不同氣流量下氣泡帷幕對水下沖擊波衰減特性研究

馬成帥, 吳紅波, 王尹軍, 陸少峰, 李基銳, 蔡心遠, 陳正嚴

(1.安徽理工大學 化學工程學院,安徽 淮南 232000;2.北京礦冶研究總院,北京 100044;3.廣西新港灣工程有限公司,南寧 530200)

隨著時代發展,爆破技術被廣泛應用于民用建設和軍事拆除等,使用范圍也逐漸從陸地擴大到水下?，F如今水下爆破技術應用開始逐漸增多,面對現場實際問題,各種新型方法層出不窮,但水下環境相對復雜,難以實施。由于水的密度大,且具有幾乎不可壓縮的特性,使得水下爆炸產生的沖擊波在傳播過程中衰減程度低,導致相同藥量下,水中爆炸產生的沖擊波破壞能力遠遠大于空中爆炸。如何采取有效的方法消弱水下沖擊波對周邊環境造成破壞已成為當前水下爆破工程師亟須解決的問題[1]。目前水下爆破主流防護措施包括從根源上降低產生的沖擊波壓力和爆源與被保護對象之間采取有效的措施對沖擊波快速消減或隔絕。從根源上降低水下沖擊波壓力,通常采用微差爆破技術[2],減少單次起爆藥量,從而降低沖擊波壓力疊加的峰值,但施工周期長,成本大幅增加,且一次起爆藥量不能無限制減少,施工困難;在被保護對象與爆源之間采取有效防護措施可加速激波壓力峰值衰減,一般使用氣泡帷幕方法或預裂爆破技術[3]。氣泡帷幕最早是由加拿大工程師Adolph提出并應用于工程實踐,試驗結果良好,因此得到一致認可并大規模推廣[4]。目前氣泡帷幕的產生方式主要為電解法、氣泵法[5-6]。

胡偉才等[7]通過正交試驗和極差分析等方法,基于ANSYS數值模擬分析氣泡帷幕數量、防護距離、孔間距三個因素對水下沖擊波衰減影響,結果表明防護距離與氣泡帷幕數量是消波的主要因素。賈虎等[8-9]采用空氣隔層探究對水下沖擊波的衰減效果,試驗結果表明空氣阻隔對各頻率的沖擊波能量都有較好的衰減效果;并且提出采用爆炸氣泡帷幕對水下沖擊波壓力進行衰減,試驗結果表明爆炸氣泡帷幕能有效衰減沖擊波比沖量,衰減高達60%以上。謝金懷等[10]探究氣泵法生成氣泡帷幕對聲波的衰減特性,試驗結果表明在不同深度、不同氣流量下氣泡帷幕對低頻波段衰減效果良好。司劍峰[11]根據聲學近似原理推導出水下沖擊波降低理論公式。Peng 等[12]采用耦合兩步法,通過所提出的氣幕模型可對噪聲逸出進行參數研究。Bohne等[13]為了準確地估計氣泡羽流,將浮力射流積分模型與現有的氣泡破碎和合并種群動力學簡化模型相結合,用來近似氣泡的總體尺寸分布。Gao等[14]利用COMSOL Multiphysics有限元分析軟件對氣泡帷幕降噪效果進行研究,結果表明氣泡帷幕可對水下噪聲的峰值壓級衰減約8 dB。現今學者們在氣泡帷幕對水下沖擊波衰減能力方面有不少研究,但實際情況交錯復雜,研究進展緩慢。

本次試驗自行設計一套水下爆炸氣泡帷幕專用測試系統,用以研究氣流量下氣泡帷幕對水下沖擊波的衰減效果,結合高速攝影尋找不同氣流量下氣泡帷幕受沖擊波作用后的變化規律,以期指導水下爆破工程實踐。

1 氣泡帷幕消波原理

沖擊波在水中傳播時傳遞效率高,對周圍生物及構筑物破壞強。設計水下爆炸防護設備時,需考慮到波阻抗比的問題,當兩種介質的波阻抗不匹配程度越高,沖擊波衰減效果越好。

令一維彈性波在水中垂直傳入介質1,根據連續條件、波陣面動量守恒及牛頓第三定律,可推導出入射壓力σ1、反射壓力σR、透射壓力σT之間的關系

(1)

