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。     

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。     

爆炸气泡与自由水面相互作用动力学研究

为探究爆炸水幕形态与水下流场变化之间的联系,设计了小当量RDX装药水箱内爆炸实验系统.采用两台高速录像机同步拍摄了气泡和水幕形态的演变过程,获得了三种典型气泡形态和六种典型水幕形态.通过观察气泡-水面-空气之间的流场变化和理论分析,揭示了六种形态水幕的演变规律及其形成机理,并与电火花形成气泡实验结果进行了对比分析.通过对不同比例深度条件下的气泡横向半径、纵向半径、膨胀时间、脉动周期、气泡边界运动过程等的统计分析,揭示了近水面水下爆炸形成气泡的动力学过程.     

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。     

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。     

球形炸药的水下爆炸场仿真

水下爆炸过程是一个非常复杂的过程，大体上分为3个阶段：炸药的爆轰、冲击波的传播、气泡脉动。爆炸所产生的冲击波、气泡和脉动水流，都能使目标受到一定程度的破坏。在多数情况下，冲击波的破坏起着决定性的作用，脉动水流和气泡（爆轰产物）一般引起附加的破坏作用。     

炸药水下爆炸能量输出特性试验研究

为了解炸药水中爆炸能量的输出特性,特别是冲击波能随距离的衰减规律,对有效比冲能进行了研究。经过理论推导发现,传统的有效比冲能计算公式仍然满足相似律。TNT炸药水下爆炸试验结果表明,炸药的有效比冲能、比气泡能和总能量的测量结果与经验公式计算结果吻合较好。通过对试验结果进行分析,拟合得到了有效比冲能随距离变化的趋势线。对比经验公式结果,发现在小药量试验中冲击波能随距离的衰减更明显。     

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。     

TNT/RDX（40/60）炸药球水中爆炸波研究

 利用锰铜计、PVDF计和电气石计分别测量了TNT/RDX（40/60）炸药球水中爆炸波峰压,得到了在1≤R/R₀≤400比例距离范围内的峰压衰减规律。利用电气石计得到的爆炸远区压力时程和气泡脉动周期资料证实了水中爆炸测试法评估炸药能量的可行性。     

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。     

水下等离子体声源的冲击波负压特性

基于修正的Rayleigh气泡脉动方程对水下等离子体声源放电产生的 强声冲击波的传播过程进行了分析; 利用Euler方程作为控制方程组, 建立了水下等离子体声源的聚束声场模型, 通过仿真计算获得的传播云图对冲击波负压的形成机理进行了直观的理论分析. 结果表明: 经过聚能反射罩反射汇聚得到的聚束波在反射稀疏波和水的惯性作用下, 聚束波周围水域产生了拉伸, 形成负压区, 如果拉伸力大于水的抗拉上限, 就会使得水中形成不连续现象, 即出现空化气泡; 此外聚能罩边缘处产生的衍射波进一步加剧了负压的产生, 边缘衍射波最终与拉伸波叠加, 使冲击波负压达到最大值; 通过对比仿真波形和实验波形, 从而验证和进一步揭示了冲击波负压的形成原因. 研究结果对认识水下冲击波的传播规律和进一步改进等离子体声源的设计具有指导意义. 关键词： 等离子体声源 冲击波负压 聚束声场模型 气泡     

Improving sound diffusion in a reverberation tank using a randomly fluctuating surface

Underwater reverberation environments that satisfy the conditions of uniformity and isotropy of the diffuse field can be used to measure the acoustic characteristics of underwater targets. This study combines two practical indicators — the standard deviation of the absolute sound pressure field (to indicate uniformity) and the analysis of the wavenumber spectrum in the spherical harmonics domain (to indicate isotropy) — for an accurate evaluation of the diffusion of the sound field in a reverberation tank. A method is proposed that can improve the narrow-band diffusion of the sound field by employing a randomly fluctuating surface. An acoustic experiment was performed in a reverberation water tank (1.2 m×1 m×0.8 m), where a randomly fluctuating surface was generated by making waves. The experimental results show that as the wave motion contributes effectively to the random reflection of sound rays in all directions, the uniformity and isotropy are improved significantly when the surface is fluctuating randomly. This work helps to ensure accurate measurements of the characteristics of underwater targets in reverberation tanks.     

