爆炸中氣泡形態(tài)演變規(guī)律及水動力學(xué)研究

爆炸中氣泡形態(tài)演變規(guī)律及水動力學(xué)研究

1主要參數(shù)設(shè)計(jì)當(dāng)附近水面附近爆炸時，氣泡在許多運(yùn)動過程中具有強(qiáng)烈的耦合作用，如膨脹、收縮、坍塌和浮升，以確保水面有各種形式的水幕現(xiàn)象，包括水壩、水柱和水射流。這種復(fù)雜的物理現(xiàn)象在船舶、水中武器等國防領(lǐng)域引起了密切關(guān)注。許多國內(nèi)外科學(xué)家對此進(jìn)行了研究，主要集中在單一氣泡-氣泡群框架的運(yùn)動特征、數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究上。重點(diǎn)研究氣泡的運(yùn)動、變形、bjrknse波場運(yùn)動和bukane射流。大多數(shù)人忽視了近程氣泡運(yùn)動的后效效果（如運(yùn)動、變形、破碎等復(fù)雜過程）。近年來，水幕反射技術(shù)已成為國內(nèi)外海軍的研究熱點(diǎn)。研究中的中心問題之一是爆炸氣泡與自由水面之間的動態(tài)過程，這對武器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和破壞效率的分析具有指導(dǎo)作用。對爆炸氣泡與自由水面相互作用過程的研究,現(xiàn)主要采用的實(shí)驗(yàn)方法有水下爆炸實(shí)驗(yàn)和模擬氣泡實(shí)驗(yàn).由于水下爆炸實(shí)驗(yàn)成本高、技術(shù)復(fù)雜(難以捕捉到氣泡與邊界相互作用的過程)、且具有一定的危險性,許多作者開始采用電火花形成空化氣泡、激光形成空化氣泡等方法代替爆炸氣泡,研究氣泡與水面相互作用形成的水面現(xiàn)象.然而,爆炸氣泡、空化氣泡與邊界相互作用過程雖然力學(xué)上具有相似性,但物理本質(zhì)上仍然存在重要差別.電脈沖、激光脈沖作用下形成的氣泡是瞬間高溫將水汽化的過程,氣泡內(nèi)部為可冷凝的水蒸氣,而爆炸氣泡內(nèi)部由中心爆轟產(chǎn)物氣體和外圍水蒸氣組成.裝藥起爆后,爆轟產(chǎn)物氣體具有熱能和動能,使得周圍水汽化,并不斷推動氣泡表面向外擴(kuò)張運(yùn)動.爆轟產(chǎn)物氣體處于爆炸氣泡的中心位置,而周圍水蒸氣直接與水相互作用.因此,當(dāng)氣泡不破裂時,可采用電脈沖或電火花形成氣泡代替爆炸氣泡,研究氣泡與邊界的相互作用過程.而當(dāng)氣泡破裂時,爆轟產(chǎn)物氣體釋放后將會擾亂整個流場,爆轟產(chǎn)物氣體的影響將不能被忽略.因此,開展爆炸水幕形成機(jī)理及其形態(tài)演變研究時,爆炸氣泡不能完全被空化氣泡代替,有必要開展水下爆炸實(shí)驗(yàn).本文設(shè)計(jì)了一套小當(dāng)量裝藥近水面水下爆炸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),通過兩臺高速錄像機(jī)同步拍攝了氣泡和水幕的運(yùn)動行為,結(jié)合理論分析,系統(tǒng)、全面的研究了爆炸氣泡與自由水面相互作用的動力學(xué)過程.2實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)如圖1所示,實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由敞口水箱、高速錄像系統(tǒng)、起爆控制裝置、光源和標(biāo)桿等6部分組成.設(shè)計(jì)敞口水箱時,需綜合考慮以下因素:1)不影響氣泡形態(tài).敞口水箱尺寸越大,剛性邊界反射沖擊波對氣泡形態(tài)的影響越小.2)拍攝的氣泡邊界清晰.水箱尺寸越小,水越清澈、光線越強(qiáng),采光越多,高速攝影拍攝的氣泡越清晰.3)水箱抗爆,安全性好.水箱尺寸越小,壁厚越薄,沖擊波對箱體的破壞力越大.4)水箱重量不宜過重,便于安裝和移動.