孔祥韶，王子棠，況 正，周 滬，鄭 成，吳衛(wèi)國(guó)

（1.武漢理工大學(xué)綠色智能江海直達(dá)船舶與郵輪游艇研究中心，湖北 武漢 430063；2.武漢理工大學(xué)交通學(xué)院船舶、海洋與結(jié)構(gòu)工程系，湖北 武漢 430063）

在現(xiàn)代信息化戰(zhàn)爭(zhēng)環(huán)境中，掠海飛行的半穿甲內(nèi)爆式反艦導(dǎo)彈已成為大型水面艦船的主要威脅。當(dāng)爆炸發(fā)生在艦船艙室內(nèi)部時(shí)，由于艙壁的限制作用使得載荷作用規(guī)律與敞開(kāi)環(huán)境相比差異較大[1]，封閉空間內(nèi)部爆炸特性表現(xiàn)為沖擊波效應(yīng)增強(qiáng)且熱效應(yīng)明顯，空間內(nèi)存在維持時(shí)間較長(zhǎng)的準(zhǔn)靜態(tài)壓力，導(dǎo)致炸藥在封閉空間內(nèi)爆炸所造成的破壞明顯強(qiáng)于空爆[2-4]。TNT是一種負(fù)氧型炸藥，在封閉空間中爆炸時(shí)除產(chǎn)生初始爆轟能量外，爆炸產(chǎn)物還在限制空間中與空氣中的氧氣充分混合并在高溫環(huán)境中發(fā)生燃燒反應(yīng)釋放額外能量，且作用時(shí)間尺度為毫秒級(jí)，因此會(huì)造成更嚴(yán)重的受載結(jié)構(gòu)破壞[5]。由于初始爆轟能量難以減弱，因此，通過(guò)抑制爆炸產(chǎn)物的燃燒從而減輕艙內(nèi)爆炸載荷對(duì)結(jié)構(gòu)的毀傷，成為一種有效可行的手段。

水霧液滴由于比表面積大、吸熱能力強(qiáng)，是火災(zāi)和爆炸荷載的良好抑制介質(zhì)。水霧對(duì)爆炸載荷的抑制機(jī)理是：當(dāng)沖擊波擊中箱內(nèi)水霧時(shí)，會(huì)與液滴發(fā)生動(dòng)量傳遞，削弱初始沖擊波及后續(xù)的反射沖擊波。同時(shí)水霧具有較大的比熱容和蒸發(fā)容，可以吸收爆炸產(chǎn)物燃燒所釋放的能量而汽化成水蒸氣，使環(huán)境溫度降低，同時(shí)由于產(chǎn)生的水蒸氣為不可燃?xì)怏w，抑制了爆炸產(chǎn)物進(jìn)一步的燃燒反應(yīng)，從而使密閉空間內(nèi)的準(zhǔn)靜態(tài)壓力降低[6-8]。Mataradze等[9]指出，水霧減弱沖擊波的主要影響因素包括水霧粒徑分布、水霧液滴速度及液滴幾何特性等；Schwer 等[10]通過(guò)數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，水霧的動(dòng)量傳遞在減小初始沖擊波方面占主導(dǎo)作用；Adiga 等[11]研究了細(xì)水霧顆粒破碎的現(xiàn)象，并分析了其對(duì)爆炸能量的影響，發(fā)現(xiàn)雖然液滴變形能和曲率效應(yīng)可以增加破碎能，但其對(duì)總能量消耗的總體貢獻(xiàn)不如汽化吸收潛熱顯著；Jones等[12]討論了水滴尺寸對(duì)燃燒抑制作用的影響，理論上水霧液滴尺寸越小抑制效果越好，但當(dāng)尺寸小于30μm 時(shí)，水霧液滴很難制出，并定義了水霧液滴的平均尺寸；胡翔[13]考慮細(xì)水霧液滴蒸發(fā)、液滴動(dòng)能吸收及吸收顯熱，推導(dǎo)了沖擊波掃過(guò)細(xì)水霧時(shí)，水霧液滴速度的前后變化，分析得出吸收顯熱是細(xì)水霧減弱沖擊波的主要手段；陳鵬宇等[14]通過(guò)艙內(nèi)裝藥爆炸實(shí)驗(yàn)研究了水霧對(duì)艙內(nèi)典型位置處爆炸載荷的削弱作用，發(fā)現(xiàn)隨著藥量的增加，削弱效果降低。

此外，為了分析爆炸產(chǎn)物燃燒對(duì)艙內(nèi)TNT 爆炸載荷的增強(qiáng)效應(yīng)，研究人員通過(guò)改變密閉空間內(nèi)氣體的成分開(kāi)展了爆炸實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步證明了通過(guò)抑制爆炸產(chǎn)物的燃燒可有效降低爆炸載荷（沖擊波壓力、準(zhǔn)靜態(tài)壓力及爆炸場(chǎng)溫度）和受載結(jié)構(gòu)的響應(yīng)[15-17]。

