［摘 要］ 為探究孔間距對氣泡帷幕消波能力的影響效果，設(shè)計孔間距分別為2、 5、 8、 11 cm的4種氣泡帷幕發(fā)生器，分析不同孔間距的氣泡帷幕對水中沖擊波衰減的影響。以爆源與傳感器相距60 cm、氣泡帷幕處于爆源與傳感器之間并距爆源水平距離50 cm作為實驗工況，發(fā)現(xiàn)氣流量的增加會提高相同孔間距的氣泡帷幕對沖擊波的衰減效果，并且在氣流量達到40 L/min后，4種氣泡帷幕的消波效果會趨于穩(wěn)定。氣流量相同時，隨著爆源入水深度的增加，氣泡帷幕的防護能力出現(xiàn)先上升、后下降的情況，4種氣泡帷幕均在爆源入水深度60 cm時防護效果最好。對相同氣流量下不同孔間距的氣泡帷幕進行對比，當氣流量為60 L/min時，孔間距從大到小排序，消波能力依次為54.80%、 61.40%、 88.56%、 89.27%，表明孔間距的縮小會提高氣泡帷幕的消波能力;孔間距在5 cm之后繼續(xù)縮小，氣泡帷幕的防護效果提升不再明顯?？组g距縮小，沖擊波的比沖量也會隨之降低，從而大幅度削弱炸藥爆炸后到達目標后的能量，減小對被保護物的破壞能力。

［關(guān)鍵詞］ 氣泡帷幕；孔間距；水中沖擊波；比沖量

［分類號］ TV542.5

Influence of Bubble Curtains with Different Hole Spacing on the Attenuation Characteristics of Shock Waves in Water

LU Shaofeng①， WU Hongbo②， MA Chengshuai②， WANG Yinjun③， LI Jirui①

① Guangxi New Harbor Engineering Co.， Ltd. （Guangxi Fangchenggang， 538000）

② School of Chemical and Blasting Engineering， Anhui University of Science and Technology （Anhui Huainan， 232000）

③ BGRIMM Technology Group （Beijing， 100160）

［ＡＢＳＴＲＡＣＴ］ In order to explore the effect of hole spacing on the wave attenuation ability of bubble curtains， four different bubble curtain generators with hole spacing of 2， 5， 8 cm and 11 cm were designed， and the attenuation effect of bubble curtains with different hole spacing on shock waves in water was analyzed. Taking the distance between the explosion source and the sensor as 60 cm， and the bubble curtain located between the explosion source and the sensor at a horizontal distance of 50 cm from the explosion source as the experimental conditions， it was found that an increase in air flow rate would enhance the attenuation effect of the bubble curtain with the same hole spacing on shock waves. Moreover， after the air flow rate reaches 40 L/min， the wave attenuation effect of the four types of bubble curtains will tend to stabilize. When the air flow rate is the same， as the depth of the explosion source entering the water increases， the protective ability of the bubble curtain first increases and then decreases. All the four types of bubble curtains have the best protective effect when the depth of the explosion source entering the water is 60 cm. The wave attenuation ability of bubble curtains with different hole spacing under the same air flow rate was compared. When the gas flow rate is 60 L/min， the corresponding wave attenuation ability of the inter hole spacing from large to small is 54.80%， 61.40%， 88.56%， and 89.27%， respectively. This indicates that reducing the inter hole spacing will improve the wave attenuation ability of the bubble curtain. If the spacing between holes continues to decrease from 5 cm， the wave elimination ability of the bubble curtain will no longer significantly improve. As the hole spacing decreases， the specific impulse of the shock wave will also decrease， greatly wea-

kening the energy of the explosive after reaching the target and reducing its ability to damage the protected object.

