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。     

强激光水下爆炸推进的物理机制

对激光水下聚焦爆炸推进的作用机理开展了实验测量和数值模拟研究. 实验观察到激光水下聚焦爆炸推进分为两个物理过程: (1) 强激光与铝膜相互作用诱导等离子体演化, 产生短脉冲、高幅值的等离子体压力, 并对航行体做功; (2) 激光爆炸产物气泡脉动, 对航行体继续提供推力. 另外, 实验还对不同介质中的激光推进效率以及气泡与约束壁面/自由水面相互作用的物理机制进行了研究. 发现在高阻抗环境介质、气泡受约束脉动以及近自由水面条件下, 激光爆炸推进的效率更高. 在实验的基础上, 建立了激光水下聚焦爆炸推进的物理模型, 发展了相应的耦合数值计算方法. 计算得到的气泡脉动规律及航行体运动规律与实验测量结果一致, 验证了计算的模型和方法, 为强激光水下聚焦爆炸推进机理的研究提供了一种有效的方法.      

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。     

激光聚焦击穿液体的爆炸气泡特性

高功率激光聚焦击穿液体介质,类似于聚焦区域发生了微爆炸.研究了激光聚焦击穿爆炸与水下微爆炸之间的相似性.采用高功率脉冲激光器、光学聚焦系统、高速摄像、测量水听器建立了激光击穿爆炸源的产生及爆炸气泡、爆炸声波特性测量系统.对不同参数激光聚焦击穿水、酒精、硅油等粘性液体,观测到了激光击穿爆炸冲击波、气泡脉动、气泡压缩冲击波...     

小当量水中爆炸气泡的脉动现象

为研究水中爆炸气泡的脉动现象,设计了用于小当量(10 g TNT)水中爆炸研究的爆炸水箱,在爆炸水箱装置中进行了多次0.125、1.000、3.370、8.000 g TNT当量的PETN球形炸药水中爆炸试验。采用高速摄影系统获得了气泡脉动图片;给出试验范围内气泡脉动过程中气泡直径、速度及加速度随时间变化的拟合曲线。对气泡脉动直径和周期数据进行了分析,这些数据基本符合爆炸相似律。     

小当量炸药深水爆炸气泡脉动模拟实验

为在实验室内开展深水爆炸气泡脉动规律研究, 通过增加水面大气压强来模拟水中静水压的方法, 建立可模拟深水环境的爆炸容器。开展不同模拟水深条件下的3种当量炸药的水下爆炸实验, 得到了气泡脉动过程图像, 验证小当量深水爆炸模拟实验与自由场实验的等效性, 分析气泡脉动周期与最大半径同模拟水深的关系。实验结果表明:容器壁面反射效应对气泡脉动过程的影响可以忽略不计, 模拟实验可等效为自由场实验; 深水爆炸气泡脉动周期及最大半径随流体静力深度增加的衰减系数分别为-0.83和-0.364。     

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。     

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.      

水下连续脉冲冲击波的声学特性

为探求金属爆炸索在水下爆炸声源研究领域的应用前景,设计了一种可以连续产生若干个脉冲冲击波的装置,称之为水下连续脉冲冲击波发生装置。利用小波分析对该装置产生的连续脉冲冲击波信号进行分解与重构,考察其频谱特性,并进一步分析了信号的声压级特性。结果表明:该装置产生的信号声压级较高,具有很强的声功率;信号包含频率十分丰富,雷管和金属爆炸索由于装药结构及传爆方式的不同,爆炸所产生的冲击波频谱特性也有所差异。雷管爆炸产生的冲击波主要分布在15.6 kHz以下的频带内,金属爆炸索爆炸产生的脉冲冲击波信号则主要分布在62.5 kHz以下的频带内;脉冲冲击波的个数和声持续时间可由爆炸索的排列方式和长度控制,脉冲冲击波间的时间间隔可调,发生装置稳定易控     

基于小波变换的水下连续爆炸声信号特征分析

为了研究水下连续爆炸声信号的特征,利用Mallat算法,采用离散小波变换对水下连续爆炸声信号进行了分层提取分析,讨论了水下连续爆炸声信号在各频带的能量分布状况,采用Welch方法实现了对水下连续爆炸声信号的功率谱特征提取,并采用离散小波变换对声信号进行时频谱特性分析。结果表明,水下连续爆炸声信号具有很强的声功率,声压级可以达到190 dB以上,声持续时间较长,频率范围宽、声信号的能量主要集中在频率48 kHz以下,其中在低频段能量更大,这些特点使其有望成为水声干扰源。     