從目前已開(kāi)展的研究來(lái)看，細(xì)水霧顆粒和氣體成分對(duì)封閉空間內(nèi)的爆炸載荷有良好的衰減作用，然而這2種方式對(duì)爆炸載荷衰減的機(jī)理有所區(qū)別且不明確，缺乏定量的分析。本文中從艦船結(jié)構(gòu)對(duì)艙內(nèi)爆炸載荷防護(hù)的需求出發(fā)，探索不同艙內(nèi)環(huán)境對(duì)爆炸載荷和結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的抑制效果，開(kāi)展水霧和氮?dú)猸h(huán)境中TNT在密閉結(jié)構(gòu)內(nèi)爆炸的實(shí)驗(yàn)研究，通過(guò)分析爆炸載荷壓力、密閉空間內(nèi)的溫度變化以及鋼板試件的動(dòng)態(tài)響應(yīng)數(shù)據(jù)，探討水霧和氮?dú)庖种品忾]空間內(nèi)爆炸載荷的機(jī)理，從理論上定量分析水霧和氮?dú)鈱?duì)爆炸能量的吸收；并從結(jié)構(gòu)響應(yīng)的角度對(duì)水霧和氮?dú)庖种票ㄝd荷的時(shí)效性進(jìn)行分析。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

采用的爆炸箱由高強(qiáng)度鋼焊接而成，試件板通過(guò)螺栓及壓板固定在爆炸箱兩端，形成密閉結(jié)構(gòu)，如圖1所示。內(nèi)部尺寸為1 800 mm×800 mm×800 mm，其中試件板尺寸為1 100 mm×1 100 mm×4 mm。在箱身焊接縱橫加強(qiáng)筋以確保結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，并將爆炸箱底部固定在地基上，從而限制實(shí)驗(yàn)裝置的整體位移。實(shí)驗(yàn)所用鋼板均由Q235低碳鋼制成，其力學(xué)性能如表1所示。

表1 試件材料力學(xué)性能Table1 Mechanical properties of the steel plates

圖1 爆炸實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental setup

在爆炸箱頂部開(kāi)設(shè)6個(gè)水霧孔，如圖2所示，并安裝水霧系統(tǒng)。水霧系統(tǒng)由管道、噴嘴、水箱和水泵組成，實(shí)驗(yàn)采用的水霧噴嘴流量為0.4 L/min。利用激光散射儀測(cè)量不同粒徑水霧液滴的體積分?jǐn)?shù)，如圖3所示。將水霧液滴的粒徑劃分為8個(gè)范圍，計(jì)算不同粒徑水霧液滴的累積體積分?jǐn)?shù)，數(shù)據(jù)如表2所示，其中99.77%的水霧液滴直徑均小于200μm。

圖3 不同粒徑水霧的體積分?jǐn)?shù)Fig.3 Volume fraction of the water mist with different diameter

表2 水霧粒徑及累積體積分?jǐn)?shù)Table 2 Water-mist diameter and cumulativevolume fraction

圖2 水霧孔分布位置圖（爆炸箱俯視圖）Fig.2 Schematic of distribution of nozzles of the chamber (top view of chamber)

在爆炸箱的對(duì)角處開(kāi)設(shè)2個(gè)氮?dú)饪?，分別安裝進(jìn)氣閥與出氣閥，進(jìn)氣閥與壓縮氮?dú)夤拗g通過(guò)氮?dú)膺M(jìn)氣管和減壓閥相連，如圖4所示，出氣閥處設(shè)置自吸式氧氣濃度檢測(cè)儀，監(jiān)測(cè)艙內(nèi)的氧氣濃度從而得到艙內(nèi)氮?dú)鉂舛取?/p>

圖4 氧氣濃度儀及出氣閥布置Fig.4 Distribution of oxygen concentrator and outlet valve

數(shù)據(jù)測(cè)量采用HBMGenesis 7T 型高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采樣頻率為1 MHz。壓力傳感器P1采用PCB 102B型壓力傳感器，傳感器的量程為0～34.5 MPa。溫度使用NANMACC2-7-K-L 型熱電偶和Texense THNF-A 型熱電偶放大器測(cè)量，量程為0～1 250℃。各類傳感器的布置如圖5所示，其中P1壓力傳感器，T1～T5為溫度傳感器。圖5(c)為爆炸箱側(cè)壁上（主視圖中對(duì)應(yīng)的側(cè)面）的壓力和溫度傳感器布置位置示意圖，其中壓力傳感器布置在靠近爆炸箱角隅處，距離炸藥897 mm。

圖5 壓力和溫度傳感器布置圖Fig.5 Arrangement of temperature and pressuresensors

采用數(shù)字圖像相關(guān)（digital image correlation,DIC）方法測(cè)量?jī)?nèi)爆載荷下試件板的變形歷程，如圖6所示。分辨率設(shè)置為960 pixel×960 pixel，幀率為104s?1，每個(gè)像素的長(zhǎng)度約0.4 mm。DIC方法的匹配精度為5.4%像素長(zhǎng)度，變形測(cè)量精度為0.02 mm。在目標(biāo)板的左右兩側(cè)分別放置2個(gè)LED燈，以提供足夠的光來(lái)消除試件板上投影的螺栓陰影，滿足清晰測(cè)量的要求。

圖6 DIC測(cè)試系統(tǒng)布置示意圖Fig.6 Schematic of DICsystem arrangement

在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試之前，對(duì)DIC系統(tǒng)進(jìn)行了最大分辨率的校準(zhǔn)，以達(dá)到最佳的性能。并對(duì)DIC系統(tǒng)進(jìn)行了標(biāo)定，首先將2架高速攝影儀以一定角度聚焦于同一位置，隨后通過(guò)旋轉(zhuǎn)、移動(dòng)、傾斜交叉標(biāo)定框架，獲取24對(duì)具有不同位置信息的圖像，從而完成標(biāo)定。標(biāo)定后保持三腳架上2個(gè)高速攝影儀的相對(duì)位置不變，將三腳架移至目標(biāo)板前方，保證其與試件板之間的距離與標(biāo)定距離相同。

