柱形装药自由场水中爆炸气泡的射流特性*

黄 超，汪 斌，张远平，刘仓理，姚熊亮

(1.哈尔滨工程大学船舶工程学院，黑龙江 哈尔滨150001;2.中国工程物理研究院流体物理研究所冲击波物理与爆轰物理国防科技重点实验室，四川 绵阳621900)

炸药水中爆炸后，高温、高压状态下的爆轰产物以气泡的形式留在水中继续运动，通常情况下气泡同时存在3 种运动:脉动、迁移和变形。气泡的脉动即气泡作周期性的膨胀和收缩，是气泡与周围流场进行能量交换的体现，当气泡脉动频率与船体固有频率接近时，可能导致船体产生严重的鞭状起伏运动，造成船体总纵强度破坏和船载低频设备损伤;气泡在浮力作用下的向上迁移使气泡最终窜出水面破裂，可能产生巨大的水冢，冲击船体水面以上的结构和人员;变形运动使气泡坍塌时呈蘑菇状，在许多情况下气泡的剧烈变形将形成高速水射流穿透气泡，产生聚能效应。水中爆炸气泡形成的射流有两类:一类是自由场爆炸时，气泡上下表面压差不一致导致坍塌产生的向上喷射的射流，另一类是气泡运动受到附近边界(自由面、刚性边界或弹性边界)影响导致坍塌产生的射流，且射流的方向与边界性质、距离等因素有关。近年来的研究表明，近场非接触水中爆炸对舰船造成严重的威胁［1］，而射流是其载荷的重要组成部分，研究射流规律，利用气泡能量对舰船目标进行毁伤打击，已成为研究人员越来越关心的问题。

高速摄影可以获得水中爆炸气泡的产生、脉动和溃灭的完整动态过程，是研究气泡动态特性的重要工具。近年来高速数字摄影技术已被引入水中爆炸研究，获得了大量气泡脉动和射流的数据［2-4］。然而，现有的水中爆炸研究成果大多是基于球形装药水中爆炸实验和球对称运动理论，而在实际应用中很多情况下用到的是柱形装药，一般也不采用中心对称起爆，产生的流场运动规律与球形装药的有一定区别。目前柱形装药水中爆炸产生的气泡动态特性尚不明确，而气泡在边界附近形成射流的机制在很大程度上受到边界性质(如刚度、惯量等因素)的影响，是一个尚在研究中的课题［5］。本文中，采用高速数字摄影方法研究柱形装药自由场水中爆炸气泡的运动，试图得到与气泡在自由场中形成射流有关的一些特殊性质。

1 实验设计

实验选在水箱中开展，由于水箱为有限水域，为了减小冲击波的边界效应，在水箱内壁贴上一层20 mm厚的低阻抗吸能材料。另外，观测窗口由PMMA 制成，具有与水介质相近的声阻抗，能尽量减少冲击波反射。对于浅水中的气泡脉动现象，以太阳光作为光源就能满足拍摄要求。实验装置如图1 所示，水箱尺寸为2 m×2 m×2 m，柱形装药置于水箱中心，以此位置为坐标原点。采用等截面的PETN 圆柱，端面起爆，高速摄影机的拍摄速度为4 500 s－1，3 个PCB138A 压力传感器位于装药同一深度距装药中心D=0.5 m 处，图2 为最大药量工况5 中压力传感器记录的冲击波和气泡脉动压力信号，曲线中没有明显的壁面反射冲击波信号，说明水箱内壁粘贴的吸能材料有效地耗散了冲击波的能量，使气泡运动受到的干扰减小到最小。

图1 实验装置示意图Fig.1 Schematic of the experimental facility

图2 水中爆炸压力时间曲线Fig.2 Pressure curve of underwater explosion

主要研究不同长径比柱形装药水平和垂直放置时水中爆炸气泡的射流特性，设计了5 个实验工况和1 个对比工况，主要变量为长径比λ、药量W 和放置方式，列于表1 中，表中h 为炸药的深度，工况0为长径比接近于1 的对比工况。

