近壁面深水爆炸气泡射流演化特性的研究.pdf

:./.近壁面深水爆炸气泡射流演化特性的研究梁浩哲 张玉磊 苏健军 李芝绒 甘云丹西安近代化学研究所(陕西西安)摘 要 近壁面气泡载荷是水中战斗部对障碍物毁伤作用的重要载荷之一 以近壁面深水爆炸气泡脉动及射流载荷特征问题为中心开展了模拟 水深环境下的爆炸实验 通过高速摄影仪得到了气泡射流的演化过程利用 轴对称模型对气泡射流的演化过程进行了计算分析了比例距离对气泡脉动周期、射流演化形成时刻及射流强度特征的影响探讨了壁面近场范围内的压力特征总结得到射流载荷的演化规律 可为深水环境下水中战斗部对障碍物的毁伤效应研究提供理论参考关键词 深水爆炸气泡射流近壁面分类号.().引言水中装药战斗部对目标的打击过程中当冲击波完全产生后约 的能量保留在爆轰产物中并转化为气泡能而现在的含铝炸药等复合炸药爆炸产生的气泡能更高 由于初始压力和温度较高气泡将出现脉动行为在有障碍物时还会演化出高速水射流 射流是对结构的局部进行作用因此也能够对目标形成很大的威胁 虽然现代水下目标的结构大致趋于流线型但在局部(如潜艇顶部、潜航器主体等)薄弱环节依然为近似平面结构 所以对近壁面气泡射流演化过程及载荷规律的研究能够为水下目标结构毁伤研究提供理论支撑对近壁面气泡射流演化问题很早就有研究 最初是以水中电解泡、火花泡及激光泡等方法模拟水中爆炸气泡进行研究对上述方法进行了总结 等采用开尔文冲量理论估算了气泡的动态特性预测了气泡射流的形成位置、方向等参数 等从流体动力学原理出发采用数值仿真方法系统分析了气泡脉动射流演化过程 设 为气泡脉动最大半径与气泡到壁面的距离比、为浮力比将 参数分为几个区域并给出了在浮力和 效应相互作用下气泡的运动方向 此结论称为 准则第 卷 第 期 爆 破 器 材 .年 月 .收稿日期:第一作者:梁浩哲()男博士副研究员主要研究方向为毀伤评估:.学者们分别对边界元法进行了改进获得了高精度三维边界元法并采用此方法讨论了针对多种壁面结构的水下爆炸射流特性 近年来国内大量学者采用 等有限元计算方法对近壁面各尺度结构水下爆炸射流问题进行了研究揭示了各种因素对气泡射流演化的影响本文中就深水爆炸气泡脉动射流的基本现象进行了研究从实验和数值计算两方面讨论了气泡射流的载荷特性分析了比例距离 对射流演化过程、射流载荷特征的影响并对模拟深水环境近壁面水下爆炸压力场的特征进行了相应的总结 实验.实验介绍实验在图 所示的密闭容器中进行 容器内径.、内部净高.容器设置有 个直径.的对视圆形观察窗 观察窗安装了具有较高强度和较好透光性的钢化玻璃 药包由药柱固定在与观察窗等高的部位因此可较好地观察到气泡的运动过程 装药采用梯恩梯()密度./药柱长径比 药量.使用 雷管进行起爆密闭容器连接空气压缩机增压形成高静水压环境来模拟深水环境 气泡在膨胀较大时会超出观察窗视野影响观察效果因此射流实验仅采用 深水环境的工况 图 所示为高速摄影仪拍摄的初始影像 刚性壁面采用 钢板模拟钢板厚 、宽 、长 钢板距离水面.在实验过程中钢板无明显变形强度满足刚性壁面要求因此在本文中均以刚性壁面描述刚性壁面底座固定在容器中实验过程中不发生位移药包中心距 补光灯 水 空气 连接空气压缩机 起爆器 观察窗 高速摄影仪 压力容器 药包图 实验装置示意图(单位:).(:)图 药包初始时刻影像.离刚性壁面 由于高速摄影仪位于补光灯对侧仅获得气泡阴影图像 高速摄影仪采样频率为 曝光时间为/.