［KEYWORDS］ bubble curtain; hole spacing; shock wave in water; specific impulse

0 引言

由于水的密度大，且?guī)缀醪豢蓧嚎s，使得水中沖擊波在傳遞過程中衰減程度低。相同的藥量下，水下爆炸的毀傷能力要強于空中爆炸。因此，水下爆炸防護技術(shù)一直是科研人員研究的重點。為了降低水下爆炸沖擊波對周圍物體造成的破壞，目前的主流方法是在爆源與被保護對象之間設(shè)置一層或數(shù)層氣泡帷幕。氣泡帷幕技術(shù)在工程實踐中有著良好的效果。研究表明，氣泡帷幕對水中沖擊波的衰減率可達90%。

氣泡帷幕最早由加拿大工程師Adolph提出，并在加拿大Oratario水電站水下爆破施工中得以應(yīng)用，對水中沖擊波衰減有明顯效果［1］。隨后，氣泡帷幕裝置大量應(yīng)用于各種水下爆破施工。胡偉才等［2］通過數(shù)值模擬，采用正交實驗分析了氣泡帷幕數(shù)量、間距、防護距離3種因素對水中沖擊波的衰減效果的影響。模擬顯示：氣泡帷幕的層數(shù)對沖擊波衰減影響最大；間距次之；防護距離影響最小。司劍峰［3］選擇氣泡帷幕中不同的氣泡數(shù)量對水中沖擊波衰減效果的影響進行模擬。結(jié)果表明：單位面積內(nèi)氣泡含量越多，水中沖擊波峰值壓力在經(jīng)過氣泡帷幕后的衰減程度越大；當氣泡含量到達一定數(shù)量后，防護能力幾乎不再變化，此時，氣泡帷幕防護能力趨于穩(wěn)定。謝金懷等［4］通過氣泵法產(chǎn)生氣泡帷幕，利用共振譜法探究氣泡產(chǎn)生、分布的規(guī)律，發(fā)現(xiàn)氣流量大的條件下，氣泡帷幕對聲波的衰減能力較好。劉天云等［5］通過LS-DYNA軟件研究了氣泡帷幕對水中沖擊波峰值壓力的削減效果，發(fā)現(xiàn)氣泡帷幕的位置對水中沖擊波的削弱效果影響較小。賈虎等［6］將纖維爆炸索爆炸后產(chǎn)生的氣體作為氣泡帷幕，對沖擊波峰值壓力的衰減率超過60%，表明爆炸氣泡帷幕也能作為一種有效的防護手段。胡亞峰等［7］針對實驗水池強度設(shè)計問題，采用數(shù)值模擬對氣泡帷幕削弱水中沖擊波的能力進行分析，發(fā)現(xiàn)氣泡帷幕對壁面反射沖擊波的衰減率超過85%，對沖擊波比沖量的削減率超過75%，能保證水池的性能穩(wěn)定。孫文豪等［8］針對大連灣海底隧道開挖實際情況，采用氣泡帷幕對沖擊波進行消波實驗，結(jié)果顯示，氣泡帷幕能夠大幅度降低水中沖擊波的峰值壓力。張兵文等［9］采用氣泡帷幕對某船塢塢口周邊炸礁工程進行防護，將沖擊波壓力衰減了90.77%，保證了船塢和碼頭的安全。Gao等［10］利用Comsol Multiphysics有限元分析軟件對氣泡帷幕降噪效果進行研究，結(jié)果表明，氣泡帷幕能有效降低噪聲分貝。Feely等［11］采用聲學(xué)氣泡帷幕對水池中的魚類進行阻滯實驗，結(jié)果表明，聲學(xué)氣泡帷幕能明顯地阻斷鯉魚運動行為。

綜上所述，國內(nèi)外對氣泡帷幕防護技術(shù)都進行了一些探索，但多數(shù)采用數(shù)值模擬進行研究，容易與實際規(guī)律產(chǎn)生偏差；且在實際工程應(yīng)用中，氣泡帷幕防護設(shè)備的布置時間長，使用時容易受到氣流量、防護距離、水流速度不斷變化等因素的影響，導(dǎo)致得出的結(jié)論不夠準確。因此，采取小型化設(shè)計，可減少布置的時間，并能有效控制實驗條件外的不利因素帶來的影響，保證數(shù)據(jù)的準確性。氣泡帷幕對沖擊波的防護能力與多種因素有關(guān)?？组g距是氣泡帷幕發(fā)生器設(shè)計的重要參數(shù)。不同孔間距的氣泡帷幕發(fā)生器生成的氣泡帷幕對水中沖擊波的削弱能力還有待研究。

以不同孔間距這一變量作為主要研究對象，結(jié)合氣流量和爆源入水深度的改變，探究相同當量炸藥爆炸后，氣泡帷幕存在下水中沖擊波的衰減情況，綜合分析孔間距對氣泡帷幕消波能力的影響，為相關(guān)工程應(yīng)用提供參考。

