爆炸、冲击等瞬态压力测量方法

第 31 卷第 19 期2023 年 10 月Vol.31 No.19Oct. 2023光学精密工程Optics and Precision Engineering爆炸激波管出口流场特征的纹影诊断与分析张军，黄含军，毛勇建*，黄海莹，郑星，杨茂（中国工程物理研究院总体工程研究所，四川绵阳 621999）摘要：冲击波是爆炸毁伤的主要载荷形式之一，炸药驱动激波管是较真实复现高超压冲击波场景的可能方式，当前亟需关注冲击波与产物分离状态、波阵面形态等实验参数测试问题，仅依靠传统电测原理的单一点源压力测量无法满足上述流场表征需要。

基于反射式纹影原理并利用激光光源和系列光学元件，搭建了一套激波管出口流场诊断系统，将流动现象的可视化观测结果与传统压力测量相结合，完善流场特征诊断与分析方法。

研究表明，该纹影系统能够清晰获得激波管出口的冲击波和产物运动流场图像，通过与压力测试与激波管点火时序的同步控制，可有效揭示压电式冲击波压力传感器数据振荡、压力突变、漂移等特征，以及爆炸后管道中应力波引起的管口及空气振动等现象。

基于图像分析可分析获得炸药爆炸激波管出口冲击波运动速度和压力的空间衰减特性，该结果为更好理解炸药驱动激波管冲击波压力的形成和演化规律研究提供了诊断途径和分析基础。

关键词：光学测量；激波管；爆炸流场；纹影法；冲击波中图分类号：O382 文献标识码：A doi：10.37188/OPE.20233119.2789Schlieren diagnosis and characteristic analysis of outlet flow fieldfor blasting shock tubeZHANG Jun，HUANG Hanjun，MAO Yongjian*，HUANG Haiying，ZHENG Xing，YANG Mao （Institute of Systems Engineering， China Academy of Engineering Physics， Mianyang 621999， China）* Corresponding author， E-mail： maoyj@Abstract： Shock waves represent a primary form of damage from explosions， and explosive-driven shock tubes can simulate high overpressure shock wave scenarios. It is essential to determine test parameters， in⁃cluding the separation among the shock wave， explosion products， wave-front shape. Traditional pressure measurements， grounded in electrical principles， are insufficient for current flow field characterization re⁃search. Leveraging the reflection schlieren principle， a diagnostic system is developed for the shock tube nozzle´s flow field. This system utilizes a laser source and sequence of optical elements. By integrating vi⁃sual observations of flow phenomena with conventional pressure data， the method for analyzing flow field characteristics is enhanced. The findings indicate that the schlieren system captures high-resolution images of the shock wave and product flow field at the exit of the shock tube.Synchronized schlieren images，aligned with the pressure tests of the shock tube and ignition timings， offer insights into data oscillation，pressure anomalies， and the drift observed in piezoelectric pressure sensors. They also highlight the vibra⁃tion effects in the nozzle and surrounding air， resulting from stress waves post-explosion within the tube.文章编号1004-924X（2023）19-2789-10收稿日期：2023-02-18；修订日期：2023-03-13.基金项目：国家自然科学基金资助项目（No.12072334，No.11602256）第 31 卷光学精密工程Through image analysis， the spatial decay patterns of the velocity and pressure of the shock wave at the ex⁃plosive outlet of the shock tube can be obtained. These results furnish a novel diagnostic technique and ana⁃lytical foundation， enhancing our comprehension of the formation and evolution of shock wave pressure in the explosive-driven shock tube.Key words： optical measurement； shock tube； explosion flow field； schlieren method； shock wave1 引言鉴于军事冲突中爆炸装置的大量使用以及爆炸灾害事故频发，爆炸冲击波造成的生命伤害和财产安全受到广泛关注。