实验结果图 所示为 水深环境下的实验过程 以炸药起爆为初始时刻 从实验结果来看气泡是在完成脉动时刻演化出射流 此时气泡距离壁面还有一定的距离在射流的推动下气泡向壁面运动到达壁面后对壁面进行作用随后气泡贴在刚性壁面完成了多次持续的脉动过程 从结果来看射流从气泡顶部到达壁面的时间小于 而平均运动速度大约为 /由于实验过程中观察的是气泡运动的阴影图像对气泡内部的运动过程很难观察到仅能进行定性描述但从结果来看整个射流演化过程非常快必然形成了较大的冲击作用 数值计算.数值模拟介绍.数值计算模型图 为建立的数值仿真模型 模型中炸药、水域、空气域尺寸与实验容器尺寸一致 水域与空气域采用 单元炸药为.球形药包设置中心起爆模式钢板模型为刚性板采用 单元计算采用流固耦合算法 考虑到实验时压力容器为钢制材料根据波阻抗比较结果近似认为钢制材料为刚性边界 因此仿真中所有 单元的边界也设置为刚性边界.状态方程及参数 采用多项式状态方程描述水的状态在压缩和拉伸状态的表达式分别为 爆 破 器 材 第 卷第 期 图 气泡射流演化影像.刚性边界 刚性壁面 药包 水 空气图 数值计算模型(单位:).(:)()()()()式中:为压力 /为当前密度为初始参考密度、为材料常数为水的比内能在计算的初始阶段 则式()、式()变为:因此通过改变比内能来施加不同的初始静水压力 由于水只能承受很小的拉伸负压因此在计算中将截止压力统一设成 水的状态方程参数见表 表 水的状态方程参数././().采用理想气体状态方程描述空气的状态表达式为()()式中:为压力为空气的绝热指数为空气密度为气体比内能空气的状态方程参数见表 表 空气状态方程参数./()/().炸药采用 状态方程表达式为 ()式中:为压力 为相对体积 为单位体积的内能、为材料参数炸药的状态方程参数见表.计算结果 数值计算結果如图 所示 图 中依次显示初 年 月 近壁面深水爆炸气泡射流演化特性的研究 梁浩哲等 表 炸药的 状态方程参数././()/()/()始时刻图()气泡膨胀阶段图()图()射流演化及载荷阶段图()图()气泡最大时刻.对比实验结果数值计算能够非常好地描述气泡的脉动阶段两者脉动周期及半径差异很小 但对于射流运动过程受实验条件限制两者结果还存在一定的差异 原因来自两个方面 一方面是数值仿真条件下炸药会完全反应生成气体且在气泡运动过程中气泡的质量并不会出现损失但在实验过程中气泡收缩时可以发现大量的粉末物质在气泡的边缘表明气泡内大量物质流失造成一定的质量和能量损失因此造成计算结果与实验結果产生了一定的误差 另一方面计算过程中并未考虑到流体的黏性、流体与刚性壁面之间的流动阻力等因素必然影响到气泡及射流的运动过程 总体来说采用的计算方法较为合理、可靠能够描述水中气泡的运动过程可用于对深水环境爆炸射流载荷特征的研究 比例距离对射流演化的影响.射流演化过程计算结果从射流演化研究的规律可以看出比例距离 是影响射流形成的关键因素之一 利用数值模拟分析了比例距离对射流载荷形成的影响比例距离为()式中:为气泡最大半径 为气泡中心到刚性壁面的距离为了方便地分析比例距离对射流演化的影响建立了 水深、.球形 的近壁面水中爆炸的有限元模型 球形 的初始半径为.在水深 自由环境中的脉动最大半径为.脉动周期为.取气泡最大半径为 设置计算工况如表 所示 计算表 所示的 种工况下的气泡射流演化过程比较气泡脉动到最大时刻与射流头部穿过气泡到达气泡另一侧时射流的形状如图 所示 其中:对应气泡膨胀到最大时刻对应射流穿透气泡作用壁面的时刻 如图 所示在比例距离较小时气泡在膨胀阶 图 数值计算结果.