柱形裝藥自由場水中爆炸氣泡的射流特性*

黃 超，汪 斌，張遠平，劉倉理，姚熊亮

(1.哈爾濱工程大學船舶工程學院，黑龍江 哈爾濱150001;2.中國工程物理研究院流體物理研究所沖擊波物理與爆轟物理國防科技重點實驗室，四川 綿陽621900)

炸藥水中爆炸后，高溫、高壓狀態下的爆轟產物以氣泡的形式留在水中繼續運動，通常情況下氣泡同時存在3 種運動:脈動、遷移和變形。氣泡的脈動即氣泡作周期性的膨脹和收縮，是氣泡與周圍流場進行能量交換的體現，當氣泡脈動頻率與船體固有頻率接近時，可能導致船體產生嚴重的鞭狀起伏運動，造成船體總縱強度破壞和船載低頻設備損傷;氣泡在浮力作用下的向上遷移使氣泡最終竄出水面破裂，可能產生巨大的水冢，沖擊船體水面以上的結構和人員;變形運動使氣泡坍塌時呈蘑菇狀，在許多情況下氣泡的劇烈變形將形成高速水射流穿透氣泡，產生聚能效應。水中爆炸氣泡形成的射流有兩類:一類是自由場爆炸時，氣泡上下表面壓差不一致導致坍塌產生的向上噴射的射流，另一類是氣泡運動受到附近邊界(自由面、剛性邊界或彈性邊界)影響導致坍塌產生的射流，且射流的方向與邊界性質、距離等因素有關。近年來的研究表明，近場非接觸水中爆炸對艦船造成嚴重的威脅［1］，而射流是其載荷的重要組成部分，研究射流規律，利用氣泡能量對艦船目標進行毀傷打擊，已成為研究人員越來越關心的問題。

高速攝影可以獲得水中爆炸氣泡的產生、脈動和潰滅的完整動態過程，是研究氣泡動態特性的重要工具。近年來高速數字攝影技術已被引入水中爆炸研究，獲得了大量氣泡脈動和射流的數據［2-4］。然而，現有的水中爆炸研究成果大多是基于球形裝藥水中爆炸實驗和球對稱運動理論，而在實際應用中很多情況下用到的是柱形裝藥，一般也不采用中心對稱起爆，產生的流場運動規律與球形裝藥的有一定區別。目前柱形裝藥水中爆炸產生的氣泡動態特性尚不明確，而氣泡在邊界附近形成射流的機制在很大程度上受到邊界性質(如剛度、慣量等因素)的影響，是一個尚在研究中的課題［5］。本文中，采用高速數字攝影方法研究柱形裝藥自由場水中爆炸氣泡的運動，試圖得到與氣泡在自由場中形成射流有關的一些特殊性質。

1 實驗設計

實驗選在水箱中開展，由于水箱為有限水域，為了減小沖擊波的邊界效應，在水箱內壁貼上一層20 mm厚的低阻抗吸能材料。另外，觀測窗口由PMMA 制成，具有與水介質相近的聲阻抗，能盡量減少沖擊波反射。對于淺水中的氣泡脈動現象，以太陽光作為光源就能滿足拍攝要求。實驗裝置如圖1 所示，水箱尺寸為2 m×2 m×2 m，柱形裝藥置于水箱中心，以此位置為坐標原點。采用等截面的PETN 圓柱，端面起爆，高速攝影機的拍攝速度為4 500 s－1，3 個PCB138A 壓力傳感器位于裝藥同一深度距裝藥中心D=0.5 m 處，圖2 為最大藥量工況5 中壓力傳感器記錄的沖擊波和氣泡脈動壓力信號，曲線中沒有明顯的壁面反射沖擊波信號，說明水箱內壁粘貼的吸能材料有效地耗散了沖擊波的能量，使氣泡運動受到的干擾減小到最小。

圖1 實驗裝置示意圖Fig.1 Schematic of the experimental facility

圖2 水中爆炸壓力時間曲線Fig.2 Pressure curve of underwater explosion

主要研究不同長徑比柱形裝藥水平和垂直放置時水中爆炸氣泡的射流特性，設計了5 個實驗工況和1 個對比工況，主要變量為長徑比λ、藥量W 和放置方式，列于表1 中，表中h 為炸藥的深度，工況0為長徑比接近于1 的對比工況。