压力罐中水声材料声学特性的参量源测量法

设计了一种原波频率500 kHz、差频范围1~30 kHz的截断宽带参量阵,作为水声材料测量系统的声源。通过分析典型频率下的宽带参量源指向性理论计算和实际测量结果,发现两者结果的曲线基本吻合,证明计算模型是正确的。应用钟形短时脉冲实现水声材料声特性的宽带测量,有益于降低样品边缘衍射干扰。并建立了测量水声材料大面积板状样品声压反射系数、声压透射系数和吸声系数的压力罐测量系统,罐体内尺寸Φ4 m×12 m,最高静水压4.5 MPa,测量频率范围1~30 kHz。对标准样品(尺寸1m×1m)进行了测量实验,其测量结果和理论曲线有很好的吻合,参量源测量法得到了验证;之后,通过对一块橡胶板样品在不同静压力下的吸声性能进行了测量和有效评估,进一步确认了参量源测量法在压力罐这样有限水域中的潜在应用价值。      

非球形水下爆炸气泡坍塌机制

 为研究非球形水下爆炸气泡的坍塌机制和射流特性,采用水下爆炸实验和数值模拟相结合的手段,研究了典型的柱形装药自由场水下爆炸气泡的运动过程。实验结果与数值模拟结果符合较好,通过对比发现,非球形水下爆炸气泡坍塌所形成的射流与球形气泡坍塌射流的行为存在差异。研究结果表明：非球形气泡的坍塌过程与气泡初始形态的局部曲率半径有关,初始气泡表面曲率半径大的区域的初始膨胀速度较曲率半径小的区域的小,坍塌时刻也较早,导致气泡产生非球形坍塌。     

射流冲击模型在水下爆炸实验中的应用研究

 为研究射流冲击载荷对结构的作用效果,从理论和数值角度研究了射流的载荷特性,以舱段模型实验为研究对象,建立了射流计算模型,结合实验数据,对射流冲击问题进行了分析。结果表明,射流冲击能够造成结构强烈的局部响应,某些情况下,射流冲击载荷引起的结构响应甚至比冲击波载荷引起的响应更大。因此,中近场水下爆炸实验需要考虑射流的影响。建立的射流模型能够较好地反映射流冲击的载荷特性,为水下爆炸实验分析提供了一种新的手段。     

Physical investigation of acoustic waves induced by the oscillation and collapse of the single bubble

The objective of this paper is to apply both experimental and numerical methods to investigate acoustic waves induced by the oscillation and collapse of a single bubble. In the experiments, the schlieren technique is used to capture the temporal evolution of the bubble shapes, and the corresponding acoustic waves. The results are presented for the single bubble generated by a low-voltage bubble generator in the free field of water. During the numerical simulations, a three-dimensional (3D) weakly compressible model is introduced to investigate the single bubble dynamics, including the generation and propagation of acoustic waves. The results show that (1) Compression wave, rarefaction wave and shock wave are generated during expansion stage, collapse stage and rebound stage of the bubble respectively. (2) Compression waves are induced by the rapid expansion of the bubble and eventually steepen into one shock wave propagating outward in the liquid, then another strong shock wave is emitted at the final collapse stage. The velocity and pressure of the liquid field increases after the shock wave. (3) Rarefaction waves are generated during the collapse stage due to the contraction of the bubble. The rarefaction wave reduces the liquid pressure and its spatial distribution is dispersive. The pressure of these acoustic waves and their effect on the liquid velocity attenuate with the increase of propagation distance.     

水下强声波脉冲负压的产生和空化气泡运动

首先利用高速摄影和压力传感器测量的方法, 对曲面反射式水下强声波脉冲的传播和聚焦过程进行了实验研究.实验研究发现, 椭球面反射罩在起到汇聚声能的作用的同时也将使得强声波脉冲在传播过程中形成负压区, 并由此而引发近场声传播通道上空化气泡群的产生. 在实验结果的基础上, 进一步利用基于Kirchhoff衍射定理的声传播模型和大振幅条件下的QX气泡运动方程, 对强声波脉冲负压区的形成原因及空化气泡的运动过程进行了数值计算和分析. 研究结果表明, 在焦前区, 源于反射罩内表面的"尾波"和出口处的"边缘波"在传播过程中将形成反射波中的负压区; 在焦后区, 源于反射罩顶点的"中心波"在传播过程中将形成反射波中的负压区. 在反射波作用下, 空化气泡体现出了"正压区受压缩并振荡, 负压区膨胀"的运动特点. 在反射波之后, 空化气泡将出现成长、坍缩和回弹等典型的物理过程. 研究结果对曲面反射式水下强声波传播物理规律的认识具有实际意义.