水箱尺寸越大,壁厚越厚,重量越大,安裝和移動越困難.經(jīng)過沖擊波超壓和剛體抗沖擊性能計(jì)算,考慮氣泡形態(tài)不受影響、拍攝清晰度和箱體強(qiáng)度等綜合因素,水箱內(nèi)壁尺寸確定為1.2m(長)×1.2m(寬)×1.0m(高).長度約等于0.6gRDX裝藥水下爆炸形成氣泡最大半徑的4倍,敞口水箱由8mm厚鋼板焊接而成,四壁開有觀察窗,觀察窗為32mm厚的防爆玻璃,尺寸500mm×700mm.水箱所有鋼板的內(nèi)壁黏貼5mm厚的橡膠板,用于吸收沖擊波能.高速錄像系統(tǒng)由兩臺高速錄像機(jī)、兩臺筆記本電腦和數(shù)據(jù)線組成,用于同步拍攝氣泡和水幕的運(yùn)動過程.通過與起爆控制裝置聯(lián)動的開關(guān)啟動高速錄像機(jī),實(shí)現(xiàn)起爆、氣泡拍攝和水幕拍攝的時間同步.兩臺高速錄像機(jī)的拍攝幅頻均為4000m/s,像素分別為512×800和1024×1008.光源是備用裝置,僅在自然光線不足的情況下使用,為高速錄像機(jī)提供附加光線,提高拍攝的清晰度.所選光源必須具有直流、高光強(qiáng)等特點(diǎn).標(biāo)桿高3m,固定于水箱外壁,用于標(biāo)定水幕的高度.裝藥量和起爆深度是影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的關(guān)鍵因素,通常采用起爆深度d和氣泡最大半徑Rm的比值d/Rm(稱為比例深度)表征裝藥量和起爆深度的影響.進(jìn)行研究方案設(shè)計(jì)時,為獲得系統(tǒng)、全面的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,基于前期海上實(shí)驗(yàn)研究經(jīng)驗(yàn),選取了d/Rm<1的7種條件,d/Rm=0,0.201,0.301,0.401,0.502,0.603,0.804(對應(yīng)起爆深度分別為0m,0.03m,0.045m,0.06m,0.075m,0.09m,0.12m),和d/Rm>1的7種條件,d/Rm=1.007,1.209,1.412,1.615,1.819,2.023,2.227(對應(yīng)起爆深度分別為0.15m,0.18m,0.21m,0.24m,0.27m,0.30m,0.33m).所選的14種實(shí)驗(yàn)條件涵蓋了水面爆炸和深水爆炸的極值情況,以及起爆深度接近氣泡最大半徑的過渡情況,部分實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行了重復(fù)性實(shí)驗(yàn),保證了實(shí)驗(yàn)的系統(tǒng)性和全面性.3結(jié)果與分析3.1實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比觀察高速錄像結(jié)果,發(fā)現(xiàn)近水面水下爆炸后,水中出現(xiàn)沖擊波和二次壓力波閃光、氣穴、球形氣泡、卵形氣泡、內(nèi)凹形氣泡等現(xiàn)象,水面上出現(xiàn)徑向噴射水柱、垂直噴射水柱、頂端飛散水柱、水射流、水冢、二次水冢等6種水幕形態(tài),水中和水面現(xiàn)象相互依存,并隨起爆深度的增加、時間的推移而發(fā)生形態(tài)演變.根據(jù)氣泡和水幕形態(tài)的演變過程,可將比例深度劃分為4段范圍,相應(yīng)演變過程如下.圖2所示為徑向噴射水柱和水射流兩種形態(tài)水幕的演變過程及對應(yīng)的水中氣泡形態(tài)演變過程,這種現(xiàn)象產(chǎn)生于起爆點(diǎn)緊貼水面的實(shí)驗(yàn)情況,即d/Rm=0的實(shí)驗(yàn)條件.