实验七.水中爆炸冲击波压力测量一实验名称：水中爆炸冲击波压力测量二实验目的：练习并掌握用电测法测量水中爆炸冲击波压力。

三实验内容：用冲击大电流通过金属丝产生水中冲击波，用压力传感器检测压力信号，用数字示波器记录某位置的水中冲击波压力历程。

四实验设备：冲击大电流装置、同步高压脉冲发生器、传感器及适配器、数字示波器五实验原理（一）水下爆炸物理过程炸药装药在水下爆炸时，瞬间变成高温高压的爆炸产物，压迫周围的水产生冲击波并迅速向周围传播。

炸药放出的能量一部分随冲击波传出，称为冲击波能。

剩下的能量留在爆炸产物中，称为气泡能。

高压下的爆炸产物迅速向外膨胀形成气泡，气泡膨胀过程中反抗静水压而作功。

当气泡膨胀到压力与静水压相等时，因为惯性的作用，膨胀并不停止而作过度膨胀，当膨胀到最大体积时，气泡内的压力降至静水压的1/5~1/10，此后由于外界压力的作用而使气泡收缩，同样因为惯性的原因，当压缩到压力等于静水压后仍继续收缩，直至最小体积时又开始膨胀，同时产生压力波，如此反覆膨胀收缩形成气泡脉动。

（二）对水下爆炸用测压传感器的要求1，传感器应具有尽量高的频率响应，以便准确地捕捉到压力的迅速变化一般谐振谐率应不小于250kHz。

2，传感器应有足够的强度和压力测量范围。

3，为了减小因测压传感器的放置而对压力流场产生严重的扰动和畸变，传感器的体积应尽量小，外形应为流线性。

4，传感器的联接电缆在水中受到强度较大冲击波的作用，由于电缆内、外芯的摩擦将出现静电电荷（即所谓“电缆效应”）这种摩擦电荷是一个相当可观的虚假讯号，因此传感器应有减小电缆效应的有效措施。

5，传感器具有良好的防潮、密封和较好的防腐蚀能力，特别是当传感器的输出讯号是高输出阻抗的讯号。

其绝缘电阻一般在1010~1012Ω，受潮后绝缘电阻降低将造成零点飘移。

（三）PCB W138A02型压电传感器性能特点1，该传感器将一片作为敏感元件的电气石置于盛满硅油的塑胶管中，因而密封、防潮性能良好。

水中兵器靶场爆炸测试技术现状与发展摘要：基于水中兵器靶场的职能任务，针对水下爆炸瞬态信号要求测量设备可靠性好和测量精度高问题，分析了靶场爆炸测量技术研究和设备研制现状，在总结目前水下爆炸试验测量设备可靠性设计和测量精度研究的基础上，对水中兵器靶场爆炸测试技术的发展方向提出了一些建议。

关键词：水下爆炸测量技术自第二次世界大战以来，人们就开始对水下爆炸进行了比较系统的研究。

水中兵器靶场对水下爆炸研究主要从海上作战角度着重分析单个装药在水下爆炸对水中目标的破坏效应。

研究方式主要以静爆源（相对静止）水下爆炸试验为主，动爆源水下爆炸试验曾开展过，但未进行实际测量。

研究条件限定在自由场压力测量范畴，非自由场压力测量因某些项目的研究开展了一些工作，比如自由水面对冲击压力波的影响，海底不同介质的反射以及电缆噪声对测量信号的影响等。

研究理论主要以库尔P[1]总结的研究成果为主，如库尔P的压力计算公式、水下爆炸相似律等。

研究方法趋于理论分析、试验研究和数值仿真三者的有机结合进行综合性探索。

1 水下爆炸测量技术研究现状水下爆炸测试技术的飞速发展使其测试系统出现了多样化、智能化的发展趋势，水中兵器靶场主要从设备研制和相关技术两方面展开了一些具体的研究工作。

1.1 设备研制现状水中兵器靶场的设备研制方式主要有外研和自研。

就水下爆炸测量设备而言，首先是中国科学院力学研究所为海军靶场研制了第一代水下爆炸测量设备，在此基础上，为提高系统的自检功能和智能化水平，海军靶场自研了水下爆炸压力、水下爆炸能量等测量设备。

