水下爆炸中气泡射流壁压特性实验研究

水下爆炸气泡射流载荷是中近场水下爆炸壁压载荷的重要组成部分, 将水下爆炸气泡射流简化为一段高速水柱来研究水下爆炸气泡射流载荷特性是研究水下爆炸气泡射流载荷的主要手段。本文基于腔内爆炸提出了一种新的高速水射流实验方法，并给出了实验装置设计、实验方法以及实验系统。基于实验系统，开展了不同工况下高速水射流的实验研究，研究了腔口位置、腔深对水射流形态的影响，并对水射流的形态形成因素进行了分析。使用压电型壁压传感器测得了水射流冲击壁压，给出了水射流冲击壁压的特性及其特点。实验结果表明:腔口位置与腔深是影响水射流端面形态的重要因素；生成的高速水射流冲击壁压峰值满足水锤理论。基于腔内爆炸的高速水射流实验方法能够应用于包括水下爆炸气泡射流在内的高速水射流形态、壁压特性的研究。     

舱段结构在气泡射流作用下的毁伤效果

为研究水下爆炸气泡载荷对船舶局部结构的毁伤效果,设计建造了实尺度舱段模型,并进行水下 爆炸实验,测量了水中压力、气泡脉动周期、舱段外板结构的动应变与塑性变形。分析了不同冲击因子作用下 舱段结构的动态响应,并结合水中压力测量结果,探讨了气泡射流的成因。在此基础之上,分析了气泡射流载 荷的影响范围以及外板在不同载荷作用下的毁伤模式。实验结果表明,相比冲击波载荷,在某些情况下射流 冲击载荷引起的结构响应更剧烈,毁伤效果更严重,因此在中近场水下爆炸作用下,气泡射流冲击载荷对船体 结构的影响不能忽视。     

离心机和密闭加压容器中水下爆炸相似关系

水下爆炸冲击波和气泡脉动的共同作用不能仅依据几何相似条件进行模型试验，相关的尺寸缩比模型试验可以借助密闭加压罐或离心机进行。通过量纲分析和π定理对模型试验的相似理论进行了推导，分别探讨了密闭加压容器和离心机中水下爆炸的相似关系及其适用范围，并对原型工况和尺寸缩比为1/20和1/30的模型工况基于LS-DYNA进行了数值模拟。结果表明:加压模型试验中水下爆炸冲击波、气泡脉动半径和周期可以满足相似关系，但是气泡迁移和射流不符合相似关系；离心模型试验中水下爆炸冲击波和气泡脉动基本完全相似。     

水下爆炸气泡脉动测量及分析

水下爆炸气泡破坏效应是水中兵器的重要毁伤模式之一。为研究水下爆炸气泡脉动现象,建立了小当量水下爆炸实验系统,并进行了爆炸当量分别为0.125g、1.0g、3.375g和8g TNT的水下爆炸实验。采用球形PETN装药并中心起爆,产生球形对称的气泡和冲击波载荷,并利用高速摄像系统记录水下爆炸气泡脉动过程,以及布置压力传感器测量水中冲击波压力。实验获得了清晰的水下爆炸气泡脉动过程图像,得到了冲击波和气泡脉动压力曲线。对数字化图像进行判读,得到气泡脉动直径和周期。另外根据冲击波曲线测量了气泡脉动周期,对比分析了气泡脉动相关参数。结果表明,高速摄像数据测量的气泡直径与经验公式较接近,高速摄像测量的气泡周期与冲击波曲线测量的气泡脉动周期以及经验公式结果具有较好的一致性。本文提出的实验技术安全、经济、可靠,气泡脉动参数判读精确,满足水下爆炸气泡脉动研究需求。     

装药量及水深对水下爆炸气泡动态特性的影响

以气泡体积加速度模型为基础研究水下爆炸气泡运动的初始条件,采用MSC.DYTRAN 非线性 有限元软件,结合开发的定义流场初始条件与边界条件的子程序,研究水下爆炸气泡运动特性,包括气泡的脉 动、坍塌以及射流等运动特性,并将气泡脉动体积计算结果与实验及边界积分方法计算结果进行对比,验证了 有限元模型的正确性与有效性。以此为基础,得到初始水深、装药量与气泡的脉动体积、最大半径、周期以及 射流速度之间的关系,计算结果与经验公式具有较好的一致性。得到一些有规律性的曲线,可为相关水下爆 炸气泡动态特性研究提供参考。     

水下欠膨胀高速气体射流的实验研究

采用实验途径研究了下水高速气体射流的动力学特性,研制了水下高速气体射流实验系统并发展了相应的测试手段。实验中,用插入式静压探针测量了射流轴线静压分布;用γ射线衰减法测量了径向空隙率分布,从而揭示了水下高速气体射流均压和掺混两个过程的基本规律。测量结果表明：水下高速气体射流在欠膨胀工况下运行时,近场将出现含有复杂波系结构的膨胀压缩区域,由于气水的掺混作用,水下欠膨胀气体射流均压化过程比空气中衰减得快。测量结果还表明,水下射流在近场区的混合层由气水两相占据,其流态从靠近气体侧的液滴流型过渡到靠近液体侧的气泡流型。     