裝藥起爆后,沖擊波和爆轟產(chǎn)物氣體沿徑向傳播,水中形成上端開口的半球形氣泡,水面上水滴徑向飛濺,形成徑向噴射水柱(圖2(a),(i));氣泡內(nèi)部與大氣相通,爆轟產(chǎn)物氣體向外界釋放,同時向氣泡內(nèi)壁方向傳送稀疏波,在稀疏波的作用下爆轟產(chǎn)物氣體攜帶氣泡內(nèi)表壁水滴脫離、飛濺,并沿軸心方向匯聚,向外釋放的爆轟產(chǎn)物氣體帶動飛濺的水滴向上運(yùn)動,形成自氣泡下表面向上成長的水射流(圖2(b)—(d),(j)—(l));當(dāng)t=47.75ms時,氣泡膨脹到最大并開始收縮,氣泡底端向上運(yùn)動(圖2(m)—(p)),氣泡深度方向尺寸減小,但橫向尺寸繼續(xù)擴(kuò)大,直至浮出水面.整個過程中水射流持續(xù)上升,直至在重力、空氣阻力、風(fēng)力等的作用下稀化、消失(圖2(e)—(h)).顯然,貼近水面水下爆炸形成水射流的形態(tài)和形成機(jī)理與電火花或激光形成氣泡破裂后形成水射流的形態(tài)和機(jī)理不同(與張阿漫等的電火花實(shí)驗(yàn)中d/Rm=0.083條件下的結(jié)果進(jìn)行對比),具體表現(xiàn)在:1)水下爆炸形成水射流的高度約等于氣泡直徑的7—10倍,而電火花實(shí)驗(yàn)形成水射流的高度約等于氣泡直徑的3—4倍.2)水下爆炸形成的水射流是爆轟產(chǎn)物氣體帶動下和稀疏波作用下,氣泡內(nèi)表面水滴向上飛濺并在軸心方向匯聚的結(jié)果,是自氣泡底部向上增長的射流,而電火花實(shí)驗(yàn)形成的水射流是水冢在重力作用下回落、聚攏并相互沖擊形成的.3)水下爆炸形成的水射流能夠穩(wěn)定成長,而電火花實(shí)驗(yàn)形成的水射流不能穩(wěn)定成長.圖3所示為水冢、垂直噴射水柱和水射流三種形態(tài)水幕的演變過程,這種現(xiàn)象產(chǎn)生于0.201≤d/Rm≤0.804的實(shí)驗(yàn)條件.裝藥起爆后,首先在水面附近觀察到強(qiáng)烈的白色閃光(沖擊波水面反射的結(jié)果),水下球形氣泡快速膨脹;t=0.25ms時,爆炸氣泡與水面之間出現(xiàn)氣穴(如圖3(h)所示,氣穴由許多小氣泡組成,又稱為空化氣泡層),隨時間的增長氣穴漸漸消退(總持續(xù)時間約1.5ms),隨后球形氣泡向卵形氣泡演變,水面形成水冢;氣泡上邊界超出水面的原始位置并到達(dá)水面的新位置時,氣泡頂端破裂,內(nèi)部爆轟氣體產(chǎn)物向外釋放,水面形成垂直噴射水柱(圖3(d));氣泡繼續(xù)膨脹,氣泡內(nèi)部自上而下傳遞強(qiáng)擾動(圖3(i)—(k));當(dāng)氣泡膨脹到最大后,氣泡開始收縮,氣泡下邊界位置幾乎不變,但上邊界迅速下凹,氣泡與水面之間觀察到爆轟產(chǎn)物氣體向外釋放的軌跡,釋放氣體的總寬度減小,垂直噴射水柱演變成了水射流形態(tài)(圖3(d)—(f));氣泡繼續(xù)收縮,爆轟氣體產(chǎn)物從氣泡下表面穿出,并逐漸向水中釋放爆轟氣體產(chǎn)物,氣-水邊界失穩(wěn)(圖3(l)—(n)),氣泡收縮過程變緩慢,并且氣泡不能進(jìn)入第二次脈動過程,而水射流高度逐漸增加,直徑逐漸減小.實(shí)驗(yàn)中,當(dāng)0.201≤d/Rm≤0.401時,水冢現(xiàn)象不明顯,但垂直噴射水柱持續(xù)時間相對較長,水射流高度和寬度等相對較大;當(dāng)0.502≤d/Rm≤0.603時,水?，F(xiàn)象明顯,垂直噴射水柱現(xiàn)象持續(xù)時間相對較短,水射流高度和寬度相對較小;當(dāng)d/Rm=0.804時,氣泡破口尺寸很小,向外釋放的能量很低,致使氣泡收縮到最小時產(chǎn)生了二次壓力波現(xiàn)象.與電火花實(shí)驗(yàn)相比(如張阿漫電火花實(shí)驗(yàn)中,d/Rm=0.58,0.78條件下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果):1)爆炸氣泡在水面破裂后及收縮過程中,爆轟產(chǎn)物氣體的釋放是形成垂直噴射水柱和水射流的本質(zhì)原因,而電火花形成的水柱是氣泡收縮、水?