表1 实验工况设计Table 1 Experimental conditions

2 实验结果及分析

实验得到的典型气泡脉动过程如图3 所示。在气泡膨胀的初始阶段(如t=0.7 ms 时)，由于装药的柱形形状和端面起爆的影响，气泡在y 方向的尺寸大于气泡在药柱径向的尺寸，由于内外压差，气泡的形状在膨胀过程中向接近球形的稳定状态过渡(如t=5.1 ms 时)。当t=22.7 ms 时，气泡膨胀至最大，其表面各方向的尺寸比较接近。而在气泡收缩的过程中，其y 方向尺寸较大的特征再次变得显著，如t=43.9 ms。当t=45.4 ms 时，气泡坍塌形成射流，至此完成一个脉动周期。在气泡再度膨胀的过程中观察到一个有趣的现象，即气泡第1 次坍塌结束形成的射流向左(即起爆端)倾斜，如t=50.8 ms 的图像中气泡左上角的凸起即是射流倾斜的直接证据。在所有4 个药柱水平放置的工况中均明显观察到了此现象的存在，这是以往在球形装药中心起爆实验中未观察到的，分析射流倾斜的原因有助于了解柱形装药水中爆炸气泡的运动特性。

从直观上看，在气泡膨胀的早期和气泡坍塌时，其表面形状均明显体现出在药柱轴向尺寸大于药柱径向尺寸的特点。考虑到炸药的爆轰过程仅持续几个微秒，若忽略这个时间，认为炸药瞬时转化为爆轰产物并向外膨胀，那么在气泡膨胀的早期和气泡坍塌的过程中，其表面在药柱轴向运动的平均速度应大于在药柱径向运动的平均速度，因此柱形装药水中爆炸气泡表面各方向的运动呈现非对称特性。从能量的角度来看，气泡表面运动的非对称是爆轰产物能量输出结构不均匀的体现。对柱形装药左端起爆的爆轰过程作一维特征线分析可知，远离起爆端的爆轰产物具有较高的速度。但其能量的衰减速率更快，气泡在起爆端输出的总能量可能更大，其表面的脉动周期更长，最终在浮力的共同作用下导致不对称坍塌。

图3 4.5 g 水平放置PETN 药柱水中爆炸气泡脉动过程Fig.3 Bubble oscillation of 4.5 g PETN cylinder mounted horizontally

从图4 可以清楚地看到各工况气泡坍塌时的图像，工况0 中气泡的坍塌形状与典型球形气泡坍塌形状很相似，而其他工况则不同程度地表现出一定区别，这是装药长径比影响的体现，工况0 的装药长径比接近于1，因此产生的气泡与球形气泡相似。图中黑色的“须状物”是爆炸后残留的碳化固体颗粒随气体产物运动留下的尾迹，由于固体颗粒的惯性远大于气体的惯性，因此其运动滞后于气泡表面的运动，在高速运动时这种现象尤为明显，这使得我们能够清楚地看到收缩过程中气泡表面的运动轨迹。药柱水平放置时气泡产物的尾迹是不对称的，气泡左下方表面主要作向内的旋转运动，而右下方部分表面的水平移动则更为明显，尾迹最长的位置位于气泡的右下方，因此也可以推断药柱水平放置时射流将在气泡右下部位形成，方向指向气泡左上方。而药柱垂直放置时，尽管气泡略有偏斜，但其尾迹却是呈轴对称的，这与球形装药的类似，气泡下方边缘向内旋转，射流将在气泡底部中心形成，指向气泡上方。气泡产生偏斜原因是由于水下实验操作复杂，很难精确实现药柱完全垂直，观察药柱垂直放置的实验发现，柱形装药垂直放置时气泡的运动对初始位置比较敏感，垂直放置时药包的微小倾斜都会导致气泡运动对称轴的倾斜，如图5 所示。因此，尾迹分布间接证明了不对称坍塌是水平放置药柱端面起爆水中爆炸气泡的特有性质。

另外，尾迹的长短还可以表征气泡表面运动速度的快慢，这样也能够估计射流形成的位置，从图4中观察到垂直装药气泡产物的尾迹更长，说明其射流速度更快。图6 给出了各工况下气泡射流速度的对比。