試件板外表面用白色油漆噴涂均勻，并用黑色油漆噴涂散斑達(dá)到DIC方法的測(cè)量要求。在每次測(cè)試之前均做預(yù)測(cè)試，以確保黑色散斑具有良好的對(duì)比度，并且確保光線足夠強(qiáng)，可以獲得高質(zhì)量的圖像。在對(duì)各工況實(shí)驗(yàn)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，以爆炸信號(hào)觸發(fā)DIC系統(tǒng)，記錄觸發(fā)前40 ms和觸發(fā)后60 ms的圖像，確保覆蓋內(nèi)爆載荷作用下試件板穩(wěn)態(tài)和發(fā)生動(dòng)態(tài)變形的全過(guò)程。

1.2 實(shí)驗(yàn)工況

為研究水霧和氮?dú)猸h(huán)境對(duì)艙內(nèi)爆載荷以及結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的影響，共設(shè)置了9種實(shí)驗(yàn)工況，各工況使用的試件板為同一批次的相同規(guī)格板，實(shí)驗(yàn)前每一塊板均進(jìn)行了力學(xué)性能測(cè)試，并單獨(dú)測(cè)量厚度，如表3所示。實(shí)驗(yàn)中采用3種不同質(zhì)量的TNT 炸藥，具體尺寸見(jiàn)表4。

表3 工況設(shè)置Table 3 Load conditions of experimental test

表4 圓柱形TNT炸藥的尺寸Table 4 Detailed size of cylindrical TNT charges

在進(jìn)行空氣環(huán)境中的內(nèi)爆實(shí)驗(yàn)時(shí)，水霧和氮?dú)庀到y(tǒng)均為關(guān)閉狀態(tài)，將TNT 炸藥定位固定后，裝上兩端試件板并用螺栓緊固，校核數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和DIC系統(tǒng)，引爆炸藥，記錄相應(yīng)的數(shù)據(jù)。

在進(jìn)行水霧環(huán)境中的內(nèi)爆實(shí)驗(yàn)時(shí)，TNT炸藥定位固定、試件安裝和采集系統(tǒng)檢查完成后，開(kāi)啟水霧系統(tǒng)，考慮到Willauer 等[8]的研究成果，即啟動(dòng)水泵的幾秒鐘內(nèi)，水霧便會(huì)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，平均濃度為（70±10）g/m3，不需要進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的噴霧，因此本實(shí)驗(yàn)預(yù)先向箱內(nèi)噴射水霧10 s，引爆炸藥，記錄數(shù)據(jù)，并在引爆后2 s左右關(guān)閉水霧系統(tǒng)，達(dá)到水霧環(huán)境下內(nèi)爆的目的。

在進(jìn)行氮?dú)猸h(huán)境中的內(nèi)爆實(shí)驗(yàn)時(shí)，炸藥和試件安裝到位后，打開(kāi)進(jìn)氣閥自上而下向箱中注入氮?dú)?，同時(shí)打開(kāi)出氣閥并在出口處用氧氣濃度檢測(cè)儀檢測(cè)濃度，由于空氣中99%成分是氮?dú)夂脱鯕?，而氮?dú)饷芏缺瓤諝夂脱鯕庑。陨隙孪蛳鋬?nèi)注入氮?dú)鈺r(shí)，氮?dú)饽軌蚺c箱內(nèi)空氣進(jìn)行充分混合，當(dāng)箱底出口處氧氣體積分?jǐn)?shù)低于5%左右時(shí)，關(guān)閉進(jìn)氣閥和出氣閥，引爆炸藥，記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 壓力結(jié)果與分析

當(dāng)TNT炸藥在密閉爆炸箱內(nèi)發(fā)生爆炸時(shí)，其爆炸產(chǎn)物急劇膨脹、壓縮箱內(nèi)氣體，形成爆炸沖擊波，沖擊波脫離爆炸產(chǎn)物之后，爆炸產(chǎn)物繼續(xù)膨脹并與受壓縮的氣體充分混合，進(jìn)一步發(fā)生燃燒反應(yīng)釋放能量；在沖擊波與內(nèi)壁面的多次反射過(guò)程中，準(zhǔn)靜態(tài)壓力逐漸上升，沖擊波反射結(jié)束后，密閉空間內(nèi)氣體均勻分布，準(zhǔn)靜態(tài)壓力到達(dá)峰值并維持較長(zhǎng)壓力平臺(tái)。根據(jù)針對(duì)TNT內(nèi)爆準(zhǔn)靜態(tài)壓力特性的實(shí)驗(yàn)研究[18]，可以發(fā)現(xiàn)準(zhǔn)靜態(tài)壓力上升時(shí)間約為數(shù)十毫秒，在此之后，由于空間密閉，準(zhǔn)靜態(tài)壓力曲線呈現(xiàn)準(zhǔn)平臺(tái)效應(yīng)，而且在圓箱TNT 內(nèi)爆實(shí)驗(yàn)也呈現(xiàn)相似現(xiàn)象，沖擊波在經(jīng)過(guò)3～4個(gè)周期性波動(dòng)后逐漸勻化，形成一個(gè)穩(wěn)定、均勻的準(zhǔn)靜態(tài)壓力峰值[19]。因此本文中采用初始沖擊波到達(dá)后20～50 ms之間的壓力平均值作為準(zhǔn)靜態(tài)壓力峰值。