1 實驗設(shè)計

1.1 實驗裝置

在水下氣泡帷幕專用測試系統(tǒng)中進行實驗。該裝置長1.2 m、寬1.2 m、高1.3 m，使用金屬合金作為裝置主體材料，并配有鄰側(cè)雙邊大面積透光防爆玻璃，厚度約39 mm，透光率92.7%，滿足實驗藥量爆炸后所需的強度。

氣泡帷幕發(fā)生裝置主要由氣體調(diào)控系統(tǒng)及氣泡帷幕發(fā)生器組成。氣體調(diào)控系統(tǒng)用于儲存和釋放氣體，并可以調(diào)節(jié)氣體壓力及氣流量大??；氣泡帷幕發(fā)生器管長1.0 m，孔徑0.9 mm，下方的磁石吸附結(jié)構(gòu)能有效地將氣泡帷幕管固定在測試裝置底部，保證每次實驗后氣泡帷幕管位置不發(fā)生變化。

實驗測試系統(tǒng)主要包括：W138A06型水下激波壓力傳感器，PCB公司；482A22型恒流源、HD O4034A型示波器，Teledyne Lecroy公司；計算機。爆源采用8#工業(yè)雷管，起爆方式為起爆器起爆。

1.2 實驗工況

將氣泡帷幕發(fā)生器置于測試裝置底部，安放在爆源與傳感器之間，距離爆源水平距離50 cm；水深100 cm，爆源與水下壓力傳感器相距60 cm，且傳感器入水深度與爆源相同；氣體壓力大小由壓力調(diào)節(jié)裝置控制，維持在0.25 MPa左右。實驗裝置如圖1所示。

采用4種不同孔間距的氣泡帷幕發(fā)生器、不同氣流量及不同入水深度的爆源作為實驗變量，探究沖擊波峰值壓力在穿過氣泡帷幕后的衰減情況，并對比相同氣流量下不同孔間距的氣泡帷幕對沖擊波衰減的影響。

2 結(jié)果與分析

2.1 氣流量對水中沖擊波衰減的影響

選取孔間距分別為2、 5、 8、 11 cm 4種氣泡帷幕發(fā)生器，爆源入水深度70 cm，對應(yīng)生成的氣泡帷幕編號分為別1#、 2#、 3#、 4#。采用不同氣流量的氣泡帷幕進行進行實驗，不同孔間距下水中沖擊波的壓力時程曲線如圖2所示。

實驗前，空測2發(fā)雷管作為空白實驗組。測得空白組平均峰值壓力為7.08 MPa，與理論計算相同，表明實驗儀器精確度良好，可以很好地反映測試結(jié)果。實驗結(jié)果表明，其他條件相同時，氣流量越大，水中沖擊波峰值壓力的衰減越明顯。氣流量為10 L/min時，1#氣泡帷幕對應(yīng)的沖擊波峰值壓力從7.08 MPa衰減為4.14 MPa，衰減率為41.52%；2#氣泡帷幕對應(yīng)的沖擊波峰值壓力衰減至4.52 MPa，衰減率為36.16%；3#和4#氣泡帷幕對應(yīng)的沖擊波峰值壓力分別衰減為6.74 MPa和6.78 MPa，變化較小。因為氣流量較低時，孔間距大的氣幕管難以形成一道封閉的氣幕墻，沖擊波容易直接穿過防護層，導(dǎo)致氣泡帷幕無法達到消波效果。將氣流量提高為20 L/min，4種不同氣泡帷幕發(fā)生器所形成的氣泡帷幕對水中沖擊波有了更進一步的削弱。1#與2#氣

泡帷幕使沖擊波峰值壓力分別降低為2.55 MPa和3.04 MPa；3#氣泡帷幕使沖擊波峰值壓力降為5.66" MPa。表明在該氣流量下，孔間距8 cm的氣泡帷幕管生

成的氣幕墻已經(jīng)基本封閉，沖擊波峰值壓力開始受到氣泡帷幕作用而衰減。氣流量提高至30 L/min，

1#、 2#、 3#、 4#氣泡帷幕使沖擊波峰值壓力分別降低至1.75、 1.93、 4.11、 5.87 MPa。此時，孔間距11 cm的氣泡帷幕發(fā)生器開始正常工作。氣流量在40 L/min時，1#、 2#、 3#、 4#氣泡帷幕使沖擊波峰值壓力分別降為1.15、1.33、 3.10、 3.84 MPa。此時，4種氣泡帷幕對沖擊波的削弱能力趨于穩(wěn)定。氣流量到達60 L/min后，1#、 2#、 3#、 4#氣泡帷幕使沖擊波峰值壓力分別降低為0.76、 0.81、 2.73、 3.21 MPa；其中，4#氣泡帷幕對水中沖擊波衰減率為54.8%；4種氣泡帷幕對沖擊波峰值壓力衰減幅度均超過50%。