；芈溥^程中水流相互沖擊的作用結(jié)果;2)水下爆炸實(shí)驗(yàn)中的垂直噴射水柱和水射流產(chǎn)生于氣泡膨脹階段,而電火花實(shí)驗(yàn)中水柱產(chǎn)生于氣泡收縮過程;3)水下爆炸實(shí)驗(yàn)中,爆轟產(chǎn)物氣體的釋放導(dǎo)致氣泡內(nèi)部能量降低,使氣泡提前進(jìn)入收縮階段,而電火花實(shí)驗(yàn)中是由于氣泡的收縮,導(dǎo)致水柱現(xiàn)象的產(chǎn)生;4)水下爆炸實(shí)驗(yàn)中,垂直噴射水柱和水射流都是爆轟產(chǎn)物氣體和水的混合物,而電火花實(shí)驗(yàn)中獲得的水柱只含有水.圖4所示為水冢和頂端飛散水柱兩種形態(tài)水幕的演變過程,這種現(xiàn)象產(chǎn)生于1.007≤d/Rm≤1.412的實(shí)驗(yàn)條件.裝藥起爆后,首先在水下觀察到白色閃光,并存在一條白色跡線,水面出現(xiàn)水滴向上飛濺的白色區(qū)域;氣泡呈球形快速膨脹,觀察窗內(nèi)壁出現(xiàn)大量小氣泡,在爆炸形成的氣泡與水面之間觀察到氣穴現(xiàn)象,該區(qū)域上邊界為先前觀察到的白色跡線,隨著氣泡的繼續(xù)膨脹,氣穴逐漸消失,向上飛濺的水滴呈水冢形態(tài)向上運(yùn)動;t=9ms時,氣泡膨脹到最大,氣泡接近球形,氣泡上下直徑略大于左右直徑,此時對應(yīng)水面現(xiàn)象仍然為水冢形態(tài);氣泡開始收縮,氣泡上邊界扁平,t=20.25ms時氣泡收縮直至最小;氣泡第一次膨脹和收縮的過程中,水面上水冢持續(xù)向上增長,氣泡收縮到最小瞬間產(chǎn)生的二次壓力波在水面反射,加快了水冢上升速度,并在水冢上端面產(chǎn)生二次飛濺水滴(圖4(d)—(f));氣泡再次膨脹,但氣泡不再呈球形,而是具有扁平的上邊界,而且氣泡與水之間不再有光滑的界面(圖4(o));氣泡第二次膨脹到最大時,氣泡半徑小于第一次最大半徑;氣泡第二次收縮,t=39.5ms時氣泡收縮至最小(圖4(p));隨后,氣泡存在多次脈動,均呈現(xiàn)混沌狀態(tài),逐漸向下運(yùn)動;氣泡第二次及其之后的脈動過程對水冢形態(tài)不再產(chǎn)生影響,水冢高度繼續(xù)增加,隨著時間的增長,水冢在重力作用下回落,形成了頂端飛濺水柱形態(tài)的水幕(圖4(f)—(i)).與電火花實(shí)驗(yàn)相比(如張阿漫電火花實(shí)驗(yàn)中,d/Rm=1.08條件下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果):頂端飛散水柱是二次壓力波水面反射和氣泡收縮過程中水流相互沖擊的作用結(jié)果,而電火花實(shí)驗(yàn)中,氣泡收縮到最小時沒有二次壓力波產(chǎn)生,只有水流相互沖擊的作用,因此兩種實(shí)驗(yàn)方法下形成的水面現(xiàn)象有所不同.圖5所示為水冢和二次水冢的演變過程,對應(yīng)于1.615≤d/Rm≤2.227的實(shí)驗(yàn)條件.裝藥起爆后,在水面附近觀察到白色閃光,并存在一條白色跡線;球形氣泡快速膨脹,觀察窗內(nèi)壁出現(xiàn)大量小氣泡,但沒有氣穴現(xiàn)象,水面水滴向上飛濺,形成水冢;觀察窗內(nèi)壁的小氣泡漸漸消退,球形氣泡逐漸膨脹到最大;氣泡開始收縮,氣泡呈球形收縮至最小,水下觀察到二次壓力波閃光,水面出現(xiàn)二次水冢;當(dāng)d=0.24m,0.27m時,氣泡收縮到最小時呈扁平形狀,當(dāng)d=0.3m,0.33m時,氣泡收縮到最小時仍然呈現(xiàn)球形,氣泡再次呈球形膨脹,邊界清晰;氣泡第二次膨脹到最大,此時最大半徑小于第一次膨脹的最大半徑,氣泡第二次收縮直至最小;隨后,氣泡存在多次脈動過程.與電火花實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比(如張阿漫電火花實(shí)驗(yàn)中,d/Rm=2.63條件下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果):1)爆炸形成的水冢和二次水冢為向上飛濺的離散水滴,是沖擊波和二次壓力波在水面反射的結(jié)果,而電火花實(shí)驗(yàn)中不存在離散飛濺水滴,而是在氣泡膨脹運(yùn)動的推動下形成的微鼓型水冢.2)由于兩種實(shí)驗(yàn)在此段條件范圍內(nèi)氣泡距離水面都比較遠(yuǎn),氣泡呈球形收縮過程中水流沖擊作用減弱,都不能在水面形成柱狀形態(tài)的水幕.