水下中空結構物內爆試驗方法研究

黃治新, 喻 敏, 杜志鵬, 李 營, 秦中華

(1. 武漢理工大學 交通學院，武漢 430063；2. 海軍裝備研究院，北京 102401 ；3.中國科學院高能物理研究所，北京 100049)

水下中空結構物內爆試驗方法研究

黃治新1,2, 喻 敏1, 杜志鵬2, 李 營1,2, 秦中華3

(1. 武漢理工大學 交通學院，武漢 430063；2. 海軍裝備研究院，北京 102401 ；3.中國科學院高能物理研究所，北京 100049)

通過對直徑3 m、長5 m的鋼制壓力罐內水域上方空氣加壓，進行0.5 MPa水域環境下的光電倍增管內爆試驗。在壓力罐內壁粘貼聲阻抗較小的橡膠層，能有效減小鋼制壁面反射沖擊波對內爆試驗結果的影響，通過壓力罐視窗提供的大功率燈光，為高速攝像機提供光源。在壓力罐中進行0.5 MPa水域環境下光電倍增管內爆試驗得到了和理論研究一致的沖擊波壓力時域曲線，拍攝到清晰的光電倍增管內爆過程，該研究內容為水下中空結構物內爆提供了一種較好的試驗方法。

壓力罐;內爆;試驗方法;沖擊波;高速攝影

在深水環境下工作的中空結構物，外表面承受高靜水壓力載荷，當結構物殼體的應力超過屈服強度、屈曲強度或抗拉強度時會發生內爆[1]。內爆過程持續時間在毫秒量級，結構物殼體被壓潰塌陷，流場靜水壓力轉化為流體動能，水流壓縮結構至最小限度時，會發生水錘型的沖擊，水流動能轉化為沖擊波壓力對周圍結構造成破壞。

水下結構物內爆最典型事故是2001年日本“超級神岡”中微子實驗站約7 000個光點倍增管連鎖發生內爆；2014年美國深海科研潛艇“涅柔斯”號在執行深海10 000 m作業時發生內爆。隨著基礎物理領域科研探索、海洋領域的深海開發和海軍裝備的研發，中空結構物在深水環境下內爆機理，已經引起了國際廣泛關注。

研究水下中空結構物內爆機理最直接有效的方法是開展相關結構物的內爆試驗，用高速攝像機記錄內爆過程的直觀圖像，壓力傳感器記錄內爆沖擊波壓力時域特征，結合高速攝影和壓力時域數據分析內爆機理。但是，開展水下結構物內爆試驗存在很多技術難點。水下結構物的內爆大多發生在深水環境中，水下結構物和測量設備難以固定，深水環境缺少光線，高速攝像機無法拍攝到內爆過程，內爆產生的沖擊波對高速攝像機有很強的破壞作用。因此，水下結構物的內爆試驗研究是在有限水域中進行的。

DIWAN等[2]在0.69 MPa的靜水壓力罐中進行了兩次光電倍增管內爆試驗，測量了內爆過程中壓力數值，拍攝了內爆過程高速攝像，但高速攝像清晰度不夠。GISH等[3]在壓力罐中進行了水下金屬圓柱殼的內爆試驗，對比了圓柱殼長度、直徑和厚度對沖擊波的影響。TURNER[4]進行了一系列的薄壁鋁合金管的水下內爆試驗，內爆后鋁合金管呈現為平坦的雙瓣壓潰塌狀態。PINTO等[5]在壓力容器中進行了碳纖維增強環氧樹脂復合材料管的水下內爆試驗，研究了不同結構形式下的內爆沖擊波壓力特征，評估其破壞潛力。2007年美國水面作戰中心[6](NSWC)提出未來潛艇外攜設備可能發生內爆，產生沖擊波對潛艇殼體造成破壞，并資助了水下圓柱殼內爆試驗研究。在水聲領域中為了方便、安全地獲得標準的水聲信號，近期研究采用玻璃容器內爆代替水下爆炸的方法[7]。雖然國外進行了關于水下中空結構物內爆試驗，但對于水下結構物內爆的試驗裝置設計原理的相關研究卻比較少。