氣流量的改變所帶來的消波效果差異的主要原因是有效防護區(qū)域氣泡數(shù)量的不同。通常情況下，沖擊波與傳感器兩點連線周圍的區(qū)域為有效防護區(qū)域。以孔間距11 cm為例，氣流量小于30 L/min時，氣泡帷幕墻還未封閉，在有效區(qū)域的氣泡數(shù)量較少，氣泡帷幕未能起到足夠的消波效果；當氣流量進一步提高，更多的氣泡停留在這一區(qū)域，從而消波效果得到快速提高；氣流量在40 L/min后，進一步提高氣流量時，由于流速也隨之提高，駐留在有效區(qū)域的氣泡會被后續(xù)產(chǎn)生的氣泡快速頂替，導(dǎo)致區(qū)域內(nèi)氣泡數(shù)量難以增加，消波能力逐漸不發(fā)生變化。實際應(yīng)用中，可以增大氣流量來保證氣幕墻封閉，以保證防護效果。

2.2 "爆源入水深度對水中沖擊波衰減的影響

選取氣流量40 L/min作為不變因素，采用爆源入水深度分別為40、 50、 60、 70 cm 4種方案進行對比，峰值壓力變化如表1所示。

由表1可得，孔間距相同時，隨著爆源入水深度的不同，氣泡帷幕的消波作用都會發(fā)生改變。以孔間距為2 cm的氣泡帷幕為例，入水深度由40 cm上升至50 cm時，峰值壓力從1.67 MPa降低為1.10 MPa；入水深度為60 cm時，峰值壓力進一步降低為1.00 MPa；當入水深度提高為70 cm時，氣泡帷幕防護能力開始下降，此時沖擊波峰值壓力上升為1.15 MPa。實驗結(jié)果顯示，不論是何種孔間距的氣泡帷幕，對水中沖擊波的防護能力均存在隨著爆源入水深度的增加先上升、后下降的規(guī)律，且4種氣泡帷幕對沖擊波的防護效果均在爆源入水深度為60 cm時最好。

2.3 孔間距對水中沖擊波衰減的影響

以不同孔間距的氣泡帷幕作為變量，對比不同氣流量下的氣泡帷幕在爆源入水深度70 cm時對水中沖擊波衰減的影響情況，峰值壓力變化如圖3所示。

不論在何種氣流量下，孔間距的縮小都會提高氣泡帷幕對水中沖擊波的削弱能力。當氣流量為30 L/min時，4#氣泡帷幕對沖擊波的衰減率為17.09%；3#氣泡帷幕對沖擊波的衰減率為41.95%，防護效果較4#漲幅達到145.46%；2#氣泡帷幕對沖擊波的衰減率為72.74%，防護效果較3#漲幅325.63%；1#氣泡帷幕對沖擊波的衰減率為75.28%，防護效果較2#漲幅3.37%。氣流量為60 L/min，4#氣泡帷幕對沖擊波的衰減率為54.80%；3#氣泡帷幕對沖擊波的衰減率為61.40%，防護效果較4#漲幅12.00%；2#氣泡帷幕對沖擊波的衰減率為88.56%，防護效果較4#漲幅61.61%；1#氣泡帷幕的消波率為89.27%，防護效果較4#漲幅62.90%。4#氣泡帷幕在消波效果能力上限僅為50%左右，遠遠低于孔間距為2 cm的氣泡帷幕的防護上限。表明相同氣流量下，產(chǎn)生氣泡帷幕的孔間距越小，對水中沖擊波的衰減效果越好，防護效果越明顯。氣泡帷幕孔產(chǎn)生的氣泡帷幕柱相互疊加是該規(guī)律出現(xiàn)的主要原因，單個氣泡帷幕孔形成的氣泡帷幕柱整體呈現(xiàn)倒錐形態(tài)［12］，孔間距的縮小會更容易形成氣泡疊加區(qū)域，如圖4所示。

