水下爆炸特性的一维球对称数值研究

 应用数值模拟方法对水下爆炸产生的诸如气泡脉动规律、脉动周期、水中冲击波压力的变化等特性进行了研究。给出了不同装药水下爆炸产生的气泡半径脉动的一些规律、脉动周期变化规律、气泡与水交界面处的压力曲线、爆炸产生的水中冲击波压力和速度的变化等结果。     

水下近距爆炸作用下船体梁的动态响应特性

为研究舰船在水下近距爆炸作用下的结构响应及损伤模式,以相似准则为基础,设计了船体梁模型,选用4种不同能量结构的炸药,将其置于模型中部正下方爆炸,通过改变药量和爆距,实验研究了船体梁在近距爆炸作用下的动态响应特性。利用高速摄影技术观察了模型的整个运动过程,结合实验数据定量分析了结构的应变和加速度响应特性,比较了冲击波和气泡脉动对结构的损伤特点。研究发现:近距爆炸气泡脉动会使结构下方形成一个低压流体区,该低压区的存在会使模型受到中垂弯矩作用,并可能使其发生中垂弯曲破坏;随着爆距的增大,爆炸能量与损伤效果之间的相关性变得明显;近距条件下,为了发挥爆炸气泡的最大破坏作用,爆距应该接近于最大气泡半径。     

水下爆炸气泡脉动周期的简便计算方法

将爆轰产物状态方程与气泡运动方程相结合,提出了一种水下爆炸气泡脉动周期的数值计算方法,能够快速计算不同炸药水下爆炸的气泡脉动周期。结果表明:采用JWL状态方程与采用γ律状态方程的气泡周期计算方法相比,前者计算TNT炸药水下爆炸气泡脉动周期的误差更小,计算误差小于3%;通过对比RS211炸药水下爆炸实验结果,进一步验证了该数值计算方法对含铝炸药水下爆炸气泡脉动周期的计算同样具有良好的适用性。     

一种水中爆炸气泡脉动实验研究方法

 在2 m×2 m×2 m的实验水箱中开展小当量PETN炸药水中爆炸气泡脉动实验时,利用弹性波从声阻抗高的物质传入声阻抗低的物质时的“减震缓冲”原理,采用在水箱壁贴低声阻抗材料的方法,有效降低了水箱壁反射冲击波对气泡脉动过程的影响,获得了清晰的气泡脉动过程图像、气泡水射流形成过程图像和气泡脉动压力曲线。将水箱实验结果与8 kg TNT当量爆炸水池实验结果对比,得到的最大相对误差仅为5.1%,验证了水箱实验方法的准确性,为炸药水中爆炸气泡脉动现象研究提供了一种简便有效的实验方法。     

不同水底介质对有限域中装药沉底爆炸特性的影响

通过开展装药沉底爆炸原理性实验研究,得到了不同水底条件对装药沉底爆炸气泡运动和冲击波压力的影响规律:沉底装药水下爆炸气泡通常呈半球形,依附在水底并同时急剧膨胀达到最大半径,随后气泡做收缩运动并连带水底介质颗粒迅速上浮,同时形状发生显著变化,如在石底和泥底时气泡在水底射流的作用下呈蘑菇状上浮,砂底时气泡则呈现出柱状上浮、未出现明显脉动运动即已坍塌破裂;沉底爆炸与水底介质发生强烈耦合作用而形成不同程度的反射波,通常水下石底的反射冲击波较泥底和砂底更强烈,且一般迭加后的冲击波峰值压力高于入射波阵面压力;不同水底介质条件下,装药与水底发生的强烈耦合作用均对水底造成强冲击破坏。     

柱形装药水中爆炸气泡的形态演变

 采用高速摄影方法在实验水箱中获得了长径比为3.35~6.75的柱形PETN炸药水中爆炸气泡脉动的图像,进而结合真实的爆轰过程和Rayleigh气泡运动方程,研究了气泡的形态演变规律。研究结果表明,柱形装药在水中爆炸时,形成的初始气泡的形状为非球对称形,这种非对称特征随长径比的增加而增大。气泡表面的运动也表现出明显的非球对称特征,气泡表面在装药径向的膨胀运动呈指数衰减,在装药轴向两端的膨胀运动更接近于分段线性衰减。气泡表面的不对称运动与柱形装药水下爆炸的能量输出结构不均有关,与冲击波的有效能量分布规律是相似的。     