整理并比較3種藥量下水霧環(huán)境和空氣環(huán)境中P1測(cè)點(diǎn)的壓力數(shù)據(jù)，如圖7～9所示，值得注意的是，圖中表示準(zhǔn)靜態(tài)壓力峰值的直線為20～50 ms內(nèi)壓力平均值的參考線，并不表示準(zhǔn)靜態(tài)壓力的起始時(shí)間。從壓力時(shí)程曲線可以看出，封閉空間內(nèi)的爆炸載荷包括初始沖擊波、壁面反射沖擊波以及持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的準(zhǔn)靜態(tài)壓力。在3種不同藥量實(shí)驗(yàn)工況中，由于水霧的存在，壁面反射沖擊波最大值及隨后的準(zhǔn)靜態(tài)壓力峰值均明顯降低，各工況下準(zhǔn)靜態(tài)壓力峰值的具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表5。

圖7 80 g TNT 水霧和空氣環(huán)境工況下P1測(cè)點(diǎn)壓力歷程Fig. 7 Pressure-time curves of measuring point P1 from 80 g TNT explosion in chamber filled with water mist and air

圖8 120 g TNT 水霧和空氣環(huán)境工況下P1測(cè)點(diǎn)壓力歷程Fig. 8 Pressure-time curves of measuring point P1 from 120 g TNT explosion in chamber filled with water mist and air

圖9 160 g TNT 水霧和空氣環(huán)境工況下P1測(cè)點(diǎn)壓力歷程Fig.9 Pressure-time curves of measuring point P1 from 160 g TNT explosion in chamber filled with water mist and air

表5 水霧和空氣環(huán)境內(nèi)爆載荷及等效能量Table5 Confined-blast loading and equivalent energy in chamberfilled with water mist and air

當(dāng)高溫沖擊波作用于箱內(nèi)的水霧液滴時(shí)，箱內(nèi)的液滴有一部分會(huì)蒸發(fā)為水蒸氣，有一部分較大的液滴會(huì)被沖擊波擊碎為較小的液滴，發(fā)生動(dòng)量轉(zhuǎn)移，因此箱內(nèi)的初始沖擊波及后續(xù)的反射沖擊波均能得到一定的減弱。同時(shí)，由于水霧具有較大的比熱容和蒸發(fā)容，能夠吸收爆轟產(chǎn)物燃燒所釋放的能量從而汽化成水蒸氣，其汽化時(shí)間為毫秒級(jí)，不僅能夠降低箱內(nèi)溫度，同時(shí)由于產(chǎn)生的水蒸氣為不可燃?xì)怏w，還能降低箱內(nèi)的氧氣濃度，抑制爆炸產(chǎn)物的后續(xù)燃燒反應(yīng)，從而降低箱內(nèi)的準(zhǔn)靜態(tài)壓力。由表5可以看出，水霧對(duì)箱內(nèi)準(zhǔn)靜態(tài)壓力峰值的削減效應(yīng)隨藥量的增加而增強(qiáng)，原因是隨著藥量增加，水霧環(huán)境中爆炸產(chǎn)物燃燒更不充分。

Feldgun 等[20]給出了密閉空間中爆炸載荷準(zhǔn)靜態(tài)壓力的計(jì)算公式：

式中：p0=101.3 kPa ，為大氣壓力；Q為單位質(zhì)量炸藥釋放的能量；W為炸藥質(zhì)量；ρE為炸藥密度；V為封閉空間的體積；γ 、γ0分別為爆炸后混合氣體和爆炸前艙內(nèi)氣體的絕熱指數(shù)，當(dāng)W/V＜0.387 kg/m3時(shí)，由于爆炸后混合氣體成分難以確定，為簡(jiǎn)化計(jì)算，假定空氣工況、水霧工況和氮?dú)夤r下γ=γ0=1.4。

將實(shí)驗(yàn)測(cè)試中的具體參數(shù)代入式（1）中，計(jì)算出各工況中導(dǎo)致準(zhǔn)靜態(tài)壓力升高的等效能量，如表5所示。3種藥量下水霧環(huán)境分別抑制了235.2、358.5、594.9 kJ 的能量釋放，較空氣環(huán)境中的減緩比例分別為31.1%、34.7%、42.1%，即對(duì)應(yīng)3種藥量下水霧對(duì)準(zhǔn)靜態(tài)壓力峰值的削減作用。TNT的爆轟能量為4 200 kJ/kg[21]，TNT爆炸產(chǎn)物完全燃燒釋放能量為10 627.5 kJ/kg，所釋放的總能量為14 827.5 kJ/kg。通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，3種藥量的TNT炸藥所釋放的能量均小于炸藥爆轟能量和爆炸產(chǎn)物燃燒的總能量的理論值，主要原因是爆炸產(chǎn)物燃燒能量未完全釋放，從而與理想狀態(tài)有一定的差別。