表1 實驗工況設計Table 1 Experimental conditions

2 實驗結果及分析

實驗得到的典型氣泡脈動過程如圖3 所示。在氣泡膨脹的初始階段(如t=0.7 ms 時)，由于裝藥的柱形形狀和端面起爆的影響，氣泡在y 方向的尺寸大于氣泡在藥柱徑向的尺寸，由于內外壓差，氣泡的形狀在膨脹過程中向接近球形的穩定狀態過渡(如t=5.1 ms 時)。當t=22.7 ms 時，氣泡膨脹至最大，其表面各方向的尺寸比較接近。而在氣泡收縮的過程中，其y 方向尺寸較大的特征再次變得顯著，如t=43.9 ms。當t=45.4 ms 時，氣泡坍塌形成射流，至此完成一個脈動周期。在氣泡再度膨脹的過程中觀察到一個有趣的現象，即氣泡第1 次坍塌結束形成的射流向左(即起爆端)傾斜，如t=50.8 ms 的圖像中氣泡左上角的凸起即是射流傾斜的直接證據。在所有4 個藥柱水平放置的工況中均明顯觀察到了此現象的存在，這是以往在球形裝藥中心起爆實驗中未觀察到的，分析射流傾斜的原因有助于了解柱形裝藥水中爆炸氣泡的運動特性。

從直觀上看，在氣泡膨脹的早期和氣泡坍塌時，其表面形狀均明顯體現出在藥柱軸向尺寸大于藥柱徑向尺寸的特點。考慮到炸藥的爆轟過程僅持續幾個微秒，若忽略這個時間，認為炸藥瞬時轉化為爆轟產物并向外膨脹，那么在氣泡膨脹的早期和氣泡坍塌的過程中，其表面在藥柱軸向運動的平均速度應大于在藥柱徑向運動的平均速度，因此柱形裝藥水中爆炸氣泡表面各方向的運動呈現非對稱特性。從能量的角度來看，氣泡表面運動的非對稱是爆轟產物能量輸出結構不均勻的體現。對柱形裝藥左端起爆的爆轟過程作一維特征線分析可知，遠離起爆端的爆轟產物具有較高的速度。但其能量的衰減速率更快，氣泡在起爆端輸出的總能量可能更大，其表面的脈動周期更長，最終在浮力的共同作用下導致不對稱坍塌。

圖3 4.5 g 水平放置PETN 藥柱水中爆炸氣泡脈動過程Fig.3 Bubble oscillation of 4.5 g PETN cylinder mounted horizontally

從圖4 可以清楚地看到各工況氣泡坍塌時的圖像，工況0 中氣泡的坍塌形狀與典型球形氣泡坍塌形狀很相似，而其他工況則不同程度地表現出一定區別，這是裝藥長徑比影響的體現，工況0 的裝藥長徑比接近于1，因此產生的氣泡與球形氣泡相似。圖中黑色的“須狀物”是爆炸后殘留的碳化固體顆粒隨氣體產物運動留下的尾跡，由于固體顆粒的慣性遠大于氣體的慣性，因此其運動滯后于氣泡表面的運動，在高速運動時這種現象尤為明顯，這使得我們能夠清楚地看到收縮過程中氣泡表面的運動軌跡。藥柱水平放置時氣泡產物的尾跡是不對稱的，氣泡左下方表面主要作向內的旋轉運動，而右下方部分表面的水平移動則更為明顯，尾跡最長的位置位于氣泡的右下方，因此也可以推斷藥柱水平放置時射流將在氣泡右下部位形成，方向指向氣泡左上方。而藥柱垂直放置時，盡管氣泡略有偏斜，但其尾跡卻是呈軸對稱的，這與球形裝藥的類似，氣泡下方邊緣向內旋轉，射流將在氣泡底部中心形成，指向氣泡上方。氣泡產生偏斜原因是由于水下實驗操作復雜，很難精確實現藥柱完全垂直，觀察藥柱垂直放置的實驗發現，柱形裝藥垂直放置時氣泡的運動對初始位置比較敏感，垂直放置時藥包的微小傾斜都會導致氣泡運動對稱軸的傾斜，如圖5 所示。因此，尾跡分布間接證明了不對稱坍塌是水平放置藥柱端面起爆水中爆炸氣泡的特有性質。

另外，尾跡的長短還可以表征氣泡表面運動速度的快慢，這樣也能夠估計射流形成的位置，從圖4中觀察到垂直裝藥氣泡產物的尾跡更長，說明其射流速度更快。圖6 給出了各工況下氣泡射流速度的對比。

