),最大速度為215.5m/s;當(dāng)起爆點(diǎn)位于炸藥中心時(shí)射流速度最小,最大速度為181.4m/s。即起爆點(diǎn)雖然對(duì)射流形態(tài)無明顯影響,但會(huì)影響射流速度。

圖15 不同起爆點(diǎn)的射流速度曲線Fig.15 Water jet velocity curves at different detonation point

4 炸藥水平擺放爆炸氣泡演化過程模擬

4.1 起爆點(diǎn)為炸藥端部中心

圖16為長徑比20∶1的炸藥水平裝藥且起爆點(diǎn)為炸藥端部的中心位置時(shí),爆距15、20、25cm下的氣泡演化圖像。由于起爆位置處于炸藥一側(cè),所以氣泡在膨脹過程中形態(tài)保持著一定的不對(duì)稱。當(dāng)氣泡膨脹到一定尺寸后,因受到板面Bjerknes效應(yīng)的影響,氣泡受到板的作用被拉長,同時(shí)進(jìn)行氣泡的收縮過程。

圖16 長徑比20∶1的炸藥在板下不同距離的爆炸氣泡圖像Fig.16 Bubble images of explosives with a L/D of 20∶1 at different distances under the board

圖17為爆距25cm時(shí),長徑比為5∶1、10∶1、20∶1的3種炸藥爆炸氣泡水射流階段的演化圖像。圖像為以速度為變量繪制的氣泡內(nèi)部速度云圖。由圖17可以看出,當(dāng)長徑比在5∶1到20∶1的范圍內(nèi),炸藥長徑比對(duì)于氣泡的水射流形成時(shí)間無明顯影響。但隨著長徑比的增加,水射流在氣泡內(nèi)部的寬度也會(huì)隨之增加,長徑比為5∶1的炸藥爆炸后當(dāng)氣泡塌縮形成水射流時(shí),射流在氣泡內(nèi)部相對(duì)處于豎直向上的狀態(tài),對(duì)目標(biāo)造成更集中的沖擊;而當(dāng)長徑比增大時(shí),水射流直徑在氣泡內(nèi)部不斷擴(kuò)大,當(dāng)炸藥長徑比為20∶1時(shí),水射流不對(duì)目標(biāo)造成明顯沖擊。3種長徑比炸藥射流形成時(shí)間都在36.50ms左右,所以炸藥長徑比對(duì)于射流形成時(shí)間并不造成顯著影響,同時(shí)3種射流在同一時(shí)間的速度也相近,但是因?yàn)檎ㄋ庨L徑比的影響,長徑比過大的炸藥爆炸后產(chǎn)生的射流會(huì)因直徑擴(kuò)大迅速而導(dǎo)致較早潰散。

圖17 不同長徑比的炸藥在板下25cm爆炸射流圖像Fig.17 Water jet images of explosives with different L/D exploding 25cm below the plate

圖18為射流頂部寬度隨著時(shí)間變化的示意圖,依照Liu等[21]對(duì)于射流寬度的定義,由于射流形態(tài)的不規(guī)則性,可以在截面面積相同的情況下,射流平均寬度等效為與射流截面積相同的l×d矩形的邊長d,如圖19,即射流平均寬度為:

圖18 3種長徑比炸藥爆炸產(chǎn)生射流頂端寬度演化對(duì)比Fig.18 Comparison of the top width evolution of the jet produced by the explosion of three L/D explosives

圖19 射流平均寬度示意圖Fig.19 Schematic diagram of the average width of the water jet

(8)

由圖19可以清晰看出,長徑比越大的炸藥爆炸后產(chǎn)生的射流在氣泡內(nèi)部寬度增加越快。隨著射流在氣泡內(nèi)部的演化射流的平均寬度也更大。

圖20是圖17的3種工況模擬結(jié)果板下測得的射流階段壓力曲線,取板中心下一格網(wǎng)格輸出壓力時(shí)程曲線,見圖21。由圖20可得當(dāng)長徑比為5∶1到20∶1的范圍內(nèi),隨著長徑比的減少,水射流階段所造成的壓力在總體上會(huì)越大,印證了關(guān)于射流圖像得出的較小長徑比的炸藥會(huì)對(duì)目標(biāo)產(chǎn)生更加集中的射流的結(jié)論。可知長徑比的大小會(huì)影響射流對(duì)目標(biāo)造成的壓力,影響射流的打擊效果。

圖20 3種長徑比炸藥射流階段壓力曲線Fig.20 Pressure curves in the jet stage of three L/D explosives

圖21 網(wǎng)格選取位置示意圖Fig.21 Schematic diagram of grid selection location

圖22是當(dāng)炸藥長徑比為20∶1時(shí),在爆距15、20、25cm下氣泡射流的形成過程圖像。

圖22 長徑比20∶1的炸藥在板下不同距離爆炸射流圖像Fig.22 Water jet images of explosives with a L/D of 20∶1 at different distances under the board

