趙海峰, 操戈

(1. 海軍工程大學(xué), 武漢 430033; 2. 海軍某代表室，武漢 430060)

水中電爆炸氣泡動態(tài)特性試驗研究

趙海峰1, 操戈2

(1. 海軍工程大學(xué), 武漢 430033; 2. 海軍某代表室，武漢 430060)

由于現(xiàn)實大藥量水下爆炸實驗的氣泡運(yùn)動性態(tài)，難以很好地利用高速攝影進(jìn)行拍攝。本文通過自主設(shè)計的實驗電路，模擬水下電爆炸的各種工況，證明了低電壓充放電電路實現(xiàn)水下微型電爆炸的可能性，可以較好地得到水下爆炸后氣泡脈動和射流的諸多特性，為揭示水下爆炸氣泡運(yùn)動特性提供了參考。

水下電爆炸 高速攝影 氣泡 脈動 射流

0 引 言

研究水下爆炸的特性，除了之前較為系統(tǒng)的理論結(jié)論，數(shù)值計算和仿真模擬也都是較有效的手段，國內(nèi)的張振華[1-2]等在這方面做了大量的工作。水下爆炸所具有的多種特性使得研究起來較空中爆炸更為復(fù)雜，因為水下爆炸對水中結(jié)構(gòu)物的毀傷效果不僅僅是依靠爆炸的沖擊波能量，其產(chǎn)生的氣泡脈動以及近距爆炸產(chǎn)生的射流沖擊對結(jié)構(gòu)物的實際破壞作用也十分顯著，越來越受到國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注，成為研究的熱點。由于使用普通炸藥進(jìn)行水下爆炸，存在實驗器材復(fù)雜，費用較高，人員的安全性和水下氣泡脈動特性拍攝困難等諸多問題，許多學(xué)者開始使用可控性高和光測效果更好的電爆炸，并結(jié)合高速攝影技術(shù)進(jìn)行試驗，取得了令人滿意的效果。如Chahine[3]，Blake[4]等和張寒虹[5-7]等研制的高壓電水下電爆炸裝置，Turangan[8]等和張阿漫等研制的低壓電水下電爆炸裝置。

本實驗采用電容充電電路水中打火放電的原理，將短接金屬絲瞬間熔化，產(chǎn)生所要求的氣泡脈動效應(yīng)。實驗并且能夠測量在一定放電儲能的條件下金屬絲爆炸所釋放的能量，可以對各種不同工況下氣泡的動態(tài)響應(yīng)進(jìn)行分析。本實驗簡單、易操作、安全性較好，能較好實現(xiàn)水下爆炸的相關(guān)情景，對氣泡運(yùn)動規(guī)律的研究具有一定價值和意義。

1 實驗原理及實驗裝置

1.1 氣泡產(chǎn)生原理

通過充電電路將高儲能電容器充滿電能，然后通過放電電路瞬間放電，較大的電能將搭接的金屬絲瞬間(在幾微秒內(nèi))熔化；熔化后的金屬進(jìn)一步汽化，形成高溫、高壓的金屬蒸汽，金屬蒸汽擴(kuò)散膨脹進(jìn)而帶動周圍水介質(zhì)形成氣泡。氣泡由于內(nèi)部高壓和慣性影響將不斷膨脹收縮，形成氣泡脈動效應(yīng)。在外界邊界和干擾等因素的影響下氣泡將處于極不穩(wěn)定狀態(tài)，最終氣泡向外拋出內(nèi)部氣體，形成氣泡射流現(xiàn)象。

1.2 實驗裝置組成

實驗裝置主要有以下幾個系統(tǒng)組成：氣泡生成系統(tǒng)，環(huán)境模擬系統(tǒng)，拍攝系統(tǒng)組成。

氣泡生成系統(tǒng)主要有一個額定電壓為220 V的直流電源，三個額定電壓為250 V，電容為2200 μF高性能電容器，一個阻值為15 kΩ電路保護(hù)電阻，兩個空氣開關(guān)，一套電極固定裝置以及若干根超細(xì)銅絲和鐵絲。環(huán)境模擬系統(tǒng)主要有一個長、寬、高分別為600×400×400 (mm)的貯水水槽，一個額定功率為2 kW大功率連續(xù)光源，一套模擬流場狀態(tài)噴水器，其額定電壓為220 V，額定功率5 W，出水最大速度為3 m/s。拍攝系統(tǒng)主要由一套高速攝影儀，一個數(shù)碼相機(jī)，一套圖片分析系統(tǒng)組成。

實驗的爆炸材料主要以不同粗細(xì)的超細(xì)銅絲和鐵絲為主，采用固定水深和不同起爆點的方式以及背面打固定網(wǎng)格測量的方法，可以較全面地精確測量氣泡的大小和運(yùn)動狀態(tài)，利用高速攝影儀拍攝幀數(shù)可以精確測量氣泡產(chǎn)生、氣泡脈動和射流的相關(guān)時間。利用電路連接電壓表可以較準(zhǔn)確測量充放電損失能量。實驗測量工具還有多功能電壓表、千分尺、直尺和網(wǎng)格紙等。