本文根據應力波原理[8]，采用在大型鋼制壓力罐內壁貼低聲阻抗橡膠層，減小反射沖擊波對試驗結果的影響；對壓力罐中水域上方預留空氣加壓，使水域維持較高靜壓力；在壓力罐壁開設有機玻璃視窗，從視窗口提供大功率燈光，為高速攝像機拍攝提供光線。用該試驗方法進行0.5 MPa水域環境的光電倍增管內爆試驗，測量得到內爆過程沖擊波壓力數據，拍攝內爆過程高速攝像。

1 試驗

1.1 試驗裝置

水下結構物內爆試驗裝置是直徑為3 m，長度為5 m，壁厚0.03 m的圓柱形鋼制壓力罐，內部設有工作平臺和壓力傳感器，如圖1所示。在壓力罐內壁鋪設厚度為0.03 m的橡膠，在頂部和兩側面開設有機玻璃視窗，有機玻璃厚度為0.05 m，通過有機玻璃視窗，為試驗提供大功率光源，在側面中間斜向上視窗位置安放高速攝像機，在頂部設有加水和加壓閥，在封頭的一端設有密封門，密封門可以開啟，便于進入壓力罐安裝中空結構物，試驗時保持密封。在進行內爆試驗時，向壓力罐內加水，保證試驗過程中水深完全覆蓋PCB壓力傳感器，并在水域上方預留一定體積的空氣，向壓力罐內空氣加壓，使水域靜壓力增大到水下結構物發生內爆時的深水環境壓力。

圖1 試驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of thetest apparatus

1.2 試驗原理

根據應力波理論，當入射彈性波擾動Δσ1到達兩種聲阻抗不同的介質接觸界面時，分別向兩種介質中傳播反射擾動ΔσR和透射擾動ΔσT，如圖2所示。介質的接觸界面上兩側經反射、透射后質點速度相等，應力相等，入射擾動Δσ1、反射擾動ΔσR、透射擾動ΔσT之間的關系為：

(1)

Δσ1+ΔσR=ΔσT

(2)

式中:ρ0為介質0密度;c0為介質0中波速;ρ0c0為介質0的波阻抗;ρ1為介質1密度;c1為介質1波速;ρ1c1為介質1的波阻抗。

由式(1)、式(2)得：

ΔσT=TΔσ1，ΔσR=FΔσ1

(3)

T=2/(1+n)，F=(1-n)/(1+n)，

n=ρ0c0/ρ1c1

(4)

式中:T、F分別為透射因素和反射因素;n為波阻抗比。由式(3)和式(4)知，如果，n>1，則F<0，此時入射沖擊波會在界面上向介質0反射稀疏波，并向介質1傳入透射沖擊波。

圖2 彈性波在不同材料中的透射和反射Fig.2 Transmission and reflection of elastic waves in different materials

以上分析均是以彈性波為例，需要說明的是波在兩種介質交界面上的透、反射的規律從定性的角度講對任何類型的波也都是成立的。

在壓力罐內壁貼有3 cm厚度的橡膠層，橡膠密度ρ=930 kg/m3，沖擊波在橡膠中的傳播速度約為cr=0.046 km/s；水的密度ρ=1 000 kg/m3，沖擊波在水中傳播速度約為cw=1.48 km/s；鋼的密度ρs=7 850 kg/m3，沖擊波在鋼中傳播速度約為cs=5.19 km/s。在水和橡膠的交界面波阻抗比為：nw/r=35.6、nr/w=0.028 9；橡膠和鋼壁的交界面阻抗比為：nr/s=(ρrcr)/(ρscs)=0.001。

假設內爆產生的沖擊波傳播方向和材料界面垂直，在水和橡膠界面會反射稀疏波，從水中透射進入橡膠中的沖擊波ΔσT=0.054 6Δσ1，在橡膠和鋼壁界面反射的沖擊波ΔσR=0.998ΔσT=0.054 49Δσ1，從橡膠中透射進入水中的沖擊波ΔσT0=0.106Δσ1。因此，添加橡膠層后，壓力罐內壁橡膠層反射沖擊波ΔσT0僅為入射沖擊波ΔσT的0.106倍，反射沖擊波壓力值得到了大幅度降低。