其次，中国科学院东海研究站为海军靶场研制了第二代水下爆炸测量设备，采用“不倒翁”浮体设计技术[2]，解决了测量分机在试验中抗冲问题，以实现大当量水下爆炸威力的测量任务。

随着舰船冲击技术试验[3]在靶场的开展，完成了第三代水下爆炸测量设备的研制。

1.2 相关技术研究现状水中兵器靶场在完成海军下达的水中兵器主战装药爆炸威力对比试验过程中，对水中兵器的三种主战装药的水下爆炸压力计算进行了试验研究，得出了三种主战装药的压力计算公式，为水中兵器的爆炸威力试验打下了基础。

流体的压力测量与控制流体的压力测量与控制是工程领域中至关重要的一项技术。

无论是在工业生产中的流体控制过程，还是在实验室研究中的流体参数测试，准确地测量和控制流体的压力都是确保工艺安全和实验准确性的关键因素之一。

本文将介绍流体的压力测量原理和常见的测量方法，并探讨流体的压力控制技术及其应用。

一、流体的压力测量原理在了解流体的压力测量方法之前，我们首先需要了解流体的压力是如何产生的。

根据物理学原理，流体的压力是由于分子之间的碰撞和相互作用而产生的。

压力的大小取决于流体分子的速度和密度，以及外部力对流体所施加的压力。

在测量流体的压力时，可以利用其对器件的压力作用产生的力和形变进行测量。

常见的流体压力测量原理有多种，其中最常用的方法是基于压阻效应和压力传感器原理。

1. 压阻效应：压阻传感器是一种常见的测量流体压力的装置。

它利用了流体通过管道或管道系统时会产生的压阻效应。

当流体通过管道时，流体分子与管道壁的碰撞会使得管道上产生压力。

压阻传感器内置了一个敏感的传感器元件，当流体通过管道时，传感器元件受到的压力变化会引起电阻值的变化，从而测量流体的压力。

2. 压力传感器：压力传感器是另一种常见的流体压力测量装置。

它利用了流体压力对传感器的机械结构产生的变形进行测量。

常见的压力传感器有压阻式传感器、压电式传感器和电容式传感器等。

这些传感器通过精确测量传感器内的机械变形，并将其转化为电信号，从而获得流体压力的准确数值。

二、流体的压力测量方法除了了解测量原理，选择合适的测量方法也是确保测量准确性的重要因素。

以下是一些常见的流体压力测量方法：1. 数字式压力计：数字式压力计是现代工程中常用的一种测量装置。

它通过连接到被测流体中的压力传感器，将信号转化为数字显示。

数字式压力计具有精度高、反应速度快、可靠性高的优点，能够满足大部分工程需求。

2. 瞬态压力测量法：瞬态压力测量法主要用于需要测量瞬时压力变化的工程和科学研究。

工程力学实验考点总结工程力学实验考点总结第五章应变计（一）概述1、应变计的优点：结构简单，性能稳定可靠，灵敏度系数高，频响范围宽2、线应变的的测定工具：应变计和引伸计。

3、引伸计的种类：机械引伸计，光学引伸计，电学引伸计4、应变测量的方法：电测法，光测法，脆性涂层法。

（二）电阻应变计原理及构造1、工作原理见P732、应变计的5个主要组成部分：敏感栅，基底，覆盖层，引出线，粘结剂3、敏感栅的作用：将被测构件的应变量转化成电阻应变量敏感栅材料的物理特性：灵敏度K越大，电阻率p越大，电阻温度系数小，比例极限高，加工性能好4、敏感栅的要求：（1）灵敏系数Ks高，且能在较大的应变范围内保持不变。