式中:T、F分別為透射系數和反射系數;n為波阻抗比;ρw為水的密度,cw為水中的波速,ρwcw為水介質的波阻抗;ρ1為介質1的密度,c1為介質1中的波速,ρ1c1為介質1的波阻抗。

水中的一維彈性波通過介質1再投射到水中時,透射波σT1的強度為

(2)

以上分析以彈性波為例,對于水下爆破產生的沖擊波同樣適用。由此可見,透射應力只與兩種介質的波阻抗比有關,且差距越大,效果越明顯。氣泡帷幕作為一種有效的防護手段,其水與氣泡的波阻抗差距較大,因此在被保護區域與爆源之間放置氣泡帷幕可以有效削減沖擊波能量,確保水下爆破工程能順利進行。

2 試驗部分

2.1 水下爆炸試驗裝置

試驗在水下爆炸氣泡帷幕專用測試裝置中進行,該裝置長1.2 m、寬1.2 m、高1.3 m,配有鄰側雙邊大面積透光防爆玻璃,透光率92.7%,拉伸強度83.3 MPa,壓縮強度142 MPa,能滿足試驗藥量爆炸后所需的強度。

測試系統包括PCB公司W138A06電氣石水下激波壓力傳感器、482A22恒流源、TELEDYNE LECROY公司HD O4034A示波器、NAC Memrecam HX-3高速攝像機、計算機等。試驗系統和主體裝置放置示意圖如圖1所示。

2.2 氣泡帷幕發生裝置

該氣泡帷幕發生裝置由氣體輸出系統、壓力調節裝置、氣泡帷幕發生器及連接管組成。氣體輸出系統用于儲存或釋放氣體,其最大承載壓力8 Mbar;壓力調節裝置可以有效控制并維持氣體壓力大小,包含一組可拆卸式流量計,方便記錄和變換調節氣流量大小;氣泡帷幕發生器管長1 000 mm、孔距50 mm、孔徑0.9 mm,且可以吸附在水下爆炸氣泡帷幕專用測試裝置下方,便于固定氣泡帷幕發生器位置。

2.3 爆源選取

本次試驗統一采取8號工業雷管作為爆源,聚能穴垂直于測試裝置底部,采用起爆器起爆。

2.4 試驗工況

為了驗證不同氣流量下氣泡帷幕對水中爆炸沖擊波的衰減情況。本次試驗將高速攝像機放置于觀測窗前4.5 m處;氣泡帷幕發生器置于測試裝置底部,與一側防爆玻璃平行并距離35 cm;爆源入水深度70 cm,懸浮在距金屬壁面兩側垂直距離均40 cm,裝置底部垂直距離35 cm處;水下壓力傳感器距爆源60 cm,置于氣泡帷幕發生器與防爆玻璃之間,與爆源處于同一水平面;氣體壓力由壓力調節裝置控制,維持壓力2 Mbar,采用氣流量分別為5 L/min、10 L/min、20 L/min、30 L/min、40 L/min的五種氣泡帷幕作為試驗變量,探究水下沖擊波穿過氣泡帷幕后的形態及沖擊波衰減情況。

3 試驗結果及分析

3.1 氣泡脈動試驗

對于無限水域爆炸,一般規定爆源與裝置底部要達到氣泡脈動最大半徑的2倍,與壁面要達到5倍最大氣泡脈動半徑[15]。在水下爆炸氣泡帷幕專用測試裝置中,因為體積受限,爆源在該裝置中無法保持與壁面距離達到無限水域要求,但為了盡可能消除不利因素,試驗安置位置需保證距水底兩倍最大氣泡脈動半徑。為了驗證爆源的安置位置是否合適,空爆一發雷管,通過高速攝影對爆炸產生的氣泡進行拍攝,可直接得到氣泡脈動直徑,如圖2所示。

圖2 氣泡脈動最大直徑Fig.2 Maximum diameter of bubble pulsation

拍攝顯示雷管爆炸后可進行完整的氣泡脈動,未觸及裝置壁面和底部。實測得氣泡脈動最大直徑為24 cm,小于爆源距測試裝置底部距離,且未觸及壁面,符合要求,本次安置方式合適。