水下中空結構物被壓潰瞬間，會形成高速向壓縮方向運動的水流，導致水域局部壓力突然降低而形成空化現象。如果水域壓力降低過多，則在壓力罐中進行的水下結構物的內爆試驗與深水下結構物的真實內爆過程有很大差別，會呈現水流流速降低，沖擊波壓力降低等結果。在壓力罐中進行水下結構物內爆試驗時，壓力罐內水域環境壓力應維持恒定。水域環境的壓力是通過對壓力罐中水域上方空氣加壓來實現的，在內爆水流壓縮殼體流動過程中，氣體體積會膨脹，當氣體膨脹體積變化較小時，可以維持內爆過程中水域壓力基本不變。

1.3 試驗設計

在壓力罐中開展光電倍增管內爆試驗，驗證該試驗方法的可行性。試驗中光電倍增管由玻璃外殼及內部電氣結構組成。圖3為光電倍增管玻璃外殼實物示意圖，試驗中玻璃外殼頭部球體部分外徑為0.508 m，尾部直徑為0.1m，總高度約為0.7 m，厚度為0.004 m，玻璃殼內部真空度1.0×10-4Pa以上。計算得到，光電倍增管體積約為0.272 m3，則壓力罐上方預留高壓氣體體積至少應為5.03 m3。

圖3 光電倍增管玻璃外殼實物示意圖Fig.3 Shell of the photo multiplies tube

圖4 壓力罐長度方向的截面視圖Fig.4 Section view of the length direction of the pressure tank

圖4為壓力罐長度方向的截面視圖，截面呈圓形，半徑r=1.5 m，AB為壓力罐中水平面，AB以上部分為空氣。空氣所占面積為扇形OAB與三角形OAB面積差，設圓心角為θ，則(θr2/2-sinθr2/2)l=5.03，l為壓力罐長度。解得θ=1.854，rcos(θ/2)=0.9 m，則壓力罐中水位高度最高為2.4 m，壓力罐上方預留空氣的高度為0.6 m。

通過對壓力罐中預留的空氣加壓至0.5 MPa，來模擬光電倍增管在0.5 MPa水域環境下內爆過程，在距離光電倍增管球形結構中心上方0.41 m處，布設PCB壓力傳感器，測量內爆過程的壓力時域值，在壓力罐頂部和側面視窗提供大功率燈光，在側面斜向上位置安放高速攝影，拍攝內爆過程影像。大功率光源會使有機玻璃的溫度急劇升高，對有機玻璃力學性能產生影響，試驗過程中大功率光源持續時間不宜太長。試驗中通過液壓裝置瞬間擠壓光電倍增管表面，使光電倍增管表面出現裂紋，發生內爆。

2 試驗結果及分析

2.1 試驗結果

試驗中高速攝像機拍攝得到光電倍增管內爆過程如圖5所示。圖5中分別為液壓裝置瞬間擠壓光電倍增管后1 ms、6 ms、13 ms、15 ms的高速攝影影像。圖5(a)為光電倍增管受液壓裝置擠壓階段，受擠壓區域的玻璃出現陰影；圖5(b)為光電倍增管裂紋傳播階段，玻璃外殼產生裂紋，向內凹陷；圖5(c)為光電倍增管整體壓潰形成沖擊波階段，破碎的玻璃加速向中心運動，水流撞擊產生沖擊波；圖5(d)為沖擊波傳播與碎片飛散階段，玻璃碎片從內爆中心向外四散，視窗玻璃上產生黑色的斑點，黑色斑點是沖擊波到達橡膠層后反射稀疏波，在水中產生大量小氣泡組成的空化區域。

(a) t=1 ms (b) t=6 ms

(c) t=13 ms (d) t=14 ms圖5 光電倍增管內爆過程高速攝像Fig.5 High-speed camera image of implosion process of photo multiplies tube

距離光電倍增管球體中心0.41 m處PCB壓力傳感，采用中間觸發方式采集數據，觸發閾值為2 MPa，觸

發前后各采集5 s。圖6為0.41 m處PCB壓力傳感器4.985～5.015 s的壓力時域數據。沖擊波壓力峰值為14.13 MPa，在峰值后壓力值呈現一定程度的震蕩衰減，這是內爆沖擊波與壓力罐壁反射的沖擊波疊加形成的。內爆沖擊波以球面波形式向周圍傳播，內爆沖擊波傳播到0.41 m處壓力傳感器，再經壓力罐壁面反射傳播到0.41 m處壓力傳感器，經過的距離約為2.6 m，水中沖擊波傳播速度以1 500 m/s計算，則反射沖擊波應約在1.7 ms后返回到壓力傳感器。在5.001 s以后，PCB傳感器壓力數值未達到1 MPa，可見橡膠層能夠有效衰減反射沖擊波，反射沖擊波對內爆試驗中壓力值測量基本沒有影響。