铝氧比对含铝炸药水下爆炸载荷及能量输出结构的影响

为了系统地研究铝氧比对含铝炸药水下爆炸载荷及能量输出结构的影响,在验证数值模型有效性的基础上,针对铝氧比分别为0、0.16、0.36、0.63的RDX基含铝炸药,利用耦合欧拉-拉格朗日方法模拟了其水下爆炸连续的全过程,考虑了冲击波载荷和气泡载荷之间的耦合作用,从冲击波、气泡和能量输出结构三方面对影响效应进行评估。计算结果表明:随着铝氧比的增大,含铝炸药水下爆炸冲击波衰减时间常数、冲击波冲量、气泡脉动周期、气泡最大半径以及比气泡能都增大;铝氧比为0.36时,冲击波峰值压力、冲击波能流密度和比冲击波能达到最大。铝粉的加入对气泡能的提高相对于冲击波能更加显著。     

爆炸信号中气泡脉动去除方法及其应用

水下爆炸声源激发的声信号包括冲击波和气泡脉动,气泡脉动严重干扰冲击波的传播特性。当气泡脉动的幅度小于冲击波的幅度时,通过对此类混合爆炸信号进行复倒谱分析,提出了基于卷积型的爆炸信号模型的同态解卷积气泡脉动去除方法,其中,针对同态滤波系统中通常采用的“梳状”滤波器会在倒谱的尖峰处产生不连续点的问题,采用了对尖峰附近的采样点进行多项式函数拟合,并根据拟合函数对尖峰采样点插值的改进型滤波方法。数值仿真和实验信号的处理及分析表明,应用该方法可以明显消除爆炸信号自相关曲线中由气泡脉动造成的对称次尖峰,并在信号的时频分布图中再现冲击波的简正波特性。这为进一步利用爆炸声源研究海洋信道的声传递函数和反演海洋环境参数提供了技术途径。      

氢化镁储氢型乳化炸药的爆炸特性研究

 通过理论计算和水下爆炸实验,初步研究了MgH₂敏化储氢型乳化炸药的爆炸特性和爆轰反应机理。结果表明：与玻璃微球敏化的乳化炸药相比,MgH₂敏化的乳化炸药水下爆炸的冲击波超压、比冲量、比冲击波能、比气泡能及水下爆炸比总能量显著增加,其中冲击波超压和水下爆炸总能量分别增加了20.5%和31.0%。MgH₂储氢型乳化炸药的爆轰机理与玻璃微球敏化乳化炸药不同,MgH₂在乳化炸药中起到了敏化剂和含能材料的双重作用,即MgH₂在乳化基质中水解产生均匀分布的氢气泡,起到了敏化作用,同时氢气参与爆炸反应,提高了炸药的爆炸能量和做功能力。     

刚性柱附近浅水爆炸荷载特性研究

刚性柱附近浅水爆炸时冲击波传播、气泡射流受多种因素影响。考虑水面、水底、刚性柱与水下爆炸冲击波及气泡的耦合作用,基于LS-DYNA有限元软件,建立浅水爆炸全耦合模型,通过经验公式验证有限元模型的正确性。研究表明:采用炸药直径1/3～1/2中心渐变网格能够较好地保证数值模拟精度。在冲击波传播阶段,刚性柱迎爆区冲击波峰值上升并产生切断现象,冲击波下降段被"截断",而背爆区冲击波峰值衰减约50%,同时正压作用时间增加;在气泡脉动阶段,气泡在收缩阶段产生指向刚性柱的气泡射流,当刚性柱与炸药之间的距离约为一个气泡半径时,刚性柱附近的脉冲荷载增幅最大,脉冲荷载最大测点水深较爆心上移。     