3.2 氣泡帷幕形態變化試驗

為探究不同壓力下氣泡帷幕產生氣泡的效果及對沖擊波防護能力,本次拍攝頻率為5 000 s-1,相鄰拍攝圖片時間間隔0.2 ms。將試驗所用氣泡帷幕發生裝置固定于水底,采用上述五種氣流量進行拍攝,該裝置通光性好,光源只需自然光。將高速攝像機拍攝圖片中選擇沖擊波到達氣泡帷幕前0.2 ms時,爆源與傳感器兩點連線上的氣泡帷幕區域長度作為氣幕寬度,且選取在此氣幕寬度附近的氣泡作為觀察對象,如圖3所示。

圖3 氣泡帷幕觀察對象的選擇示意圖(cm)Fig.3 Schematic diagram of the selection of observation objects for the bubble curtain(cm)

試驗以氣泡帷幕初次受到沖擊波沖擊,圖像前后開始變化的前一幀圖像作為0時刻。如圖4所示,0時刻前,氣泡帷幕未受到沖擊波影響,形態幾乎無變化;0時刻后,氣泡帷幕右側產生的沖擊波開始影響氣幕中的小氣泡原有狀態,小氣泡形狀開始變化,并隨著時間增長呈現出氣幕右側氣泡先變化,左側氣泡隨后變化的過程。

圖4 氣泡帷幕初次受沖擊前后形態漸變圖Fig.4 Morphologic gradient of bubble curtain before and after initial impact

圖5為5 L/min氣流量下氣幕形態變化時程圖。從圖5可以看出,沖擊波達到前,氣泡帷幕呈現倒錐形,帷幕中小氣泡之間存在以水為介質的空隙,氣泡大小不規律,外形呈現扁圓狀。0～3.8 ms時間段,小氣泡在受到沖擊波作用后開始第一次膨脹收縮,在0時刻,氣泡帷幕受到沖擊波沖擊,氣泡帷幕中的氣泡會迅速收縮,并吸收部分沖擊波能量,導致氣泡內部壓力大于靜水壓,氣泡開始膨脹,周圍水流也向徑外流動;沖擊波傳播到氣泡帷幕后一段時間,由于炸藥在短時間內釋放巨大能量,使得裝置中的一部分液體迅速氣化,氣幕右側出現大量微小氣泡,隨后立即消失,如1 ms所示;隨著氣幕中的氣泡急劇膨脹,氣泡內的壓力隨之降低,在某一時刻與周圍靜水壓力相同,受慣性影響,氣泡繼續向外擴張,2 ms時膨脹至最大半徑,外形為球形,與爆源同一水平面的氣泡直徑約16 mm,此時氣泡內壓力低于靜水壓,隨后開始迅速收縮,3.8 ms時氣泡收縮至最小,第一次氣泡膨脹收縮結束;同樣由于氣泡內外壓力不均勻的影響,3.8～14 ms,小氣泡在此期間進行數次膨脹和壓縮,14 ms后各小氣泡開始破裂,形成許多更小的氣泡,邊緣逐漸不規律,氣幕整體不再大幅度變化,形態變化結束。由于氣幕中氣泡形態變化過程與氣泡脈動相似,本文稱之為類氣泡脈動行為,故氣泡第一次膨脹收縮所需的時長即第一次類脈動周期。

圖5 5 L/min氣流量下氣幕受沖擊波作用后形態變化圖Fig.5 Morphological changes of bubble curtain under shock wave at 5 L/min gas flow

圖6為氣流量10 L/min、20 L/min下氣泡帷幕變化過程圖,對比圖3可以看出,氣幕隨著氣流量的增大變寬,倒錐形逐漸明顯,氣幕內部氣泡含量密度增大,在受到沖擊波作用后,氣泡帷幕略微向左傾斜,氣泡開始膨脹,第一次類脈動周期分別為4.2 ms和5.2 ms,氣泡最大直徑分別為17 mm和19 mm,在進行數次類氣泡脈動后氣泡潰散,組成小氣泡群。

(a) 氣流量10 L/min

(b) 氣流量20 L/min圖6 不同氣流量下氣幕受沖擊波作用后形態變化圖Fig.6 Morphological changes of air curtain under shock wave under different air flow rates

通過分幅處理,選取與爆源入水深度相同的氣泡,對比受到水下沖擊后氣泡的最大直徑及第一次類氣泡脈動周期,得到表1所示的氣泡帷幕形態參數。

表1 不同氣流量下與爆源同一水平面的氣泡帷幕形態參數Tab.1 Bubble curtain shape parameters at the same level as the explosion source under different air flow rates