3種藥量下氮?dú)猸h(huán)境和空氣環(huán)境中P1測(cè)點(diǎn)的壓力時(shí)程曲線如圖10～12所示。當(dāng)TNT在密閉空間內(nèi)爆炸時(shí)，爆炸產(chǎn)物的燃燒效應(yīng)對(duì)反射沖擊波和準(zhǔn)靜態(tài)壓力峰值均起到增強(qiáng)作用，在空氣工況下，沖擊波峰值均出現(xiàn)在初始沖擊波到達(dá)之后，這是因?yàn)橄鋬?nèi)環(huán)境氧氣充足，使爆炸產(chǎn)物能夠與氧氣充分混合反應(yīng)，所釋放的能量使反射沖擊波峰值與后續(xù)準(zhǔn)靜態(tài)壓力明顯提高。而在氮?dú)猸h(huán)境內(nèi)時(shí)，峰值就是初始沖擊波峰值，其原因是氮?dú)猸h(huán)境內(nèi)氧氣體積分?jǐn)?shù)僅為5%，而爆炸產(chǎn)物無(wú)法與氮?dú)獍l(fā)生反應(yīng)，其能量釋放被顯著抑制。

圖10 80 g TNT在氮?dú)夂涂諝猸h(huán)境工況下測(cè)點(diǎn)P1處的壓力時(shí)程曲線Fig.10 Pressure-time curves of measuring point P1 from 80 g TNT explosion in chamber filled with nitrogen and air

比較空氣環(huán)境和氮?dú)猸h(huán)境下的準(zhǔn)靜態(tài)壓力峰值，并將實(shí)驗(yàn)中的各參數(shù)帶入式（1）中，可以計(jì)算出氮?dú)夤r下導(dǎo)致準(zhǔn)靜態(tài)壓力峰值升高的等效能量，結(jié)果如表6所示。而由于空氣和氮?dú)獾拿芏认嗖畈淮?，首沖擊波峰值壓力在這2種環(huán)境中的差異較小。

由表6可以看出，3種不同藥量下，氮?dú)鈱?duì)于箱內(nèi)準(zhǔn)靜態(tài)壓力峰值的降低率均在50%左右，呈現(xiàn)出良好的減弱效果，其原因是氮?dú)獾拇嬖诮档土讼鋬?nèi)氧氣的濃度，使得爆炸產(chǎn)物燃燒不充分，抑制了燃燒釋放能量，從而降低了空間內(nèi)的準(zhǔn)靜態(tài)壓力峰值。

表6 氮?dú)夂涂諝猸h(huán)境中的內(nèi)爆載荷及等效能量Table 6 Confined-blast loading and equivalent energy in chamber filled with nitrogen and air

在氮?dú)夤r下，若不考慮爆炸產(chǎn)物的燃燒釋放能量，那么箱內(nèi)準(zhǔn)靜態(tài)壓力就由爆轟產(chǎn)物在箱內(nèi)產(chǎn)生的氣體壓力pg以及爆轟加熱氣體產(chǎn)生的壓力pt提供。根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程可得：

式中：V0為T(mén)NT爆容，m為T(mén)NT質(zhì)量。

圖11 120 g TNT 氮?dú)夂涂諝猸h(huán)境工況下P1測(cè)點(diǎn)壓力歷程Fig.11 Pressure-time curves of measuring point P1 from 120 g TNT explosion in chamber filled with nitrogen and air

圖12 160 g TNT 氮?dú)夂涂諝猸h(huán)境工況下P1測(cè)點(diǎn)壓力歷程Fig.12 Pressure-time curves of measuring point P1 from 160 g TNT explosion in chamber filled with nitrogen and air

假定爆炸釋放的能量均用于加熱箱內(nèi)氣體，則箱內(nèi)氣體的溫升為：

式中：QV為T(mén)NT 爆熱，mg為爆炸后箱內(nèi)混合氣體的質(zhì)量，c V為爆炸后箱內(nèi)混合氣體的比定容熱容。

由理想氣體狀態(tài)方程可得：

因此理想狀態(tài)下箱內(nèi)準(zhǔn)靜態(tài)壓力pqs的理論計(jì)算公式為：

式中：V0=800 L/kg，p0=101.3 kPa，QV=Qe，R=8.314 kPa·L/(mol·K)。

TNT發(fā)生爆炸反應(yīng)時(shí)的方程式為：

箱內(nèi)氣體組成及屬性如表7所示，根據(jù)計(jì)算分析，當(dāng)TNT藥量為80 g 時(shí)，箱內(nèi)氧氣含量足以將所有的碳元素氧化，但當(dāng)TNT藥量為120、160 g 時(shí)，箱內(nèi)氧氣的含量不足以氧化所有的碳元素，因此理論計(jì)算中假設(shè)爆炸產(chǎn)物與氧氣充分燃燒，消耗完箱內(nèi)所有氧氣。結(jié)合式（2）～（6），計(jì)算出氮?dú)夤r下，箱內(nèi)準(zhǔn)靜態(tài)壓力峰值的理論計(jì)算值，如表8所示。

表7 氮?dú)夤r下箱內(nèi)氣體屬性Table 7 Parameters of gasin chamber filled with nitrogen

表8 氮?dú)夤r下各藥量下準(zhǔn)靜態(tài)壓力計(jì)算值Table 8 Calculated results of quasi-static pressure in nitrogen environment

對(duì)比表6、8，箱內(nèi)準(zhǔn)靜態(tài)壓力峰值的理論計(jì)算值和實(shí)驗(yàn)值相近，如圖13所示，發(fā)現(xiàn)理論計(jì)算值均比實(shí)驗(yàn)值大，其原因是實(shí)驗(yàn)中爆轟產(chǎn)物燃燒不充分，導(dǎo)致釋放能量較理論計(jì)算值低。