（2）电阻温度系数小，且能在较宽的温度范围内保持不变（3）电阻率高（4）弹性模量高于被测构件的弹性模量（5）易于加工成细丝或者箔片5、常用的敏感栅及其用途（1）康铜敏感栅（应变计）材料: 铜、镍用途：用于常、中温静载及大应变测量（2）镍铬敏感栅（应变计）材料：镍、铬用途：测动态应变和小栅长的应变计（3）卡玛敏感栅（应变计）材料：镍、铬用途：高精度应变测量和传感器的制作（4）铂钨敏感栅（应变计）材料：铂钨合金用途：高温应变测量（5）铁镍铬敏感栅材料：铁镍铬合金用途：动态应变测量如果进行高温下的应变测量，多选电阻应变计的基底为金属基，敏感栅的材料为铂钨合金，敏感栅最好为丝绕式。

6、基底的作用：将敏感栅定位（使应变传递给敏感栅）并保证敏感栅与构件之间绝缘7、按基底材料分：纸基（用于常温应变测量）胶基（适用的温度范围广）玻璃纤维基（用于中高温度应变测量）金属基（特别适用于较高温度的测量场合）8、基底的要求：（1）厚度小而机械强度高，可挠性好（2）与粘结剂的粘结能力强（3）抗潮湿，绝缘强度高（4）无机械滞后（5）热稳定好（6）稍透明，便于观察应变计的安装质量8、覆盖层的作用：保护敏感栅9、粘结剂的作用：将敏感栅固结在基底和覆盖层10、引出线常用镀锡的铜线或者铜带（三）电阻应变计的分类1、按敏感栅制作工艺分类：丝式应变计（有丝绕式和短接式两种）和箔式应变计2、丝绕式应变计的优点：制作工艺简单，价格便宜，容易安装。

水下爆炸瞬态压力场传播规律一、水下爆炸瞬态压力场概述水下爆炸是一种常见的物理现象，广泛应用于事、海洋工程和科学研究等领域。

水下爆炸产生的瞬态压力场是研究水下爆炸效应的关键。

这种瞬态压力场具有高压力、快速传播和复杂变化的特点，对周围环境和结构产生显著影响。

本文将探讨水下爆炸瞬态压力场的传播规律，分析其特性、影响因素以及测量方法。

1.1 水下爆炸瞬态压力场的特性水下爆炸产生的瞬态压力场具有以下几方面的特性：- 高压力：爆炸产生的初始压力极高，可以达到数百甚至数千个大气压。

- 快速传播：压力波以极高的速度在水中传播，传播速度接近声速。

- 复杂变化：压力场的分布和变化受到多种因素的影响，如爆炸能量、水深、介质性质等。

1.2 水下爆炸瞬态压力场的应用场景水下爆炸瞬态压力场的应用场景非常广泛，包括但不限于以下几个方面：- 事领域：用于水下武器的设计和测试，评估爆炸对舰船和潜艇的破坏效果。

- 海洋工程：在海洋资源开发和海底设施建设中，评估爆炸对海底结构的影响。

- 科学研究：在海洋物理学和声学研究中，研究水下爆炸产生的声波和压力波的传播特性。

二、水下爆炸瞬态压力场的传播机制水下爆炸瞬态压力场的传播机制是研究其传播规律的基础。

压力波在水中的传播受到多种因素的影响，包括水的物理性质、爆炸能量、爆炸位置等。

本节将详细分析这些因素对压力场传播的影响。

2.1 水的物理性质对压力场传播的影响水的物理性质，如密度、声速、压缩性等，对压力场的传播有重要影响。

水的密度越高，压力波的传播速度越快。

声速是压力波在水中传播的速度，通常在1500米/秒左右。

压缩性则影响压力波的衰减特性。

2.2 爆炸能量对压力场传播的影响爆炸能量是影响压力场传播的关键因素。

爆炸能量越大，产生的初始压力越高，压力波的传播距离也越远。

爆炸能量的分布也会影响压力场的形态和衰减特性。

2.3 爆炸位置对压力场传播的影响爆炸位置是影响压力场传播的另一个重要因素。

爆炸发生在不同深度的水下，压力场的传播特性会有所不同。