半经验关系与匹配场联合处理的爆炸声源快速定位

爆炸声源位置的快速准确获取对声源级测量和声传播计算具有重要意义。为了解决利用单一水听器进行爆炸声源定位时难以获得较好的定位效率和精度的问题,提出了一种基于半经验关系与匹配场联合处理的爆炸声源快速定位方法。首先通过爆炸声源满足的半经验关系,对爆炸位置进行预估,缩小匹配参数的搜索范围;同时,在基于多途时延差匹配定位理论的基础上,利用爆炸声源的半经验关系建立联合匹配定位方法,引入气泡脉动周期和冲击波峰值增加匹配物理信息,实现爆炸声源深度和距离精确反演。仿真分析与2013年南海水下爆炸声试验数据分析结果表明,一次气泡脉动周期与多途时延差的联合匹配可提高对爆炸声源深度的估计精度;冲击波峰值与多途时延差的联合匹配可提高对距离的估计精度。额外匹配量的引入减少了估计精度对接收阵元个数的依赖,能够实现用单阵元快速准确地进行爆炸源位置的估计。      

高铝含量铝箔膜炸药与铝粉炸药水下爆炸性能的对比分析

为研究铝箔膜炸药的爆炸性能,将铝箔膜与RDX炸药均匀混合并压制成型,得到高铝含量的铝箔膜炸药,与铝粉炸药形成对比,进行水下爆炸实验。通过实验测得两种炸药在不同距离处的冲击波压力时程,分析冲击波压力峰值、冲量、比冲击波能、气泡脉动周期、比气泡能和总能量等主要参数的差异。研究表明:铝箔膜炸药压力峰值的衰减速率低于铝粉炸药,冲量和比冲击波能与铝粉炸药相当;由于铝箔膜的比表面积比铝粉小,纯度相对较高,气泡脉动周期相对较长,因此铝箔膜炸药的比气泡能乃至总能量均略高于铝粉炸药。     

铝纤维炸药水下爆炸性能研究

将纯铝用熔喷法制成铝纤维添加到炸药中,得到新型非理想混合炸药,通过水中爆炸实验,测试不同位置铝纤维炸药的压力时程曲线。对压力时程曲线进行分析,计算得到水下不同位置铝纤维炸药的冲击波压力峰值、冲量、冲击波能和气泡能。结果表明:铝纤维炸药的压力时程曲线可采用指数函数与双曲线函数进行分段描述,而用正态分布函数拟合气泡脉动压力曲线的效果不理想;铝纤维炸药水下爆炸比气泡能与总能量的比值为52%~58%,说明向基体炸药RDX中添加铝纤维对总能量有影响;总能量与爆热的比值为75%~85%,小于理论近似值(100%),说明铝纤维炸药爆炸时铝纤维反应不完全且破碎铝纤维消耗了一定的能量。     

氢氧爆轰波在激波管中的成长机制研究

 针对气相爆轰波成长机制研究,采用压力传感器和高速摄影技术,测试了氢氧混合气体在点火后的火焰波、前驱冲击波以及爆轰波的成长变化过程,计算了冲击波过程参数和气体状态参数,分析了火焰加速机制。实验结果表明,APX-RS型高速摄影系统可用于拍摄气相爆轰波的成长历程;氢氧爆轰波的产生是由于湍流火焰和冲击波的相互正反馈作用,导致反应区内多处发生局部爆炸,爆炸波与冲击波相互耦合,最终成长为定常爆轰波。     

含铝炸药水下爆炸性能的实验研究

对RS211、HL-1、HL-2这3种含铝炸药和TNT炸药进行了水下爆炸实验,测量了4种炸药水下爆炸冲击波压力剖面和气泡脉动周期,获得了4种炸药水下爆炸冲击波的峰值超压、冲量、能量和气泡能。实验结果表明,在所研究的范围内,与TNT炸药相比,含铝炸药的冲击波能量有明显增加,约为TNT炸药的1.20～1.35倍,气泡能有显著增加,约为TNT炸药的1.50～2.30倍,表明在炸药中加入铝粉对于提高炸药水中爆炸威力是有益的。     