圖13 氮?dú)夤r下準(zhǔn)靜態(tài)壓力計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比Fig.13 Comparison between calculated resultsand experiment resultsof quasi-static pressurein nitrogen environment

2.2 溫度結(jié)果分析

3種藥量下空氣、水霧和氮?dú)猸h(huán)境中T1傳感器的數(shù)據(jù)對(duì)比如圖14～16所示。氮?dú)鈱?duì)降低箱內(nèi)溫度效果明顯，但與水霧的降溫效果有所差異：當(dāng)溫度達(dá)到峰值之后，在氮?dú)猸h(huán)境中溫度的下降速率低于空氣環(huán)境中的下降速率，而水霧環(huán)境中溫度的下降速率與空氣環(huán)境中相近。結(jié)合表5～6中的等效能量數(shù)據(jù)分析，80 g TNT在空氣環(huán)境中爆炸產(chǎn)物的燃燒比較充分，120、160 g TNT的爆炸產(chǎn)物并未與空氣充分反應(yīng)，單位質(zhì)量炸藥釋放的能量有所降低。由于爆轟過(guò)程釋放的能量基本不受介質(zhì)環(huán)境的影響，可以看出，氮?dú)猸h(huán)境對(duì)爆炸產(chǎn)物燃燒過(guò)程的抑制效應(yīng)明顯；而隨著藥量的增加，爆轟能量所占比例增加，水霧的汽化吸熱效應(yīng)大幅度降低了測(cè)點(diǎn)位置處的溫度。

圖14 80 g TNT 在3種環(huán)境工況下測(cè)點(diǎn)T1處的溫度曲線Fig.14 Temperature-time curves of measuring point T1 in the conditions of 80 g TNT with air,water mist and nitrogen

由于箱內(nèi)爆炸及燃燒過(guò)程中溫度場(chǎng)不均勻，且所布置的溫度傳感器位置也不同，其中T1、T3和T5溫度傳感器距爆炸中心249 mm，T2和T4溫度傳感器距爆炸中心415 mm，各傳感器所記錄的數(shù)據(jù)也存在一定的差異，因此，將距離爆炸中心距離相同的溫度的平均值作為參考數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)果如表9～10所示。發(fā)現(xiàn)相同藥量下水霧環(huán)境中箱內(nèi)的溫度明顯低于空氣環(huán)境中的溫度，水霧對(duì)距離爆炸中心較近區(qū)域的有更好的降溫作用。將距爆炸中心距離相同的各溫度傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行平均處理，結(jié)果如表11～12所示，可以看出氮?dú)猸h(huán)境對(duì)距爆炸中心較近的區(qū)域有更好的降溫作用，而且當(dāng)TNT藥量為80 g 時(shí)，降溫效果最好，整體溫度降低達(dá)到65.53%。其原因是藥量較低時(shí)，爆炸產(chǎn)物較少，由于氮?dú)獾拇嬖趯?dǎo)致箱內(nèi)氧氣濃度較低，使爆炸產(chǎn)物無(wú)法完成與氧氣的充分反應(yīng)。同時(shí)對(duì)比氮?dú)夂退F的降溫效果，發(fā)現(xiàn)整體上氮?dú)獠蝗缢F，其原因是水霧不僅能夠通過(guò)汽化冷卻密閉空間內(nèi)的熱氣體，同時(shí)汽化為水蒸氣之后還降低了箱內(nèi)氧氣的濃度，抑制了進(jìn)一步的燃燒爆炸，使箱內(nèi)溫度明顯降低；而氮?dú)鈨H通過(guò)降低密閉空間內(nèi)氧氣的濃度進(jìn)而抑制爆炸產(chǎn)物與氧氣的反應(yīng)放熱。

表9 水霧和空氣環(huán)境工況不同測(cè)點(diǎn)位置的溫度峰值平均值Table 9 Average valueof temperaturepeaks at different measuring points in water mist and air conditions

表10 水霧工況相較于空氣工況的溫度峰值下降比例Table 10 Proportion of peak temperature drop in water mist condition relative to air conditions

表11 氮?dú)夂涂諝猸h(huán)境工況下不同測(cè)點(diǎn)位置的溫度峰值平均值Table11 Average valueof temperature peaksat different measuring points in water mist and air conditions

表12 氮?dú)夤r相較于空氣工況下溫度峰值下降比例Table 12 Proportion of peak temperaturedrop in nitrogen condition relative to air conditions

圖15 120 g TNT 在3種環(huán)境工況下測(cè)點(diǎn)T1 處的溫度曲線Fig.15 Temperature-time curves of measuring point T1 in the conditionsof 120 g TNT with air, water mist and nitrogen

圖16 160 g TNT 在3種環(huán)境工況下測(cè)點(diǎn)T1處的溫度曲線Fig.16 Temperature-time curves of measuring point T1 in the conditionsof 160 g TNT with air, water mist and nitrogen