水平刚性面下方水下爆炸气泡垂向运动的理论研究

为了研究边界面对水下爆炸气泡脉动的影响,根据势流理论建立了水平刚性面下方在浮力作用下作垂向运动的水下爆炸气泡的理论模型,编制计算程序进行求解。对水下爆炸气泡脉动运动的特点、流场的速度和压力的分布、气泡引起的载荷形式进行了分析。结果表明此模型能够反映水下爆炸气泡和周围流体介质的运动规律,并能进行定量的计算。     

水中高压脉动气泡水射流形成机理及载荷特性研究

具有脉动特性的气泡(如水下爆炸气泡、螺旋桨空泡和气枪气泡)动力学行为很大程度上取决于其边界条件. 实验已证实,近自由液面气泡在坍塌过程中常常产生背离自由液面的水射流现象,而近刚性边界气泡在坍塌阶段产生朝向壁面的高速水射流,严重威胁水中结构的局部强度. 前人基于 Rayleigh-Plesset 气泡理论和 “Bjerknes” 力来预测气泡射流方向,然而理论方法难以透彻的揭示气泡射流的初生、发展和砰击过程中丰富的力学机理. 本文首先采用水下高压放电技术产生气泡,并通过高速摄影对不同边界条件下气泡的运动特性进行实验研究. 然后,采用边界积分法模拟气泡非球状坍塌过程. 研究表明,边界条件改变了气泡周围的流场压力梯度方向,进而影响气泡射流初生位置;射流在发展阶段,气泡附近流场的局部高压区和射流之间存在“正反馈效应”,从而揭示了气泡射流速度在短时间内即可增加到百米每秒的力学机理. 射流砰击会在流场中造成局部高压区,随着气泡回弹,射流速度和砰击压力逐渐减小. 本文还探讨了无量纲距离参数对气泡运动及射流砰击载荷的影响,旨为近场水下爆炸等相关领域提供参考.      

舷侧近距离爆炸下舱段模型毁伤试验研究

为探究舷侧近距离爆炸对水面舰船的毁伤效应，设计了大尺度舱段模型，并开展了舷侧近距离水下爆炸试验，试验后测量了舱段模型破坏范围及破坏模式、模型典型部位冲击环境数据、典型部位动态响应。综合对比可发现:（1）舷侧近距离水下爆炸下，在爆心区域可对舱段模型形成严重毁伤破坏，但毁伤范围有限，基本以局部破坏为主；（2）舷侧近距离水下爆炸下可形成较为明显的水射流载荷，主要是由气泡与非完整边界、自由面在耦合过程中形成的，与传统研究的气泡收缩失稳引起的水射流载荷形成机理存在一定的差异；（3）基于板格能量计算方法，建立了舷侧外近距离爆炸下舷侧爆炸破口计算公式，与试验结果吻合较好；（4）近距离爆炸下，舷侧外板的破坏模式与爆距存在较大的关系。本文的研究成果对舰船抗爆防护具有很强的指导意义。     

不同边界条件下炸药水中爆炸的能量输出结构

针对不同边界条件下,炸药水下爆炸的能量输出结构,设置自由场、沉底、近水底和近水面等不同 边界条件水下爆炸实验。结果表明,炸药在距水底、水面一定距离时爆炸,边界条件对冲击波影响较小,对气 泡脉动影响较大;当炸药与水底距离小于1倍最大气泡半径处爆炸时,由于水底边界影响,不能形成完整的气 泡脉动;当炸药在距水面小于1倍最大气泡半径处爆炸时,气泡直接溢出水面,不能形成气泡脉动压力;当炸 药在距水面1~1.5倍最大气泡半径处爆炸时,部分气泡溢出水面,气泡脉动压力较自由场爆炸时小;气泡在 膨胀和收缩过程中,由于气泡不断上升,水面对气泡脉动的影响范围要大于水底。     

近场水下爆炸气泡脉动及水射流的实验与数值模拟研究

海上作战时,近场水下爆炸形成的水射流能造成水面舰船结构的严重局部毁伤。为了研究近场爆炸时舰船底部水射流的形成机理及规律,开展了TNT当量2.5 g的炸药在固支方板底部不同爆距下起爆的水下爆炸实验。结果表明,气泡坍塌形成水射流的过程随着爆距的增加由吸附式向非吸附式转化。接着,基于ABAQUS软件采用CEL方法开展了系列数值模拟,结果表明:爆距在0.821～0.867倍最大气泡半径时,存在吸附式射流向非吸附式射流转化的临界点;固支方板加快了气泡坍塌的进程,炸药与钢板间的距离越小则射流形成的时间越早;射流形成过程中最大速度和射流击中钢板时速度均随着爆距的增大先增大后减小,并在临界点附近达到最大值,射流速度最大可达621 m/s,射流击中钢板时速度最大可达269 m/s。最后,给出了射流开始形成时间、射流最大速度、射流最大速度出现时间、射流击中钢板速度和射流击中钢板时间与距离参数的函数关系式。     

