水下爆炸冲击波和气泡行为自由面效应的实验研究

方厚林 卢强 郭权势 李国亮 刘存旭 陶思昊 张德志

方厚林, 卢强, 郭权势, 李国亮, 刘存旭, 陶思昊, 张德志. 水下爆炸冲击波和气泡行为自由面效应的实验研究[J]. 爆炸与冲击. doi: 10.11883/bzycj-2024-0003
引用本文: 方厚林, 卢强, 郭权势, 李国亮, 刘存旭, 陶思昊, 张德志. 水下爆炸冲击波和气泡行为自由面效应的实验研究[J]. 爆炸与冲击. doi: 10.11883/bzycj-2024-0003
FANG Houlin, LU Qiang, GUO Quanshi, LI Guoliang, LIU Cunxu, TAO Sihao, ZHANG Dezhi. Experimental research on the free surface effect of shock wave and bubble behavior of small yield underwater explosion[J]. Explosion And Shock Waves. doi: 10.11883/bzycj-2024-0003
Citation: FANG Houlin, LU Qiang, GUO Quanshi, LI Guoliang, LIU Cunxu, TAO Sihao, ZHANG Dezhi. Experimental research on the free surface effect of shock wave and bubble behavior of small yield underwater explosion[J]. Explosion And Shock Waves. doi: 10.11883/bzycj-2024-0003

水下爆炸冲击波和气泡行为自由面效应的实验研究

doi: 10.11883/bzycj-2024-0003
详细信息
    作者简介:

    方厚林(1987- ),男,硕士,副研究员,fanghoulin@nint.ac.cn

    通讯作者:

    张德志(1973- ),男,博士,研究员,zhangdezhi@nint.ac.cn

  • 中图分类号: O382.1

Experimental research on the free surface effect of shock wave and bubble behavior of small yield underwater explosion

  • 摘要: 为研究自由面对水下爆炸冲击波、气泡行为和由气泡与自由面强耦合作用形成水幕的影响,设计了小当量PETN球形装药近水面水下爆炸实验系统,开展了5种典型工况水下爆炸实验,采用高速相机和压力传感器分别获取了气泡和水幕形态演变过程、水中测点压力时间历程。根据冲击波、气泡时序特征分别分析了其自由面效应,冲击波主要变现为截断效应,气泡与自由面相互作用,表现为复杂的气泡形态演化和水幕生成及演化,通过高速图像结合压力时间历程分析,进一步从气泡水平半径、中心偏移位移和水幕最大高度定量分析气泡自由面效应。结果表明:随着爆深的减小,水面反射波程差减小,自由面对冲击波的截断效应增强,即冲击波正压作用时间减小,实测截断时间差与计算时间差最大偏差为6.81%;随着比例爆深减小,自由面效应加剧,气泡和水幕形态趋于复杂化;气泡由球形演变为卵形以及更加复杂的形态,水幕由单一的水冢,逐渐转变为水冢-顶端飞溅水柱、水冢-垂直喷射水柱-水射流等复杂形态;气泡水平半径从第二个脉动周期不再保持脉动特征过渡到第一个脉动周期,甚至到第一次气泡膨胀阶段;气泡水平半径中心偏移位移呈现出两段式变化规律,在前期偏移位移快速增加阶段(偏移位移范围0~20 mm),4种比例爆深偏移位移呈现出近似线性变化规律,线性系数相近。研究内容对于近自由面水下爆炸效应研究和相关数值计算具有一定参考价值。
  • 图  1  实验系统组成示意图

    Figure  1.  The experimental system composition schematic diagram

    图  2  典型压力时间历程曲线(d=215 mm)

    Figure  2.  Typical pressure history curve

    图  3  不同爆深实验压力时间历程曲线

    Figure  3.  The pressure history curves of different detonation depth experiments

    图  4  γ=2.450水幕和气泡演变过程高速图像

    Figure  4.  High-speed images of water plumes and bubble evolution when γ=2.450

    图  5  γ=1.379水幕和气泡演变过程高速图像 (a)~(g)为水幕演变图像,(h)~(p)为气泡演变图像

    Figure  5.  High-speed images of water plumes and bubble evolution when γ=1.379, (a)~(g) are evolution images of water plumes, (h)~(p) are evolution images of bubble

    图  6  γ=0.960水幕和气泡演变过程高速图像 (a)~(g)为水幕演变图像,(h)~(q)为气泡演变图像

    Figure  6.  High-speed images of water plumes and bubble evolution when γ=0.960, (a)~(g) are evolution images of water plumes, (h)~(q) are evolution images of bubble

    图  7  γ=0.300水幕和气泡演变过程高速图像 (a)~(j)为水幕演变图像,(k)~(s)为气泡演变图像

    Figure  7.  High-speed images of water plumes and bubble evolution when γ=0.300, (a)~(j) are evolution images of water plumes, (k)~(s) are evolution images of bubble

    图  8  γ=0.172水幕和气泡演变过程高速图像 (a)~(h)为水幕演变图像,(i)~(r)为气泡演变图像

    Figure  8.  High-speed images of water plumes and bubble evolution when γ=0.172, (a)~(h) are evolution images of water plumes, (i)~(r) are evolution images of bubble.

    图  9  不同比例爆深下气泡水平半径、中心偏移位移随时间变化曲线

    Figure  9.  The bubble-horizontal-radius and center-offset-displacement curves of different detonation depth experiments

    图  10  不同比例爆深下水幕高度随时间变化曲线

    Figure  10.  The plume height curves of different scaled detonation depths

    表  1  实验工况信息

    Table  1.   Information of experiments

    序号当量W/g水深/mmd /mmRm/mmγ
    11.0900380155.12.450
    21.0735215155.91.379
    31.0670150156.20.960
    41.056747156.80.300
    51.054727156.90.172
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    表  2  截断时间差分析

    Table  2.   Analysis of truncated time difference

    序号 d /mm 峰值时间/ms 截断压力时间/ms 截断时间差/ms 水面反射波程差/mm 波程差计算时间差/ms 测量时间差偏差/%
    2 215 0.1512 0.3207 0.1695 238.1 0.1587 6.81
    3 150 0.1504 0.2392 0.0888 132.7 0.0884 0.40
    4 47 0.1525 0.1638 0.0113 16.8 0.0112 1.05
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出版历程
  • 收稿日期:  2024-01-02
  • 修回日期:  2024-06-30
  • 网络出版日期:  2024-07-01

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