2 實驗工況和結(jié)果分析

由于水下爆炸氣泡脈動的過程極其復(fù)雜，很難得到理論上的精確公式，通過本實驗利用電壓表讀數(shù)計算出整個電爆炸所釋放的能量，進(jìn)而可以近似得到氣泡脈動所需要的能量值。根據(jù)能量值的變化并結(jié)合拍攝的圖片，可以對不同工況的氣泡脈動響應(yīng)進(jìn)行分析。庫爾提出計算第一次氣泡脈動周期的經(jīng)驗公式：

以及第一次氣泡脈動半徑的經(jīng)驗公式：

其中W是炸藥的TNT當(dāng)量，H是起爆點深度，公式采用國際單位。

我們分析模擬自由場狀態(tài)下氣泡運(yùn)動形態(tài)。首先給出實驗各工況的具體實驗參數(shù)如表1所示。

根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，利用庫爾的氣泡脈動的經(jīng)驗公式可以對每個工況氣泡脈動的周期和半徑進(jìn)行估算。

從表2中可以看到通過實驗數(shù)據(jù)得到的氣泡半徑與脈動周期與利用經(jīng)驗公式計算得到值相差在20%以內(nèi)，在此范圍內(nèi)進(jìn)一步使用實驗數(shù)據(jù)對氣泡運(yùn)動性態(tài)進(jìn)行分析。

2.1 模擬自由場狀態(tài)下氣泡運(yùn)動性態(tài)

2.1.1 實驗工況1

此工況采用直徑為0.383 mm的細(xì)銅絲，爆炸整個過程較為劇烈，第一次脈動氣泡最大直徑為31.1 mm，，在2.75 ms時刻，氣泡半徑膨脹至最大，隨后迅速縮小，在4.25 ms時刻，氣泡半徑收縮至最小，然后開始第二次脈動，從拍攝圖片上由于工況1爆炸劇烈，爆炸產(chǎn)生氣體和雜質(zhì)較多，影響了觀察二次脈動的情況，使得二次脈動看似并不完整，但從氣泡脈動的實際規(guī)律分析二次脈動始終存在，在4.90 ms時刻，氣泡塌陷破裂。

2.1.2 實驗工況2

此工況采用直徑為0.143 mm的細(xì)銅絲，在1.40 ms時刻，第一次脈動氣泡半徑膨脹至最大，最大直徑為24.2 mm，隨后迅速縮小，在2.35 ms時刻，氣泡半徑收縮至最小，之后開始第二次脈動；此工況二次脈動的拍攝效果明顯，在2.90 ms時刻，二次脈動氣泡半徑達(dá)到最大，隨后氣泡再次收縮，當(dāng)進(jìn)行至第三次脈動在3.90 ms時刻，氣泡塌陷破裂，相應(yīng)產(chǎn)生射流，射流方向為觀察角度的右下方。此工況第一次脈動時間為2.10 ms，第二次脈動時間為1.05 ms，可明顯看出二次脈動時間比一次脈動時間縮短，其二次脈動氣泡半徑最大值為13.2 mm，也比一次脈動氣泡半徑（24.2 mm）有明顯縮短，說明二次脈動比一次脈動所需能量少，脈動的顯著性和規(guī)則性下降。與工況1相比，工況2采用的銅絲半徑只有1工況的三分之一左右，根據(jù)電容器存貯電能E=1/2CU2, 由電壓表放電前后讀數(shù)可以計算出工況1電容器釋放的總能量為54 J，工況2電容器釋放的總能量為29 J，可以說明直徑較細(xì)金屬絲爆炸所需要的能量較小，用于氣泡脈動的能量也相應(yīng)減少，從圖4中可以清楚地看到工況2的第一次脈動時間和所產(chǎn)生的氣泡最大半徑都比工況1有較明顯的減小。

2.1.3 實驗工況3

此工況采用直徑為0.143 mm的細(xì)銅絲，與工況2采用相同直徑的銅絲，但起爆點深度有所上升。在只調(diào)整起爆深度條件下，其它實驗條件都未變化，工況3電爆炸所釋放的總能量、氣泡第一次脈動半徑和脈動周期時間都比工況2有所增加，并且工況3可以清楚的觀察到氣泡完整的三次脈動，因此可以說明在一定條件下，起爆點深度對電爆炸實驗的結(jié)果有著一定影響。此工況最終產(chǎn)生射流的方向為觀察角度的左下方，對比工況2的實驗結(jié)果，說明自由狀態(tài)條件下射流方向存在不確定性。

2.2 模擬邊界場狀態(tài)下氣泡運(yùn)動性態(tài)