2.3 試件變形結(jié)果及分析

結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)不僅與入射沖擊波和反射沖擊波有關(guān)，還跟封閉空間內(nèi)爆炸的準(zhǔn)靜態(tài)壓力有關(guān)，本文中將通過(guò)實(shí)驗(yàn)分別研究水霧和氮?dú)鈱?duì)封閉空間內(nèi)爆炸載荷作用下鋼板動(dòng)態(tài)響應(yīng)的影響。實(shí)驗(yàn)中采用DIC獲取不同載荷下鋼板的撓度-時(shí)間歷程，各工況下試件變形曲線如圖17所示。在封閉空間內(nèi)爆載荷作用下，各試件板的響應(yīng)歷程相似，均在開(kāi)始響應(yīng)后2.5 ms左右達(dá)到初始響應(yīng)峰值，之后發(fā)生回彈并在新的平衡位置處波動(dòng)，且隨著藥量的增加，回彈值和振蕩范圍均逐漸減少。比較空氣和水霧環(huán)境中試件板中點(diǎn)的撓度-時(shí)間曲線，發(fā)現(xiàn)相同藥量下水霧環(huán)境中試件板的初始響應(yīng)峰值和變形穩(wěn)定值均相對(duì)較小。由于水霧環(huán)境中反射沖擊波及準(zhǔn)靜態(tài)壓力相對(duì)空氣環(huán)境較低，其響應(yīng)回彈值較空氣環(huán)境下回彈值偏大。

圖17 空氣和水霧環(huán)境中3種藥量工況下試件板中心點(diǎn)變形歷程對(duì)比Fig.17 Comparison of the mid-point deflection of plates at different charge masses in water mist and air conditions

將試件板中心點(diǎn)響應(yīng)歷程曲線的振蕩階段平衡位置處的值作為試件板中心點(diǎn)的最終變形，在80、120、160 g 等3種藥量下，相對(duì)空氣環(huán)境中試件的響應(yīng)來(lái)看，水霧環(huán)境中的初始峰值變形分別降低了9.7%、8.4%和10.7%，相應(yīng)的最終變形分別降低了17.4%、15.0%和15.9%。由于水霧環(huán)境中準(zhǔn)靜態(tài)壓力較低，最終變形的減小更顯著。氮?dú)猸h(huán)境中試件板的動(dòng)態(tài)響應(yīng)規(guī)律與水霧環(huán)境中相似，160 g TNT 在3種不同環(huán)境中產(chǎn)生的內(nèi)爆載荷作用下鋼板試件的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程如圖18所示。氮?dú)猸h(huán)境中鋼板試件的初始響應(yīng)峰值和振蕩平均值都較其他2種環(huán)境工況中的小，且回彈效應(yīng)更加明顯。

圖18 160 g 藥量下3種不同氣體環(huán)境中試件板中心點(diǎn)的變形歷程Fig.18 Mid-point deflection of platesat 160 g TNT in three different environments

在空爆情況下，結(jié)構(gòu)損傷往往由爆炸沖量引起。而在內(nèi)爆情況下，由于壁面的限制，密閉爆炸載荷的持續(xù)時(shí)間比空爆持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、載荷形式復(fù)雜，很難直接得到內(nèi)爆沖量。為量化水霧和氮?dú)猸h(huán)境中內(nèi)爆載荷對(duì)試件板動(dòng)態(tài)響應(yīng)的影響，以結(jié)構(gòu)變形響應(yīng)相等為前提，采用等效空爆沖量進(jìn)行對(duì)比分析，可計(jì)算得到內(nèi)爆載荷的作用效果。文獻(xiàn)[22-23]中給出了均布爆炸載荷作用下金屬薄板中點(diǎn)變形-厚度比的計(jì)算公式：

式中：I為爆炸載荷沖量；δ為板的中點(diǎn)變形；h和L分別為板的厚度和邊長(zhǎng)；ρ 和σy分別為材料的密度和屈服應(yīng)力，其中ρ=7.83 g/cm3。

根據(jù)式（7）可以得到內(nèi)爆載荷作用下的等效沖量：

金屬薄板在爆炸載荷作用下的響應(yīng)具有飽和特性，當(dāng)金屬板受到足夠長(zhǎng)時(shí)間的爆炸載荷時(shí)，金屬板會(huì)發(fā)生較大的塑性變形，當(dāng)其變形值遠(yuǎn)大于板厚時(shí)，由于面內(nèi)膜力作用使其受載能力增強(qiáng)，因此后續(xù)的載荷不會(huì)對(duì)板的變形產(chǎn)生影響。由圖17可知，各工況下的試件板中心點(diǎn)變形達(dá)到初始峰值的時(shí)間幾乎一致，這是因?yàn)樵趦?nèi)爆載荷作用下，金屬板變形達(dá)到最大時(shí)的時(shí)間僅與板長(zhǎng)度、材料密度和屈服強(qiáng)度等因數(shù)有關(guān)[24]。將實(shí)驗(yàn)中的各項(xiàng)數(shù)據(jù)代入到式（8）中，可以得到各工況下的等效沖量，進(jìn)而計(jì)算出試件板在飽和響應(yīng)時(shí)間內(nèi)受到的等效平均壓力pa，計(jì)算結(jié)果如表13所示。飽和響應(yīng)時(shí)間內(nèi)的等效壓力可以定量反應(yīng)出水霧和氮?dú)猸h(huán)境對(duì)密閉空間內(nèi)爆炸載荷抑制的“時(shí)效性”。

