刚性池壁和试验支架对水中爆炸气泡脉动周期的影响

胡宏伟,王建灵,郭 炜,徐洪涛,金朋刚

(西安近代化学研究所,陕西 西安 710065)

引 言

自20世纪70年代末以来,国内外积极开展水中爆炸能量测试方法的研究,目前已成为炸药性能评估必不可少的手段之一。通过水中爆炸测试,可以分别求出冲击波能和气泡能,其中气泡能是通过测定炸药水中爆炸的气泡脉动周期来计算。由于实验场地的限制,人们希望水下爆炸能量参数测试能够在有限水域中进行,然而,气泡能的计算公式是由无限水域中的气泡运动推导出来的。在有限水域中,由于各种边界效应和安装支架的影响,不同的试验条件下测得的气泡周期与无限水域中测得的气泡周期存在不同程度的偏差。

对于各种边界条件的影响,以往的研究主要是自由水面和池底对气泡脉动周期的影响[1-3]。然而,在有限小水域中进行的水中爆炸实验时,池壁的影响是必须要考虑的。文献[1,4-6]分别通过理论分析、工程试验和数值仿真研究得出,刚性表面存在时,气泡周期变长。此外,在有些水中爆炸试验中,传感器需要安装和定位支架,还需要考虑试验支架对气泡周期的影响,而国内外相关研究报道较少。本文通过水中爆炸试验,研究刚性池壁和试验支架对气泡脉动周期的影响,为水中爆炸试验工作提供参考。

1 试 验

1.1 样品与仪器

圆柱形压装Pentolite和RDX基含铝炸药,配方见表1。药柱长径比为 (1.1～ 1.3)∶1,一端中心带雷管孔。 Al粉为球形 ,直径为 4.5～5.5μm,黏结剂的组分 (质量分数)为 1.5%F2603、3%蜡和 0.5%石墨。试样质量均为25g,采用8号铜电雷管端面起爆。

表 1 炸药配方Table 1 Explosives formulation

美国PCB公司的138型ICP压电式电气石水下激波传感器和482A型信号适配器;微测公司的高低频数据记录仪,气泡脉动信号的采样频率为100k Hz。

1.2 试验装置和布局

试验水池Φ3.2m×2.6m,水深 2.4m,池底和池壁均由8mm钢板焊接而成。试验支架为一十字钢支架,由 5号热轧槽钢(GB/T 707-1988)焊接而成,长72.5cm。无支架试验时,将试样悬吊在距水池池壁一定距离处(0.56～ 1.60m);有钢支架试验时,把钢支架悬吊在水池中心,在钢架下方 0.60m处中心吊药。两种试验条件下,试样入水深度均为1.6m,测点距爆心 0.8m,传感器与装药处于同一水平面。

2 结果与分析

2.1 刚性壁面对气泡脉动的影响

在有限水域中,冲击波的传播过程和气泡的运动状态与无限水域中不同。当冲击波传到水面、池底和池壁时会产生反射冲击波和稀疏波,对冲击波和气泡脉动产生影响。一般把 6.7θ(θ为时间常数,等于测点处水中冲击波峰值压力p m的 1/e)作为冲击波能的积分上限[1],当反射波传播到测点的时间大于 6.7θ时,对冲击波能计算的影响可以忽略。至于对气泡周期的影响,因为冲击波讯号和气泡脉动讯号的时间相差很大,一个是 10-4量级,一个是 10-2～10-3量级,一般认为界面反射波对气泡周期影响很小,理论上只影响二次压力波的纵向幅值[7],也有研究者认为反射冲击波会对气泡周期产生一定的影响[8]。

在无限水域中,水中爆炸产生的气泡膨胀排除周围的水,水的流动状态显示为放射性直线,而在有限水域中,由于池壁的影响,使水流的运动状态发生了变化,水流沿壁面方向是弯曲的,如图1所示。

由图1可看出,气泡膨胀时,靠近池壁的水流受阻,而远离池壁一侧的水流则易于流动,气泡有远离池壁的趋势,结果使气泡的中心位置向远离池壁一侧移动。但是,气泡内处于正压的时间不长,因此,这种效应不大[1,9]。气泡收缩时并不是气泡周围的水同时收缩,由于池壁处水的流动受阻,所以远离壁面的水比接近于池壁的水易于收缩,结果使气泡的中心位置向靠近池壁一侧移动。

图1 气泡的膨胀和压缩Fig.1 Expansion and contraction of bubble

因此,在对称的水池中,若把爆心放在中心轴位置,就可以抵消上述气泡向一侧靠近的影响。若水池太小,则爆炸气泡的膨胀和压缩都会受到池壁的影响。

2.2 爆心距刚性壁面的距离对气泡周期的影响

测量了距刚性池壁不同距离处,Pentolite炸药水中爆炸的气泡周期(由于大小、形状和边界材质的不同,其他试验水池或水域的结果可能有所差异),结果见表 2。

表 2 距池壁不同距离处水中爆炸的气泡周期Table 2 The bubble period of underwater explosion in different distance from the wall

由表 1可以看出,随着爆心距池壁距离(s)的减小,气泡周期(t b)逐渐增大,即爆心距池壁越近,越接近气泡半径(无限水域计算为 0.46m),对气泡周期的影响越大。

为了解释这种现象,可把气泡膨胀和压缩近似为一个准静态的绝热过程,气泡和周围的环境(水介质和刚性池壁)等效为一个弹簧振子,这样,气泡的膨胀和收缩可近似为弹簧的伸缩过程。由于刚性池壁妨碍了水流的运动,增加其惯性,这相当于增加了悬挂弹簧一端小球的质量,从而使气泡的脉动周期延长。

2.3 试验支架对气泡周期的影响

在无支架和有支架两种试验条件下,测量了Pentolite、RL1和RL2炸药的气泡周期,结果见表3。

表 3 3种炸药水中爆炸的气泡周期和气泡半径Table 3 The bubble period and radius of three kinds of explosives for underwater explosion

由表3可知,Pentolite水中爆炸后,有支架时和无支架时所测得气泡周期一致,均为 85.2ms;RL1炸药水中爆炸后,有支架时所测得的气泡周期比无支架时增加1.7ms;RL2炸药水中爆炸后,有支架时所测得的气泡周期比无支架时增加3.4ms。

试验时,钢支架距爆心 60cm,池底距爆心80cm,相当于在自由水面方向加入一刚性壁。当炸药爆炸后,由于非对称效应,气泡的膨胀和压缩都会受到影响,发生气泡向一侧吸附的现象,从而使气泡周期延长。所以,RDX基含铝炸药水中爆炸后,在有支架的情况下,气泡周期相对于无支架时有不同程度的增大,且炸药中 Al含量越大(即总能量越大、二次燃烧反应的时间越长),支架对气泡周期的影响越严重。 Pentolite的气泡周期在两种试验条件下没有变化,可能是理想炸药的气泡半径小于非理想含铝炸药,且反应速率较快的原因。

3 结 论

(1)在有限水域中,由于刚性池壁妨碍了水流的运动,并增加其惯性,使气泡的膨胀和压缩受到影响,随爆心距池壁距离的减小,气泡周期逐渐变大。

(2)在水中爆炸测试中,传感器的安装或定位支架会影响气泡脉动周期,使气泡脉动周期变大,对不同性能的炸药其影响也不同。

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