爆 破 器 材 第 卷第 期表 计算工况.比例距离.实际距离/图 不同比例距离下气泡射流的演化形态.段就受到了壁面的影响形成不规则的非球形气泡在气泡膨胀到最大时已经完全贴在刚性壁面上阻碍了气泡完成脉动过程因此也无法演化出较为理想的气泡 在比例距离适当的工况中可以看到完整的气泡脉动过程和射流演化过程射流形成于气泡收缩阶段并穿透气泡演化出环形气泡同时将气泡推向壁面最终作用于壁面 当气泡距离壁面较远时气泡就不受壁面的影响仅仅完成了脉动过程可以看到气泡的脉动周期及脉动半径与自由场状态基本一致 因此从气泡射流演化的过程可以看出比例距离对气泡的演化具有重要的影响.射流载荷特征记录气泡射流的头部速度得到不同比例距离下射流头部的速度曲线如图 所示 图 不同比例距离下气泡射流的头部速度.从图 中可以看出射流头部最大速度的持续时刻也与比例距离之间存在关联射流形成时刻接近气泡完成脉动时此时气泡收缩到最小阶段 因此在比例距离较小时气泡吸附于壁面不能保持球形并且半径很小可以看到射流速度缓慢增长由于射流穿透气泡后将与水介质相遇因此可以看到射流速度在很短的时刻内迅速下降 当比例距离增大时气泡脉动不再受壁面约束且射流速度在缓慢增长因此形成了速度较高而持续时间较长的射流但是当气泡演化出速度最快的射流时射流将快速穿透气泡形成了速度高而持续时间短的射流当比例距离增大到气泡不受壁面影响时在气泡收缩到最小时刻可以看到射流速度在增长阶段及下降阶段都比较小此时射流的速度接近气泡的收缩速度 另外如图 所示射流头部最大速度与比例距离变化也存在关系 当气泡靠近壁面时射流速度几乎与气泡收缩速度相等随着气泡与壁面距离的增大气泡射流的演化过程区域完整壁面效应显现射流速度提升 在 为.时射流头部速度达到最大对应本节计算药量射流速度最大能够达到 /远高于自由场气泡的收缩速度/而当比例距离过大时壁面效应减弱气泡仅仅完成脉动过程不再演化出射流因此速度也慢慢减小最后不再形成射流而面向壁面一侧水的运动速度也等于气泡在自由场中的收缩速度 年 月 近壁面深水爆炸气泡射流演化特性的研究 梁浩哲等 图 射流头部最大速度随比例距离的变化.近壁面射流载荷特征.近壁面流场特征在近壁面.处的射流速度场中心处设置测点对射流运动的最大速度进行记录如图 所示 射流是在气泡收缩过程中形成基本位于气泡中心处距离壁面还有一段距离 在射流形成后从气泡中心运动到壁面然后对壁面产生冲击载荷此时射流的强度必然比射流形成初期的状态有所减弱而且距离壁面越远射流减弱得就越厉害 对射流载荷效应的评估应当考核壁面附近的压力场或流体速度场 图 近壁面流场最大速度与比例距离的关系.从图 中可以看出近壁面流场最大速度的变化与比例距离有很大关系 .时气泡贴近壁面壁面处流场速度较低与气泡脉动收缩速度基本一致 随着 变大在收缩段气泡急速向壁面靠拢水射流保持着演化形成初始时刻的能量因此相比于射流演化初始时刻的速度近壁面流场的速度差异不大 当 较大时虽然气泡能够形成理想的高速射流但随着射流形成位置到壁面距离的增加射流要穿透一定距离的水介质才对壁面进行作用因此流场速度相比形成时刻有了较大的降低 在 大于.时射流已经无法对壁面形成有效载荷流场的速度已经非常小可以忽略射流的作用.近壁面压力场特征图 为不同比例距离下近壁面处射流速度、水域压力 和气泡内能 随时间的变化 从图 中可以看到当 .