CL-20基炸药水中爆炸气泡脉动实验研究

为研究CL-20基炸药、CL-20基含铝炸药水下爆炸气泡脉动情况,在2 m×2 m×2 m的实验水箱中开展小当量实验,采用高速摄影技术,得到炸药水中爆炸冲击波传播曲线,同时清晰地观测到气泡的产生、膨胀和收缩过程。拟合得到气泡脉动过程中气泡半径、速度、加速度对时间的变化曲线,对比分析了CL-20含铝与非含铝炸药水下爆炸气泡脉动规律。在实验条件下,首次直观地拍摄到CL-20含铝炸药水下爆炸的二次反应放热现象。实验表明:CL-20基含铝炸药的气泡半径、脉动周期都明显升高,半径增大13.7%,周期增大6.9%;冲击波峰值压力略有下降;水下爆炸测试技术以及高速摄影技术是研究观测含铝炸药二次反应的有效手段。     

离心机水下爆炸缩比实验原理及数值研究

对离心机水下爆炸缩比实验方法进行探究,对离心机水下爆炸缩比实验的相似理论进行了推导,通过数值计算分析,探究了原模型、离心机缩比实验及常规缩比实验的冲击波载荷、气泡载荷以及气泡动力学行为。结果表明:常规缩比实验不能对气泡行为及垂直方向的近场载荷进行准确的预报,若要保证远场气泡脉冲峰值误差小于10%,则爆距需大于9.5倍气泡最大半径。而离心机缩比实验能够对原模型进行准确的预报,以小当量装药模拟大当量装药水下爆炸整个物理过程,且冲击波和气泡两个阶段完全相似。同时,水深也可以进行几何缩比,克服了常规缩比方法的缺陷。     

不同环境下气泡脉动特性实验研究

水下爆炸气泡对舰船结构造成严重的毁伤, 海上实船爆炸实验是考核水下爆炸气泡对舰船毁伤威力最直接、最有效的方法, 然而真实情况的舰船水下爆炸实验难以进行.为此, 在已有研究成果的基础上, 设计实验电路, 利用电容在相对较低的电压下放电打火产生的电火花气泡来模拟水下爆炸气泡, 设计多组实验工况来模拟气泡在不同环境下的运动特性. 研究气泡在不同环境下的脉动特性、射流特征, 揭示一些特殊的实验现象, 总结环境对气泡运动的影响规律.      

水下爆炸气泡射流载荷计算的新方法研究

由于存在强冲击、多相界面复杂运动等强非线性效应,目前对于水下爆炸气泡运动的计算方法无法给出较为可信的水射流运动特征及其载荷形式.本文基于多相可压缩流体的five-equation计算模型,引入界面函数和界面密度压缩技术,采用5阶WENO重构与HLLC近似Riemann求解器进行空间离散,时间离散采用3阶TVD Runge-Kutta法.通过上述方法来提高水下爆炸气泡溃灭过程中气-液界面的计算精度,捕捉水射流的产生、发展以及水锤冲击等典型演化过程.计算结果表明,新的计算方法能够对水下近壁面爆炸气泡的溃灭过程进行有效的模拟,初步揭示了水射流直接载荷的特征,为水射流的产生机理及其损伤效应的研究提供技术支撑.     

金属导爆索的爆炸水声特性

为了研究金属导爆索的水声特性,进行了水下爆炸压力测试和气泡脉动实验,获得了金属导爆索水下爆炸冲击波传播和衰减特性及气泡脉动特性.研究了金属导爆索水下爆炸的声压级、声持续时间、混响效应和功率谱特性,结果表明:(1)金属导爆索水下爆炸声压级较高,具有很强的声功率;(2)金属导爆索水下爆炸后产生的气泡脉动和随后产生的大量小气...     

水中爆炸气泡脉动现象的实验研究

在实验水箱中采用高速摄影技术获得了炸药水中爆炸气泡脉动过程图像。实验结果表明:短长径比（1.05）PETN炸药水中爆炸产生的气泡形状近似球形,气泡脉动周期和半径随炸药质量的增加而增大。在膨胀阶段,气泡中心位置保持不变,随着体积的不断缩小,气泡上浮越来越明显。受重力影响,气泡下表面收缩速度高于上表面,在收缩至最小时下表面向上冲顶,气泡溃灭形成水射流。