在邊界條件的影響下，水下爆炸后氣泡運(yùn)動性態(tài)會發(fā)生很大的變化，研究模擬邊界場狀態(tài)下氣泡運(yùn)動性態(tài)，可以幫助了解氣泡對結(jié)構(gòu)的載荷模式以及氣泡在破裂后產(chǎn)生的射流沖擊效應(yīng)。

工況采用直徑為0.163 mm細(xì)鐵絲，爆炸較為劇烈，能較清楚地聽到氣泡射流沖擊底部剛性壁的聲音；氣泡未完成一次脈動，即產(chǎn)生對底部剛性壁的射流沖擊。氣泡膨脹過程中，由于底部剛性壁的影響，氣泡向下膨脹時受到限制，已經(jīng)不再保持球形，氣泡在2.25 ms時刻體積膨脹至最大，隨后氣泡收縮，從拍攝的照片中可以明顯看到，氣泡被吸附在底部剛性壁表面，氣泡形狀呈拋物型，氣泡上表面迅速沖向剛性壁，在3.7 ms的時刻，氣泡完全塌陷，對底部剛性壁產(chǎn)生向下的垂向射流。整個過程氣泡的最大寬度(17.8 mm)較自由狀態(tài)氣泡最大直徑(均在20以上)有明顯地減小，其中最大寬度是指氣泡膨脹時橫向最大長度，可以說明起爆點深度降低，水深壓力對氣泡膨脹有一定影響。

3 結(jié)論

使用本試驗低壓電爆炸裝置，較詳細(xì)的研究了水下爆炸的各種工況，綜合以上各工況的分析可以得到以下結(jié)論：

1） 本試驗設(shè)計能夠?qū)崿F(xiàn)水下電爆炸的各種工況，實際試驗可以清楚觀察到氣泡及其脈動運(yùn)動的相關(guān)情況，具有實際應(yīng)用價值。

2）在自由狀態(tài)條件下，各工況實際測得的氣泡脈動的周期和半徑與換算為等效TNT當(dāng)量計算出氣泡周期和半徑之間的誤差均在20%以內(nèi)。

3） 試驗證明電爆炸釋放能量和選用的金屬材料的尺寸相關(guān)，使用較大尺寸金屬絲產(chǎn)生的爆能較大；自由狀態(tài)條件下，電爆炸產(chǎn)生的氣泡半徑和脈動時間與電爆炸釋放的能量有密切的關(guān)系，在其他條件一定的情況下，氣泡的半徑和脈動時間隨著電爆炸能量增大而增加。

4）在自由狀態(tài)條件下，金屬起爆點深度對電爆炸實驗的結(jié)果有著一定影響；最終產(chǎn)生氣泡射流的方向存在不確定性。

[1] 張振華，朱錫，馮剛等，船舶遠(yuǎn)場水下爆炸載荷作用下動態(tài)響應(yīng)數(shù)值計算方法[J]. 中國造船， 2003, (4).

[2] 張振華，朱錫，白雪飛. 水下爆炸沖擊波數(shù)值模擬研究[J]. 爆炸與沖擊，2004，24(2).

[3] G.L.Chahine,G.S.Fredrick，C.J.Lambrecht，G.S.Harris，H.U.Mair.Spark-generated bubbles as laboratory-scale models of underwater explosions and their use for validation of simulation tools. SAVIAC proceedings 66thshock and vibrations，symposium，biloxi， 1995, 2:265-276.

[4] Blake JR，Gibson DC. Cavitation bubbles near boundaries. Ann Rev Fluid Mech，1987, 19：99-123.

[5] 張寒虹，陳志福，張弛. 水中電爆炸實驗研究[J]. 爆炸與沖擊，2002, 22(4).

[6] 張寒虹，陳志福，盧新培. 水中電爆炸過程的測量系統(tǒng)[J].華北工學(xué)院測試技術(shù)學(xué)報， 2000, 14(4).

[7] 高波，張寒虹，張弛. 水中高壓放電氣泡實驗研究[J].物理學(xué)報， 2003, 32(7).

[8] Turangan.CK, Ong GP, Klaseboer.E，et.al. Experimental and numerical study of transient bubble-elastic membrane interaction. Journal of Applied Physics，2006, 100：051.

Expermental Study on Bubble Pulse in Underwater Wire Explosion

Zhao Haifeng1, Cao Ge2

(1. Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China; 2. Naval Representatives Office in Wuhan, Wuhan 430060, China)

It is difficult for practical underwater explosion experiment to carry out by high-speed photography. An independent designed electric circuit to simulate different circumstances is introduced, which demonstrates the feasibility of achieving tiny underwater wire explosion with a low voltage simple electric circuit. Bubble pulse and jet can be well observed in the experiment, which provides a basis for revealing the bubble movement after underwater explosion.

underwater wire explosion; high-speed photography; bubble; pulse; jet

TJ5

A

1003-4862（2013）05-0023-04

2012-10-12

趙海峰（1982），男，工程師。研究方向：結(jié)構(gòu)力學(xué)