图4 工况0 ～5 气泡坍塌时的图像Fig.4 Images of bubble collapse for conditions 0 ～5

图5 4.5 g 药柱垂直放置时气泡的坍塌Fig.5 Bubble collapse of vertically mounted 4.5 g charge

图6 工况1 ～5 气泡射流速度Fig.6 Jet velocities of conditions 1 ～5

从图6 中可以看出，药柱水平放置的4 个工况下，随着药量的增大，气泡的射流速度减小，这与文献［6］中得到的射流速度随药量的变化规律是一致的。然而，工况4 中药柱垂直放置时形成的气泡射流速度却不符合此规律，这是由于工况4 的射流在远离起爆端形成，而其他工况的射流在药柱径向侧面形成，在同等药量下，药柱垂直放置时形成的气泡射流速度更高。需要指出的是，射流的最终速度要比图中的最终数值大得多(可达102m/s 量级)，这是因为在气泡坍塌的最后阶段气泡处于一种极不稳定状态［7］，底部表面向内凹陷，高速摄影的图像无法获得气泡内部的信息，但是各实验工况拍摄时均采用相同的幅频，从而能够保证获得的射流速度变化趋势一致。另外，从图4 中也可以看到，药柱水平放置的工况中，随着长径比的增加，射流的影响区逐渐加宽，能量相对分散，而药柱垂直的工况中，射流的影响区较窄，能量相对集中，可指导武器的攻击方式，即在近场非接触水中爆炸时，可利用柱形药包垂直置于舰船底部下方起爆以提高气泡射流产生的局部破坏。

3 结 论

采用高速摄影方法研究了端面起爆柱形PETN 自由场水中爆炸气泡射流性质，得到以下主要结论及建议:

(1)药柱水平放置时，气泡表面的运动呈非对称，最终导致不对称坍塌，形成向起爆端倾斜的射流。

(2)药柱垂直放置时，气泡表面的运动呈轴对称，将产生垂直向上的射流，但是气泡的运动较易受到药柱放置垂直程度的影响。

(3)药柱水平放置时，射流的速度随药量的增大而减小。同等药量下，药柱垂直放置时形成的射流速度更高。

(4)药柱水平放置时，对于等截面的药柱，随着长径比的增加，射流的影响区逐渐加宽，能量相对分散;而药柱垂直放置时，射流的影响区较窄，能量相对集中，可指导武器的攻击方式。

［1］ 刘建湖.船舶非接触水下爆炸动力学的理论与应用［D］.无锡:中国船舶科学研究中心，2002.

［2］ 汪斌，张远平，王彦平.水中爆炸气泡脉动现象的实验研究［J］.爆炸与冲击，2008，28(6):572-577.WANG Bin，ZHANG Yuan-ping，WANG Yan-ping.Experimental study on bubble oscillation formed during underwater explosions［J］.Explosion and Shock Waves，2008，28(6):572-577.

［3］ 朱锡，牟金磊，洪江波，等.水下爆炸气泡脉动特性的试验研究［J］.哈尔滨工程大学学报，2007，28(4):365-369.ZHU Xi，MOU Jin-lei，HONG Jiang-bo，et al.Experimental study of characters of bubble impulsion induced by underwater explosions［J］.Journal of Harbin Engineering University，2007，28(4):365-369.

［4］ 赵生伟，周刚，王占江，等.小当量水中爆炸气泡的脉动现象［J］.爆炸与冲击，2009，29(2):214-217.ZHAO Sheng-wei，ZHOU Gang，WANG Zhan-jiang，et al.Bubble pulses of small2scale underwater explosion［J］.Explosion and Shock Waves，2009，29(2):214-217.

［5］ Klaseboer E，Hung K C，Wang C，et al.Experimental and numerical investigation of the dynamics of an underwater explosion bubble near a resilient/rigid structure［J］.Journal of Fluid Mechanics，2005，537:387-413.

［6］ 张阿漫，姚熊亮.水深和药量的变化对水下爆炸气泡射流的影响研究［J］.工程力学，2008，25(3):222-230.ZHANG A-man，YAO Xiong-liang.The effect of charge and water depth on the underwater explosion bubble［J］.Engineering Mechanics，2008，25(3):222-230.

［7］ Menon S，Lal M.On the dynamics and instability of bubbles formed during underwater explosions［J］.Experimental Thermal and Fluid Science，1998，16(4):305-321.