當有效防護區(qū)域處于氣泡疊加區(qū)域時，有效氣泡數(shù)量相比未疊加區(qū)域有所增多，此時反射和折射沖擊波能量的次數(shù)也會相應(yīng)增加，防護效果隨之提高。當孔間距增大時，氣泡帷幕柱的疊加區(qū)域會有所降

低，甚至?xí)霈F(xiàn)僅有1個孔所產(chǎn)生的氣泡帷幕柱在有效防護區(qū)域內(nèi)的情況，導(dǎo)致防護效果不理想。

2.4 水中沖擊波的比沖量

水下爆炸的危害不僅僅是水中沖擊波壓力引起的，還與到達被保護物的能量有關(guān)。對氣流量為50 L/min、爆源入水深度70 cm時的沖擊波壓力曲線進行積分，可得到4種不同孔間距的氣泡帷幕存在下待測點受到的沖擊波比沖量

I=tbtap（t）dt。（1）

式中：ta為沖擊波到達時間;tb為沖擊波的結(jié)束時間，一般取值為ta +6.7θ;θ為時間常數(shù)，指爆炸沖擊波壓力時程中由峰值壓力pm衰減為pm/e所用的時間；e為沖擊波衰減時間常數(shù)，取值2.718 3。

由此得到的比沖量時程曲線見圖5。

由圖5可以看出：孔間距為2 cm的氣泡帷幕管生成的氣泡帷幕對沖擊波能量的防護效果最好，沖擊波到達傳感器所在位置10 μs內(nèi)，最大比沖量為7.98 kPa·μs;而孔間距為5、 8、 11 cm的氣泡帷幕管對應(yīng)的沖擊波最大比沖量分別為41.05、105.64、151.62 kPa·μs。表明孔間距越小，氣泡帷幕對沖擊波比沖量的削減效果越明顯，爆破后到達目標區(qū)域的沖擊波能量越少。

3 結(jié)論

針對不同孔間距氣泡帷幕對水中沖擊波的削弱能力，采用小型化實驗對氣泡帷幕的消波能力進行了系統(tǒng)性研究：

1）對相同孔間距的氣泡帷幕進行不同氣流量的沖擊波防護能力研究，發(fā)現(xiàn)隨著氣流量的增加，相同孔間距的氣泡帷幕消波效果也會隨之提高。在60 L/min氣流量下，孔間距為2 cm的氣泡帷幕對水中沖擊波的衰減率達89.27%；氣流量達到40 L/min后，4種氣泡帷幕對水中沖擊波的削弱能力逐漸趨于穩(wěn)定，表明在該氣流量下，氣泡帷幕的防護效果達到飽和。

2）氣泡帷幕對水中沖擊波的削弱能力會隨著爆源的入水深度的改變而變化。其他條件相同時，隨著爆源的入水深度的增加，氣泡帷幕對水中沖擊波的防護能力呈現(xiàn)先上升、后下降的規(guī)律，且最優(yōu)的防護深度幾乎相同。氣泡帷幕對水中沖擊波峰值壓力的衰減率在爆源入水深度60 cm時最好。

3）將孔間距分別為2、 5、 8、 11 cm的氣泡帷幕對沖擊波壓力的削減效果進行對比。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，不論在何種氣流量條件下，孔間距越小的氣泡帷幕對水中沖擊波的削減效果越好，且對水中沖擊波的防護效果上限越高。但孔間距在5 cm之后繼續(xù)縮小，氣泡帷幕的消波效果提升不大。考慮到經(jīng)濟效益，實際應(yīng)用中應(yīng)合理選擇氣泡帷幕發(fā)生器的孔間距來增強防護效果。

4）孔間距的改變會大幅度影響氣泡帷幕對水中沖擊波比沖量的削減能力。氣流量為50 L/min時，孔間距為2 cm的氣泡帷幕在10 μs后使沖擊波的比沖量降為7.98 kPa·μs，表明小孔間距的氣泡帷幕能更有效地降低沖擊波能量。

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收稿日期：2023-10-11

基金項目：廣西重點研發(fā)計劃（桂科AB22035001）

第一作者：陸少鋒（1965—），男，高級工程師，主要從事港口與航道工程水下爆破技術(shù)方面的研究。E-mail：390312861@qq.com