經過對五種氣流量氣幕形態變化進行對比,發現氣幕形態與氣流量大小有關。通過拍攝圖片對比可得,在一定范圍內,氣流量越大,氣幕中氣泡間隔越小,氣泡密度占比越高,氣幕寬度與氣流量呈現正比增長的趨勢。當氣幕受沖擊波作用后,氣流量越大,同一水平面內氣幕中類氣泡脈動最大直徑越大,第一次膨脹壓縮周期越長。可能是因為當水下沖擊波到達氣幕后,小氣泡會吸收和反射部分沖擊波能,隨著氣泡帷幕變寬,氣泡占比提高,沖擊波能在氣幕內折射和反射的次數會相應增多,方向不固定,由于氣幕內單個氣泡不僅會吸收直接受到的沖擊波能,還會吸收部分其他氣泡反射或折射的能量,導致吸收的總能量增加,最終形成氣泡膨脹后的最大直徑增加,類氣泡脈動周期變長這一現象。

3.3 氣泡帷幕對水下沖擊波壓力衰減試驗

為了探究氣幕對水下沖擊波的衰減能力,試驗前對傳感器進行標定,標定得靈敏度為111.3 mV/MPa。通過計算,可將傳感器所得電壓傳感器的電壓曲線轉化為壓力曲線。因為裝置體積限制,不可避免存在沖擊波壁面反射等情況,由于剛性壁面對水中沖擊波的反射能力強,且存在多個反射波相互疊加,容易導致在第一個波峰后形成數值更大的壓力峰值的情況。試驗為模擬無限水域環境,第一個峰值即為沖擊波壓力峰值,故本文只將第一個波峰作為研究對象,以減少上述因素帶來的影響。圖7可以看出,無氣幕下水下沖擊波壓力峰值最大;隨著氣流量的上升,沖擊波峰值壓力呈現下降的趨勢,圖7(f)所示,當氣流量為40 L/min時,壓力峰值已不明顯,分析所得各氣流量下沖擊波壓力峰值及峰值下降幅度如表2所示。

(a) 無氣泡帷幕

(b) 氣流量5 L/min

(c) 氣流量10 L/min

(d) 氣流量20 L/min

(e) 氣流量30 L/min

(f) 氣流量40 L/min圖7 不同氣流量下沖擊波壓力曲線Fig.7 Shock wave pressure curve at different gas flow rates

表2 不同氣流量下沖擊波壓力峰值Tab.2 Peak pressure of shock wave under different gas flow rates

根據沖擊波壓力峰值進行定量分析,得出隨著氣流量的增大,氣幕對水下沖擊波的衰減程度越好。當氣流量從0提高到5 L/min時,沖擊波峰值降低23.02%;當氣流量從5 L/min提高到10 L/min時,沖擊波峰值降幅從23.02%降低到21.33%,消波能力反而降低,通過高速攝像發現,如圖8所示,氣流量10 L/min的攝像圖雖然比5 L/min寬,但在爆源同一水平面上的氣幕存在一塊無氣泡區域,導致氣幕內有效氣泡含量低于5 L/min下的氣幕,使得沖擊波壓力峰值不降反增,進一步說明氣幕中氣泡含量密度是決定沖擊波壓力降低的重要因素;氣流量從10 L/min提高到20 L/min時,沖擊波壓力峰值降幅從21.33%快速提高到55.51%;氣流量從20 L/min提高到30 L/min時,沖擊波峰值降幅從55.51%提高到78.81%;當氣流量從30 L/min提高到40 L/min時,沖擊波峰值降幅從78.81%緩慢提高到88.98%。由此可見,氣泡帷幕對水下沖擊波衰減效果明顯,在工程實踐應用中具有較高的價值。

圖8 爆源同深度下5 L/min與10 L/min氣流量氣幕攝影圖Fig.8 Air flow and air curtain photography of 5 L/min and 10 L/min at the same depth of detonation source

結合攝像,得出氣泡帷幕寬度和氣泡密集程度是削弱沖擊波的重要因素;由于氣泡帷幕受水流、水中雜質等因素影響,導致氣幕形態不能完全穩定,對此可通過增大氣流量來減小誤差。

3.4 氣泡帷幕對水下沖擊波的比沖量衰減

水下爆炸對周圍的損害不僅包括沖擊波峰值壓力,還與炸藥爆炸產生的能量有關。通過對試驗的沖擊波壓力曲線進行積分,得到待測點的沖擊波比沖量,對各種氣幕下的壓力曲線進行對比,用以判斷不同氣流量下氣泡帷幕對能量的削弱能力。