港池环境近水面水下爆炸特性及其毁伤效应

为研究港池环境近水面水下爆炸载荷及其对码头结构的损伤特性,设计了一种典型码头结构,并构建港池环境,运用LS-DYNA程序开展水下爆炸数值模拟研究,对爆炸现象、荷载特性、结构动态响应和能量吸收特性4个方面进行了详细研究,分析了边界、比例爆距等参数的影响规律。结果表明:爆炸气泡脉动主要受到码头结构边界和水面的影响,水底和有限港池内的流体运动对其亦有一定影响;冲击波荷载以比例爆深为中心呈垂向对称分布,气泡脉动荷载主要分布于比例爆深以下位置;结构变形和毁伤主要在冲击波传播阶段形成,气泡脉动和射流的二次毁伤效果较弱;混凝土和沉箱内填土是主要能量吸收部分。     

爆炸力学及其工程应用进展

 爆炸是自然界中经常发生的一种物理与化学的过程,在爆炸过程中,以极高的速度释放出能量.爆炸产物对周围介质作功,产生破坏作用,如破坏弹体形成杀伤破片,爆破矿山抛掷土石,在介质中形成冲击波、应力波等.爆炸的主要特征是在爆炸中心周围的介质中产生压力突跃,这种压力上升前沿只有几个微秒.爆炸力学学科就是要从定性、定量两方面来描述爆炸过程的力学,这是一门边缘性学科,它涉及爆轰物理学,其内容包括炸药的化学反应特征,炸药的爆轰过程及爆轰参数的理论与工程计算方法等;爆炸气体力学,其内容包括爆炸产物在其形成的特定流场中各个参量:压力场,密度场的计算.     

水下爆炸下有限尺度平板的载荷特性及结构响应试验研究

为研究近结构边界下水下爆炸冲击波和气泡载荷特性,设计几种典型尺寸的平板模型,通过调整爆径比、平板厚度等参数,试验研究了水下非接触爆炸下的气泡脉动过程,分析平板边界处的低压流场特性,并基于应变分析获得了平板结构的局部及整体响应特征。研究发现:在近平板爆炸气泡的运动过程中,平板边界处会出现低压(负压)流场,低压维持时间约占气泡脉动周期的60%~80%,最大负压值可达0.1MPa;随着爆径比的减小,平板的最终变形由弹性变形、中垂变形向中拱变形转变。     

采用遗传算法对压力脉动过程中气泡模型参数的辨识

流动液体中的压力变化会引起气泡和气穴的产生及破灭,而气泡和气穴又会对液体的流动产生影响及压力变化.为了合理预测流控系统瞬态压力脉动过程中气泡和气穴的体积变化及其对脉动传播过程的影响,基于气泡溶解和析出的物理过程,建立了压力脉动过程中气泡和气穴产生及破灭的数学模型,并提出采用遗传算法对气泡模型中初始气泡体积、气体溶解和析出时间常数进行参数辨识.以一段液压油管路为研究对象,对管路中伴随气泡和气穴的瞬态压力脉动过程进行仿真及实验研究.利用仿真及实验结果,验证了采用遗传算法对气泡模型进行参数辨识的可行性. 关键词： 气泡 气穴 压力脉动 参数辨识     

爆炸深度对浅水爆炸气泡脉动的影响

考虑水面和水底的影响,采用ALE算法构建浅水爆炸全耦合模型,运用LS-DYNA对不同爆炸深度下的浅水爆炸进行数值模拟,通过与COLE经验公式对比,验证了模拟的可靠性。考察了不同爆炸深度下气泡脉动的形态及荷载特性,并分析了爆炸深度对浅水爆炸气泡脉动的影响。结果表明:随着爆炸深度增大,气泡脉动受自由面和重力的影响减小,受静水压力和边界面的影响增大,气泡收缩时产生的射流方向由向下逐渐转变为向上,气泡最大半径到达时间和脉动周期亦增大;比冲量随水深增大而增长的趋势先增强后减弱,当爆炸深度靠近水底时,荷载分布基本趋于一致,但荷载沿传播距离的衰减速度随着爆炸深度增大而变缓;危险爆炸深度随测量深度增大而增大的趋势先陡后缓,至趋近水底面后基本不再变化。