时射流载荷作用时间早于第一次脉动完成时刻射流的速度很小射流的作用非常小大部分压力都是由气泡脉动提供 脉动压力场压力最高达到 这是由于气泡几乎贴在壁面上气泡距离测点非常近气泡运动能量损耗最小所以在壁面的载荷压力非常高 但气泡对壁面的作用不一定能够达到此压力 对于.和 .的工况明显可以看出射流速度的升高射流载荷有了很大的提升压力强度能够达到与脉动压力一致的高度另外此时射流到达壁面时刻仍早于气泡脉动完成时刻所以壁面是先受到射流载荷、后受到气泡脉动载荷的作用 在 .和.时可以看到射流载荷晚于气泡脉动载荷而且强度有所下降 对照前文射流演化条件来看在 较大时射流虽然演化得很成功但由于距离壁面较远受到水的阻力在射流到达壁面时有了很大的下降此时射流几乎与脉动同时完成而脉动压力是以水声速度传播所以将会早于射流到达壁面而且脉动压力衰减较缓此时的载荷便以脉动压力波为主从上述可以看出气泡对壁面作用的最佳位置是在 .之间此时气泡脉动与射流几乎能够同时作用于壁面作用强度高、时间长对结构的毁伤能力也强 总结以近壁面深水爆炸射流载荷特性为中心利用实验和数值计算对射流演化特征、射流载荷特征及近壁面压力场进行了研究总结如下:)利用高速摄影仪得到了完整模拟深水环境下气泡射流的演化图像)利用有限元软件 对实验工况进行了计算轴对称模型计算结果与实验结果符合较好说明计算方法能够很好地求解近壁面水中爆炸问题)对模拟深水环境近壁面爆炸过程进行计算后 发现比例距离对气泡脉动特征及射流演化特征 具有决定性的影响在为.之间时气 爆 破 器 材 第 卷第 期 ().().().().().图 近壁面处的射流速度、水域压力和气泡内能曲线.泡演化出速度最大的射流)从近壁面压力场的分析结果来看受 的影响气泡脉动压力和射流冲击载荷对壁面均有作用但当 在.之间时脉动压力与射流载荷几乎同时作用于壁面对壁面的作用强度最大参 考 文 献 .:.冯凇 饶国宁 彭金华.含铝炸药深水爆炸冲击波和气泡脉动的数值模拟.爆破器材 ():.():.伍俊 杨益 庄铁栓.水中爆炸作用机理及毁伤效应研究综述.火炸药学报 ():.():.刘磊 王远 张成良 等.深水静压下化学敏化乳化炸药爆炸能量的输出特性.爆破器材 ():.(下转第 页)年 月 近壁面深水爆炸气泡射流演化特性的研究 梁浩哲等 .():.叶迎华.火工品技术.北京:国防工业出版社.石蓝 杨安民 张迎春 等.电火工品桥带温升数学模型及可靠性设计应用.火工品():.():.张伟 黄群英.硼硝酸钾()点火药的制备及其性能研究.山西化工 ():.().():.郭伟 张志新 王端 等./激光点火器装药参数与点火性能研究.火工品():./.():.高耸松 王元和 程涛 等.常用耐温点火药在宇航环境中的输出性能研究.火工品():.():.时家俊.某型延时起爆装置延期时间影响因素的研究.爆破器材 ():.():.中国兵器工业集团公司.火工品试验方法:第 部分总则:.:.(上接第 页).():.():.:.:.():./.:.():.:.杜志鹏 汪玉 辛春亮.水下刚性壁装药爆炸气泡简化模型和数值仿真.计算机仿真 ():.():.卢熹 王树山 马峰 等.近小尺度壁面水下爆炸射流特性数值模拟.弹箭与制导学报 ():.():.张伟 岳永威 张阿漫 等.基于 的气泡与固定壁面相互作用数值模拟.中国舰船研究():.():.爆 破 器 材 第 卷第 期