由表13中的數(shù)據(jù)可以看出，水霧環(huán)境對(duì)試件板在飽和響應(yīng)時(shí)間內(nèi)受到的等效平均壓力有良好的減弱作用，3種不同藥量的壓力下降比例分別為21.7%、17.6%、10.6%；氮?dú)猸h(huán)境中120、160 g TNT工況中等效平均壓力的降低比例分別為32.7%和19.2%。從以上分析發(fā)現(xiàn)，在試件的飽和響應(yīng)時(shí)間內(nèi)，水霧和氮?dú)饩軐?duì)爆炸載荷進(jìn)行及時(shí)和有效的抑制，且氮?dú)獾囊种菩Ч麅?yōu)于水霧的。水霧和氮?dú)舛际峭ㄟ^(guò)抑制爆炸產(chǎn)物的燃燒釋放能量降低艙內(nèi)爆炸載荷中的反射沖擊波和準(zhǔn)靜態(tài)壓力，但二者發(fā)揮效能的過(guò)程不同：水霧是通過(guò)破碎、汽化吸收熱量，產(chǎn)生的水蒸氣稀釋氧氣濃度來(lái)抑制爆炸產(chǎn)物的燃燒能量釋放；而氮?dú)鈩t是直接抑制爆炸產(chǎn)物的燃燒能量釋放。從時(shí)效性來(lái)說(shuō)，水霧的汽化需要一定的時(shí)間，且汽化時(shí)間與水霧粒徑大小有關(guān)。此外，懸浮在空氣中的水霧存在飽和度上限，超過(guò)一定濃度后，水霧顆粒之間將會(huì)融合形成水滴，質(zhì)量增加而附著在艙室內(nèi)壁，對(duì)爆炸載荷的抑制效果大幅減弱，但隨著水滴的持續(xù)揮發(fā)，降溫效果依然明顯。

表13 空氣和水霧環(huán)境工況下內(nèi)爆載荷的等效沖量Table 13 Equivalent impulse of confined-blast loading at different chargemassesin water mist and air conditions

3 結(jié) 論

為研究水霧和氮?dú)鈱?duì)密閉空間內(nèi)TNT爆炸載荷和結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響，開(kāi)展了3種藥量TNT在空氣、水霧和氮?dú)猸h(huán)境內(nèi)爆炸的實(shí)驗(yàn)研究。對(duì)所記錄的爆炸載荷壓力、溫度及試件板響應(yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析和比較，得到以下結(jié)論。

（1）空氣環(huán)境中，爆炸產(chǎn)物在起爆幾毫秒之內(nèi)的燃燒效應(yīng)能顯著增強(qiáng)箱內(nèi)的準(zhǔn)靜態(tài)壓力峰值，而采用水霧和氮?dú)饽軌蛴行б种票óa(chǎn)物的燃燒過(guò)程和能量釋放，對(duì)準(zhǔn)靜態(tài)壓力峰值的平均降幅分別為36.0%和51.7%。

（2）從作用過(guò)程分析，在沖擊波作用下，水霧是通過(guò)破碎、汽化吸收熱量，同時(shí)汽化形成的水蒸氣降低了箱內(nèi)氧氣的濃度，抑制了進(jìn)一步的燃燒反應(yīng)，從而降低了箱內(nèi)的爆炸載荷；氮?dú)鈩t直接抑制了爆炸產(chǎn)物的燃燒能量釋放，從而降低了箱內(nèi)的爆炸載荷。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，水霧和氮?dú)鈱?duì)溫度的平均降幅分別為42.6%和40.3%，水霧對(duì)箱內(nèi)準(zhǔn)靜態(tài)壓力的減弱能力比氮?dú)馊?，但降溫效果比氮?dú)夂?，這是因?yàn)樗F對(duì)爆炸產(chǎn)物燃燒效應(yīng)的抑制能力不如氮?dú)?，但水霧能額外吸收熱量從而降低箱內(nèi)溫度。

（3）與空氣環(huán)境相比，水霧和氮?dú)猸h(huán)境的爆炸工況中鋼板試件的最大響應(yīng)和最終變形均顯著減小，其中160 g藥量下，水霧和氮?dú)猸h(huán)境工況下鋼板試件的最終變形分別減少了15.9%和23.5%。說(shuō)明在試件的飽和響應(yīng)時(shí)間內(nèi)，水霧和氮?dú)饩軐?duì)爆炸載荷進(jìn)行及時(shí)和有效的抑制，且氮?dú)獾囊种菩Ч麅?yōu)于水霧的。在時(shí)效性方面，水霧的汽化需要一定的時(shí)間，且汽化時(shí)間與水霧粒徑大小有關(guān)。此外，懸浮在空氣中的水霧存在飽和度上限，超過(guò)一定濃度后，水霧顆粒會(huì)融合形成水滴，導(dǎo)致質(zhì)量增加而附著在艙室內(nèi)壁，對(duì)爆炸載荷的抑制效果大幅度降低。

（4）從本文的研究結(jié)果來(lái)看，基于封閉空間內(nèi)爆炸載荷的特點(diǎn)從而采取針對(duì)性的措施，可有效降低結(jié)構(gòu)的響應(yīng)，相當(dāng)于提高了結(jié)構(gòu)對(duì)相同藥量載荷的抵御能力。這種思路可對(duì)艦船艙室結(jié)構(gòu)抗爆設(shè)計(jì)提供一定的參考。

值得注意的是，沖擊波在水霧-空氣和氮?dú)?空氣混合介質(zhì)中傳播時(shí)，介質(zhì)的密度、比內(nèi)能等物理參數(shù)將對(duì)沖擊波產(chǎn)生顯著的影響。本文的研究工作并未深入細(xì)致的考慮這類影響因素，將在今后的工作中開(kāi)展深入的分析。