2.2 結果分析

根據不可壓縮流體中球型容器內爆理論模型，可以根據容器半徑R0、初始內部氣體壓力Pw、外部靜水壓力P0計算容器破碎過程中的氣泡半徑R和距離球心r處的水中壓力p。

(5)

(6)

根據試驗初始條件，容器內氣體初始壓力p0=0.001 Pa，靜水壓力pw=0.5 MPa，容器初始半徑R0=0.25 m，容器內氣體的比熱比γ=1.33，水的密度ρ=1 000 kg/m3，水中聲速取值c=1 500 m/s。計算得到容器破碎過程中的壓力時域曲線、半徑時域曲線，與實測值進行對比，如圖7、圖8所示。

圖6 壓力時域曲線Fig．6Pressure?timehistorycurve圖7 壓力理論與實測值對比Fig．7Comparisonoftheoryandmeasuredpressurevalues圖8 球體半徑理論與實測值對比Fig．8Comparisonoftheoryandmeasuredsphereradius

通過對比可以看出，內爆沖擊波壓力試驗測量值與理論預測值吻合較好，理論預測峰值12.7 MPa，比試驗實測原始壓力峰值14.13 MPa偏小10%；沖擊波脈寬試驗值與理論值接近。球形容器的半徑在與理論相差越來越大。這主要是因為試驗中的球體半徑是通過觀察高速攝像的球冠處玻璃碎片位置粗略測算出來的，且理論模型是假設容器外殼瞬間同時破碎，容器內氣體是呈球形收縮的，而試驗情況是球體從擠壓工裝附近的赤道開始收縮，氣體形狀是蘑菇型的，如圖9所示。在試驗中隨著球體的壓潰，水會從裂縫中間進入球體內部，因此，隨著時間的推移，容器內氣體的半徑與破碎的容器半徑相比越來越小。

(a) (b)圖9 理論與試驗中球形容器破碎特性Fig.9 Theoretical and experimentalof spherical vessel breaking characteristics

3 結 論

通過對壓力罐水域上方一定體積的空氣加壓，能夠在壓力罐中進行高靜水壓力下水下中空結構物的內爆試驗研究；在大型壓力罐內壁粘貼聲阻抗較小的橡膠層，能有效減小鋼制壁面反射沖擊波對內爆試驗結果的影響。通過該試驗裝置進行0.5 MPa深水靜壓環境下的光電倍增管內爆試驗， 得到了和理論研究一致

的沖擊波壓力時域曲線，拍攝到清晰的光電倍增管內爆過程，為水下中空結構物內爆提供了一種可靠實用的試驗方法。

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Implosion test method for underwater hollow structures

HUANG Zhixin1,2, YU Min1, DU Zhipeng2, LI Ying1,2, QIN Zhonghua3

(1. School of Transportation Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China;2. Naval Academy of Armament, Beijing 102401, China;3. Institute of High Energy Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

By compressing air above water in a pressure tank, a photo multiplies tube underwater implosion test was conducted at 0.5 MPa hydrostatic pressure. The pressure tank was made of steel with its diameter of 3 m and its length of 5 m, and its inner wall was stuck with a layer of low acoustic impedance rubber material to reduce effectively the influences of the reflection shock wave at the inner wall surface on the implosion test results. By providing high-power lighting through the PMMA window of the pressure tank, a high-speed camera recorded the implosion test process clearly. It was shown that the pressure curve in time domain of shock wave in the underwater implosion test agrees well with that of theoretical study. The study results provided a good implosion test method for underwater hollow structures.

pressure tank; implosion; test method; shock wave; high-speed camera

國家自然科學基金(10672181)

2015-11-09 修改稿收到日期：2016-01-11

黃治新 男，碩士，1990年生

喻敏 女，博士，副教授，1977年生 E-mail:Dilysyuwy@163.com

TH212；TH213.3

A

10.13465/j.cnki.jvs.2017.03.005