由圖22可得長徑比20∶1的炸藥爆炸產(chǎn)生的射流在氣泡內(nèi)部呈現(xiàn)不斷變粗的趨勢。但當(dāng)爆距較小(如15cm)時(shí),因氣泡被板面吸引,氣泡更貼近板面,所以水射流更容易擊中目標(biāo)板面。當(dāng)爆距與炸藥長徑都比較大時(shí),會(huì)出現(xiàn)射流在擊打到目標(biāo)之前就發(fā)生潰散的情形。

工程造價(jià)預(yù)算人員的專業(yè)水平、業(yè)務(wù)能力和個(gè)人情感也是影響工程造價(jià)超預(yù)算的原因之一。所以建筑企業(yè)在選擇預(yù)算人員時(shí)，要對(duì)其進(jìn)行嚴(yán)格的考核，不僅要掌握專業(yè)的知識(shí)技能還要有豐富的工作經(jīng)驗(yàn)，此外還要定期的對(duì)預(yù)算工作人員進(jìn)行專業(yè)的培訓(xùn)，來提高自身的專業(yè)水平、操作水平和業(yè)務(wù)水平。

4.2 起爆點(diǎn)為炸藥中心

圖23是長徑比為20∶1的炸藥在15cm板下,起爆點(diǎn)為炸藥一側(cè)和起爆點(diǎn)在炸藥中心的爆炸氣泡圖像對(duì)比。由圖23可以看出,不同的起爆位置對(duì)于爆炸氣泡的演化無明顯影響,當(dāng)起爆點(diǎn)為炸藥一側(cè)時(shí)爆炸氣泡在膨脹階段呈現(xiàn)略微的不對(duì)稱,起爆點(diǎn)為中心時(shí)爆炸氣泡在膨脹階段更加對(duì)稱,但起爆位置不影響氣泡的后續(xù)動(dòng)力學(xué)行為。

圖23 兩種引爆方式的氣泡圖像對(duì)比Fig.23 Comparison of bubble images of the two detonation methods

圖24是爆距為15cm,長徑比20∶1的炸藥水平引爆產(chǎn)生的氣泡的射流圖像。當(dāng)引爆位置為炸藥一側(cè)時(shí),射流會(huì)出現(xiàn)略微的傾斜,而當(dāng)引爆點(diǎn)為炸藥中間時(shí),射流不發(fā)生傾斜。此外,引爆位置對(duì)于射流的形成時(shí)間、形狀以及射流速度等無明顯影響。當(dāng)起爆點(diǎn)為炸藥中心時(shí),爆炸后形成的射流在氣泡內(nèi)部呈現(xiàn)相似的特性,射流頂端都會(huì)呈現(xiàn)不斷變寬的趨勢。

圖24 兩種起爆方式下爆炸射流圖像對(duì)比Fig.24 Comparison of water jet images of the two detonation methods

圖25是爆距為25cm,長徑比20∶1的炸藥爆炸射流階段對(duì)目標(biāo)底部造成的壓力時(shí)程曲線,壓力曲線取自板中心下一格網(wǎng)格。由圖25可得,起爆位置雖然會(huì)少許影響射流的形態(tài),但并不影響射流對(duì)目標(biāo)造成的載荷大小。

圖25 兩種引爆方式的射流階段壓力曲線對(duì)比Fig.25 Comparison of pressure curves in the jet stage of the two detonation methods

圖26是水平擺放炸藥不同起爆位置射流平均寬度隨時(shí)間的變化曲線,兩種起爆位置形成的射流除了在形態(tài)上略有不同,射流平均寬度與寬度增加速度都近似。

圖26 射流平均寬度對(duì)比曲線Fig.26 Comparison curves of average width of water jet

5 結(jié) 論

(1)不同長徑比的炸藥不論在豎直裝藥還是水平裝藥條件下,長徑比對(duì)于氣泡演化動(dòng)力學(xué)行為無明顯影響。當(dāng)炸藥水平裝藥時(shí),起爆點(diǎn)在一端或中心會(huì)造成氣泡在演化過程中呈現(xiàn)輕微的不對(duì)稱,但不影響總體氣泡演化進(jìn)程。

(2)豎直裝藥時(shí),不同長徑比炸藥對(duì)射流形態(tài)基本無影響;水平裝藥時(shí),長徑比越大的炸藥射流在氣泡內(nèi)部呈現(xiàn)寬度越大的趨勢,從而影響射流載荷,總體趨勢為射流越寬對(duì)壁面造成的載荷越小,。

(3)豎直裝藥時(shí),數(shù)值模擬的3種長徑比的炸藥爆炸后射流最大速度集中在210～220m/s,但長徑比為5∶1的炸藥射流速度要明顯低于另外兩種炸藥。不同起爆位置對(duì)于射流速度的影響規(guī)律總體為:頂端起爆形成的射流速度最大,達(dá)到233.7m/s,中心起爆的射流速度最小,僅181.4m/s,相差約25.05%。