低能量导爆索水下爆炸冲击波特性实验研究

为了获得低能量导爆索水下爆炸冲击波特性,在水下爆炸试验容器中对复合铝纤维爆炸索进行水下爆炸实验。采用PCB压电型传感器测量水中爆炸冲击波压力脉冲,获得了复合铝纤维爆炸索冲击波压力峰值,计算了其冲击波比能和高压区冲击波比能。研究结果表明:复合铝纤维爆炸索冲击波能量的输出主要集中在特征时间内的高压区,占到冲击波比能的84%。通过复合铝纤维爆炸索水下爆炸冲击波特性的研究,为其下一步的推广应用奠定了基础。     

铝粉含量和粒度对CL-20含铝炸药水中爆炸反应特性的影响

为了研究CL-20基含铝炸药的爆炸反应机理,利用水中爆炸实验,测量了不同铝粉含量和粒度的CL-20炸药水中爆炸的冲击波参数、二次压力波参数,计算了冲击波能和气泡能。结果表明,水中爆炸的冲击波能和气泡能表征了爆轰和二次反应两个阶段的炸药爆炸能量分配,CL-20炸药中的铝粉主要在二次反应阶段发生反应,只有少部分的铝粉参与了早期的爆轰反应。气泡脉动形成的二次压力波能描述铝粉含量和粒度对二次反应过程的影响,铝粉含量对炸药的二次反应有显著的影响;铝粉粒度对炸药的水下爆炸的初始冲击波参数、冲击波能和气泡能的影响很小,对铝粉与爆轰产物的二次反应速率影响较大。     

喷管对水下爆轰气泡形态和压力特征影响的实验研究

针对具有不同类型喷管的爆轰管在水下爆轰中形成的燃气射流问题,搭建了爆轰实验平台,研究了单次爆轰过程中尾部喷管对水下气泡形态与压力特征的影响。采用数字粒子图像测速技术对高速摄影机拍摄得到的气泡脉动图片进行流场可视化分析,得到各喷管工况下的气泡速度场。为了确认爆轰管内是否形成稳定爆轰波,并观察爆轰波在气液两相界面上的透反射特性,爆轰管尾部安装有2个动态压力传感器,同时在距离喷管一定距离处设置一个水下爆炸传感器,以监测水中传播的压力波。结果表明：扩张喷管工况下的气泡脉动过程与直喷管工况基本一致,但扩张喷管提高了燃气射流速度,气泡膨胀体积更大;因为燃气射流的持续性,收敛喷管工况下的气泡脉动过程具有明显差异,气泡膨胀体积较小,但气泡二次脉动时长相较于一次脉动时长衰减更小;扩张喷管提高了气泡脉动强度,扩张喷管工况下的气泡脉动压力与透射冲击波压力远大于直喷管工况下的气泡脉动压力与透射冲击波压力;收敛喷管工况下的气泡脉动压力与透射冲击波压力都较小,但收敛喷管燃气射流的持续性减缓了气泡脉动压力的衰减速度。相比于直喷管,扩张喷管工况下的气泡脉动时间、气泡脉动压力与透射冲击波压力都更大。收敛喷管工况下的气泡...     

简单Green函数法模拟三维水下爆炸气泡运动

假定水下爆炸气泡脉动阶段的流场是无旋、不可压缩的,运用势流理论导出气泡边界面运动的控制方程,采用高阶曲面三角形单元离散了维气泡表面,用边界积分法求解气泡的运动．并将计算结果与Rayleigh-Plesset气泡模型和试验数据进行对比分析,分析结果表明高阶曲面单元能够高精度的模拟水下爆炸气泡运动,且比线性单元有多方面的优越性．分别模拟了有、无重力场和刚壁时对气泡运动的影响,并预测了气泡在流场中膨胀、坍塌、迁移、射流形成等苇要动力学行为,同时建立了水下爆炸气泡与圆柱简相互作用的三维模型,模拟了自由液面、圆柱筒附近三维气泡的动力学特性．     

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。     

水下爆炸对沉箱重力式码头毁伤效应

通过开展不同爆距下水下爆炸对沉箱重力式码头模型毁伤效应试验,对水下荷载进行了采集分析,对毁伤因素、毁伤模式和毁伤机理开展了研究,初步讨论了爆距的影响。结果表明:试验中未形成完整的气泡脉动过程,荷载超压主要出现在冲击波传播阶段,爆炸冲击波、水底反射波和侧壁反射波是主要的毁伤因素;水下爆炸对沉箱重力式码头造成的毁伤程度大、模式多、机理复杂,主要毁伤部位为迎爆面外墙、迎爆侧管沟、封仓板和面板;爆距越近码头毁伤越严重;当爆距过近时,爆炸能量被迎爆面结构变形大量吸收,迎爆面毁伤程度大幅增大,码头其他部位毁伤程度增幅放缓。