綜上,氣泡和水幕形態(tài)隨比例深度和上升時間的變化過程如圖6所示.3.2比例深度對氣泡的動態(tài)參數(shù)有影響3.2.1自由d/l干時長至水未固定術(shù)通過測量,獲得氣泡x軸方向最大半徑Rxmax,y軸方向氣泡中心與氣泡下表面的距離Rymax下,及氣泡中心與水面的距離hymax上,繪制它們隨比例深度變化的曲線如圖7所示.結(jié)果顯示:1)14種條件下,氣泡的下半部分呈半球形,Rxmax與Rymax下尺寸相當(dāng),說明自由水面僅對氣泡上半部分產(chǎn)生影響;2)當(dāng)d/Rm=0時,氣泡最大半徑Rxmax約為深水爆炸氣泡最大半徑Rxmax深的1.4倍;3)當(dāng)d/Rm≤0.502時,氣泡膨脹初期便發(fā)生破裂,hymax上<Rxmax;4)當(dāng)0.603≤d/Rm≤1時,雖然起爆深度小于氣泡的最大半徑,但實(shí)際測量的hymax上為起爆深度和水冢上升高度之和,hymax上>Rxmax;5)當(dāng)1≤d/Rm≤1.412時,起爆深度大于氣泡最大半徑,氣泡呈卵形,hymax上>Rxmax;6)當(dāng)d/Rm≥1.615時,氣泡呈球形,Rxmax=Rymax下=hymax上.3.2.2d/ms的膨化值記錄14種條件下,氣泡膨脹時間T膨和氣泡脈動周期T,如表1所示.條件14為深水爆炸,其氣泡膨脹時間T深膨=10.75ms,氣泡脈動周期T深=21.5ms,顯然T=2T深膨.數(shù)據(jù)顯示:1)當(dāng)d/Rm=0時,氣泡脈動周期和膨脹時間均遠(yuǎn)大于其他條件,T膨≈4.4T深膨,T>4.7T深;2)當(dāng)0.201≤d/Rm≤0.502時,氣泡膨脹時間短,收縮時間長,即T>2T膨,T膨≈(0.5—0.7)T深膨,T>2.3T深;3)當(dāng)0.603≤d/Rm≤1.007時,T>2T膨,T膨≈(0.7—0.8)T深膨;4)當(dāng)d/Rm≥1.209時,氣泡膨脹時間和脈動周期接近深水條件.3.2.3深水并爆氣泡上表面的移動以裝藥起爆后形成初始?xì)馀莸闹行臑樽鴺?biāo)原點(diǎn),以起爆時刻為計(jì)時零點(diǎn),測量氣泡上、下邊界位移和兩邊界中心位移,并繪制曲線如圖8所示.對比4種條件下氣泡邊界的位移變化可知:1)圖8(a)曲線與其他三個相比,邊界移動規(guī)律最為特殊,其上表面的移動速度變化大,起爆后3.5ms以內(nèi),氣泡上表面迅速膨脹,隨后氣泡上表面到達(dá)水面破裂,但氣泡繼續(xù)緩慢膨脹.氣泡上表面的收縮過程具有初期迅速、中后期緩慢的特點(diǎn),整個收縮時間非常長,超過40ms.2)圖8(b)和(c)氣泡邊界移動過程相似,氣泡收縮時間比膨脹時間長,氣泡中心具有下移趨勢,但圖8(b)中氣泡膨脹時上表面超出水面,收縮時上表面位移呈直線下降,下移速度基本恒定.圖8(c)中氣泡中心下移速度相對緩慢,其上表面位移呈弧線變化.3)圖8(d)與深水爆炸氣泡邊界運(yùn)動規(guī)律一致,表現(xiàn)出了良好的球形形態(tài),且氣泡膨脹收縮過程中氣泡中心無上下移動,而在氣泡收縮到最小時,氣泡中心迅速下移.4水幕形態(tài)的演變本文設(shè)計(jì)了小當(dāng)量RDX裝藥近水面水下爆炸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),并進(jìn)行了多種條件的水下爆炸實(shí)驗(yàn).采用同步高速錄像方法拍攝了氣泡和水幕形態(tài)的演變過程,通過對氣泡水幕形態(tài)演變規(guī)律和氣泡動力過程的研究,獲得主要結(jié)論如下:1)近水面水下爆炸時,產(chǎn)生徑向噴射水柱、水射流、