(3)

式中:I為爆炸波比沖量,Pa·μs;ta為沖擊波到達時間,μs;tb為沖擊波的結束時間,一般取值為ta+6.7θ,μs;θ為時間常數,指爆炸沖擊波壓力時程中由峰值壓力pm衰減為pm/e所用的時間,μs。

氣泡帷幕能有效降低水下沖擊波沖量,如圖9所示?？梢钥闯?未設置氣幕時的沖擊波比沖量最大,隨著氣幕氣流量增大,水下沖擊波比沖量出現下降趨勢,氣流量在20 L/min后,氣泡帷幕對沖擊波比沖量衰減大于50%,表明高流量下的氣泡帷幕能有效地減少沖擊波比沖量,對周圍環境能起到保護效果。

圖9 不同氣流量下水下沖擊波沖量曲線Fig.9 Impulse curve of underwater shock wave under different gas flow rates

3.5 氣泡帷幕氣流量與消波能力擬合曲線

本次試驗,在有限空間中采用氣泵法產生氣泡帷幕,并采取不同氣流量下的氣泡帷幕對水下沖擊波進行不同程度的削弱。對比發現,氣泡帷幕消波能力與氣流量的大小有一定的規律,呈現出隨著氣流量的增加,氣泡帷幕消波能力先快速上升后緩慢上升的趨勢,滿足擬合條件。

通過量綱分析,可得到具有通用性的計算方法,針對不同安置方式,擬合出與試驗設計參數類似情況下的水中沖擊波超壓峰值計算公式。首先需確定影響氣泡帷幕對水中沖擊波壓力衰減能力的主要參數:

炸藥參數:炸藥的裝藥量m、裝藥密度ρ1、爆炸產物膨脹系數γ。

液體參數:靜水壓p0、初始密度ρ2,狀態方程指數n。

氣泡帷幕參數:氣泡帷幕與爆源水平距離r,氣流量q。

尺寸參數:被保護物與爆源距離R、到達被保護物水中沖擊波峰值壓力p。

此時可得到達被保護物的壓力峰值p由上述參數組成的函數

p=f(m,ρ0,γ,p0,ρ2,n,r,q,R)

(4)

選取量綱獨立的R、p0、ρ2,由π定理可得出水中沖擊波通過氣泡帷幕衰減后的峰值壓力p

(5)

若實際應用與試驗工況相仿,則空爆后到達被保護物的壓力峰值相同、裝藥性質不變、爆源與被保護物和爆源與氣泡帷幕的水平距離比一致、液體的初始狀態類似,則:

(6)

進而式(6)可簡化為

(7)

具體形式為

(8)

通過試驗數據進行數據擬合,得到適用于實際工程的經驗公式

(9)

為了驗證擬合數據是否準確,試驗增加兩組氣流量為80 L/min的水下沖擊波超壓作為對照,處理數據后得,該組氣幕的實際消波能力為90.23%,式中得到的消波效果為90.52%,相對誤差0.3%,表明該公式符合實際應用環境,擬合準確。

由此可見,氣流量越大,到達被保護物的沖擊波壓力越小,氣泡帷幕的消波效果越好。該公式可推廣至實際工程中,為水下爆破防護應用提供參考。

4 結 論

(1) 在一定范圍內,氣泡帷幕寬度會隨著氣流量的增大而變寬,氣泡密集程度也隨之提高,且氣幕內氣泡越密集,對沖擊波的衰減效果越好,氣泡帷幕越寬,消波越顯著;水下沖擊波傳播至氣泡帷幕后,氣幕中氣泡會吸收部分沖擊波能量并做類氣泡脈動行為,氣流量越大,氣泡膨脹的最大直徑越大,第一次類氣泡脈動周期越長。

(2) 氣流量的改變對氣泡帷幕消波防護有顯著影響,在氣流量40 L/min下,沖擊波峰值衰減高達88.98%;且氣泡帷幕對沖擊波比沖量削弱效果同樣顯著,當氣流量大于20 L/min后,沖擊波比沖量衰減程度均大于50.00%。

(3) 試驗結果存在一定規律,通過量綱分析,得出一條適用于該工況的經驗方程,可對實際工程應用提供參考。