圖4 工況0 ～5 氣泡坍塌時的圖像Fig.4 Images of bubble collapse for conditions 0 ～5

圖5 4.5 g 藥柱垂直放置時氣泡的坍塌Fig.5 Bubble collapse of vertically mounted 4.5 g charge

圖6 工況1 ～5 氣泡射流速度Fig.6 Jet velocities of conditions 1 ～5

從圖6 中可以看出，藥柱水平放置的4 個工況下，隨著藥量的增大，氣泡的射流速度減小，這與文獻［6］中得到的射流速度隨藥量的變化規律是一致的。然而，工況4 中藥柱垂直放置時形成的氣泡射流速度卻不符合此規律，這是由于工況4 的射流在遠離起爆端形成，而其他工況的射流在藥柱徑向側面形成，在同等藥量下，藥柱垂直放置時形成的氣泡射流速度更高。需要指出的是，射流的最終速度要比圖中的最終數值大得多(可達102m/s 量級)，這是因為在氣泡坍塌的最后階段氣泡處于一種極不穩定狀態［7］，底部表面向內凹陷，高速攝影的圖像無法獲得氣泡內部的信息，但是各實驗工況拍攝時均采用相同的幅頻，從而能夠保證獲得的射流速度變化趨勢一致。另外，從圖4 中也可以看到，藥柱水平放置的工況中，隨著長徑比的增加，射流的影響區逐漸加寬，能量相對分散，而藥柱垂直的工況中，射流的影響區較窄，能量相對集中，可指導武器的攻擊方式，即在近場非接觸水中爆炸時，可利用柱形藥包垂直置于艦船底部下方起爆以提高氣泡射流產生的局部破壞。

3 結 論

采用高速攝影方法研究了端面起爆柱形PETN 自由場水中爆炸氣泡射流性質，得到以下主要結論及建議:

(1)藥柱水平放置時，氣泡表面的運動呈非對稱，最終導致不對稱坍塌，形成向起爆端傾斜的射流。

(2)藥柱垂直放置時，氣泡表面的運動呈軸對稱，將產生垂直向上的射流，但是氣泡的運動較易受到藥柱放置垂直程度的影響。

(3)藥柱水平放置時，射流的速度隨藥量的增大而減小。同等藥量下，藥柱垂直放置時形成的射流速度更高。

(4)藥柱水平放置時，對于等截面的藥柱，隨著長徑比的增加，射流的影響區逐漸加寬，能量相對分散;而藥柱垂直放置時，射流的影響區較窄，能量相對集中，可指導武器的攻擊方式。

［1］ 劉建湖.船舶非接觸水下爆炸動力學的理論與應用［D］.無錫:中國船舶科學研究中心，2002.

［2］ 汪斌，張遠平，王彥平.水中爆炸氣泡脈動現象的實驗研究［J］.爆炸與沖擊，2008，28(6):572-577.WANG Bin，ZHANG Yuan-ping，WANG Yan-ping.Experimental study on bubble oscillation formed during underwater explosions［J］.Explosion and Shock Waves，2008，28(6):572-577.

［3］ 朱錫，牟金磊，洪江波，等.水下爆炸氣泡脈動特性的試驗研究［J］.哈爾濱工程大學學報，2007，28(4):365-369.ZHU Xi，MOU Jin-lei，HONG Jiang-bo，et al.Experimental study of characters of bubble impulsion induced by underwater explosions［J］.Journal of Harbin Engineering University，2007，28(4):365-369.

［4］ 趙生偉，周剛，王占江，等.小當量水中爆炸氣泡的脈動現象［J］.爆炸與沖擊，2009，29(2):214-217.ZHAO Sheng-wei，ZHOU Gang，WANG Zhan-jiang，et al.Bubble pulses of small2scale underwater explosion［J］.Explosion and Shock Waves，2009，29(2):214-217.

［5］ Klaseboer E，Hung K C，Wang C，et al.Experimental and numerical investigation of the dynamics of an underwater explosion bubble near a resilient/rigid structure［J］.Journal of Fluid Mechanics，2005，537:387-413.

［6］ 張阿漫，姚熊亮.水深和藥量的變化對水下爆炸氣泡射流的影響研究［J］.工程力學，2008，25(3):222-230.ZHANG A-man，YAO Xiong-liang.The effect of charge and water depth on the underwater explosion bubble［J］.Engineering Mechanics，2008，25(3):222-230.

［7］ Menon S，Lal M.On the dynamics and instability of bubbles formed during underwater explosions［J］.Experimental Thermal and Fluid Science，1998，16(4):305-321.