水下爆炸气泡射流现象的试验研究

第38卷第4期爆炸与冲击V o l.38,N o.4 2018年7月E X P L O S I O N A N DS HO C K WA V E S J u l.,2018D O I:10.11883/b z y c j-2017-0093文章编号:1001-1455(2018)04-0855-08C L-20基炸药水中爆炸气泡脉动实验研究*冯凇1,饶国宁1,彭金华1,汪斌2(1.南京理工大学化工学院,江苏南京210094;2.中国工程物理研究院流体物理研究所冲击波物理与爆轰物理重点实验室,四川绵阳621999)摘要:为研究C L-20基炸药㊁C L-20基含铝炸药水下爆炸气泡脉动情况,在2mˑ2mˑ2m的实验水箱中开展小当量实验,采用高速摄影技术,得到炸药水中爆炸冲击波传播曲线,同时清晰地观测到气泡的产生㊁膨胀和收缩过程㊂拟合得到气泡脉动过程中气泡半径㊁速度㊁加速度对时间的变化曲线,对比分析了C L-20含铝与非含铝炸药水下爆炸气泡脉动规律㊂在实验条件下,首次直观地拍摄到C L-20含铝炸药水下爆炸的二次反应放热现象㊂实验表明:C L-20基含铝炸药的气泡半径㊁脉动周期都明显升高,半径增大13.7%,周期增大6.9%;冲击波峰值压力略有下降;水下爆炸测试技术以及高速摄影技术是研究观测含铝炸药二次反应的有效手段㊂关键词:气泡脉动;高速摄影;C L-20;含铝炸药;二次反应中图分类号:O381国标学科代码:13035文献标志码:A六硝基六氮杂异伍兹烷(C L-20)是一种高能量密度炸药[1],其爆压㊁爆速等参数均优于奥克托今(HM X)[2],在C L-20炸药中加入金属粉(铝粉)可以大幅度提高其爆炸能量[3-5]㊂随着当代水下武器的发展,提高炸药的水中爆炸威力一直是各国科研人员的研究热点㊂目前,C L-20基及其含铝炸药已经陆续应用到水下武器战斗部中[6]㊂炸药水中爆炸后,首先在水介质中产生初始冲击波并向四周传播,随后爆炸产物在水介质中形成气泡,开始不断的收缩与膨胀[7]㊂冲击波载荷与气泡脉动载荷对于水下舰船㊁潜艇将产生一定程度的损害,但二者引起的毁伤却并不相同㊂虽然气泡脉动的压力要远小于冲击波压力,但其作用时间却远大于冲击波,尤其当爆炸中心距离附近目标物较近时,会产生 鞭状效应 [8],造成目标物结构的破坏,这对于研究炸药水中气泡脉动过程具有重要的战略意义㊂在实验室条件下,汪斌等[9]采用高速摄影技术得到P E T N水下爆炸的气泡脉动过程以及水射流过程㊂王树山等[11]利用高速录像技术得到R D X水下爆炸气泡脉动过程与水幕形成过程㊂马坤等[12采用1.2m爆炸容器模拟深水爆炸过程,利用高速相机拍摄小当量T N T深水下爆炸气泡脉动过程,拟合得到气泡脉动周期与气泡最大半径随爆炸深度增大的衰减系数㊂然而,前人的研究主要针对理想炸药气泡脉动情况,关于含铝炸药的气泡脉动实验鲜有报道㊂在此基础上,本文中利用高速摄影技术,观测C L-20基炸药和C L-20基含铝炸药水中爆炸气泡脉动过程,对比分析二者水下爆炸气泡运动时的不同现象;分析铝粉对于气泡脉动过程的影响规律,为计算炸药的能量输出规律提供实验数据,为水下爆炸武器㊁水下爆炸气泡动力学提供数据研究基础㊂1实验部分1.1实验样品实验样品包含2种配方圆柱形压装药柱,每种配方2发,共4发,实验药柱的具体状态如表1所示㊂图1为水中爆炸实验时所用药柱㊂*收稿日期:2017-03-27;修回日期:2017-06-02基金项目:国家自然科学基金项目(11102091);高等学校博士学科点专项科研博导类基金项目(20113219110010)第一作者:冯凇(1989- ),男,博士;通信作者:饶国宁,n j r a o g u o n i n g@163.c o m㊂表1实验药柱参数T a b l e 1P a r a m e t e r s o f e x pl o s i v e g r a i n 工况炸药公式炸药尺寸/(mmˑmm )密度/(g㊃c m -3)1C L -20/E s t a n e /G /W ⌀15ˑ14.681.929295/3.5/0.5/1⌀15ˑ14.681.9293C L -20/A l /E s t a n e /G /W ⌀15ˑ14.211.993480/15/3.5/0.5/1⌀15ˑ14.201.994图1实验药柱F i g .1C h a r ge c o l u m n 1.2 实验装置实验在2mˑ2mˑ2m 的水箱中进行,水箱由5mm 厚的钢板焊接而成,内装自来水,水面高度为1.6m ,炸药位于水箱水平面的中心位置,实验时利用细线将装配好的待测药柱悬挂在水中,药柱距离水箱底部的距离为0.8m ,距离水面的距离也为0.8m ㊂药柱中心㊁压力传感器和高速摄像机处于同一条水平直线上,实验选用P C B 138系列水下爆炸压力传感器,传感器的灵敏度为0.1445V /M P a,传感器敏感部位与炸药中心位于同一高度,药柱中心与传感器的距离为0.7m ,与高速摄像机的距离为1.4m ,高速摄像机为A P X -R S 数字式高速相机,拍摄频率为10000s -1,在1m s 内能够得到10幅气泡脉动图像,实验采用L E D 冷光源作为外照明光图2爆炸水箱示意图F i g .2I l l u s t r a t i o no f e x pl o s i o nw a t e r t a n k 源,其发出的光线亮度高㊁显色好,满足实验要求㊂ 炸药在水箱中爆炸时,为了避免来自界面处反射波对冲击波以及气泡脉动信号的影响[13],实验设计时,在水箱内壁周围粘贴一层白色吸波材料,当冲击波波阵面传至水箱界面时,消除强反射冲击波,保证测量数据不受干扰[14],装置如图2所示㊂1.3 实验过程如图3所示,实验中以同步脉冲发生器为高压起爆台,由高速摄影机及示波器提供触发信号,以实现实验控制台和各类数据的记录同步㊂药柱起爆后,高速摄相机获得气泡脉动图像,P C B 传感器测得冲击波压力㊂图3测试系统示意图F i g .3I l l u s t r a t i o no f t h e t e s t s ys t e m 658爆 炸 与 冲 击 第38卷2 结果与讨论2.1 C L -20基理想炸药气泡脉动1号药柱与2号药柱,为平行实验,实验结果重复性较好,此处我们以2号药柱为例㊂实验得到的C L -20基理想炸药气泡脉动过程,如图4所示,从图中可以清晰地观测到2号药柱水下爆炸气泡的产生㊁膨胀和收缩过程㊂炸药起爆后,高温高压的爆炸产物剧烈压缩周围水介质,并迅速向外膨胀,形成爆炸气泡,此时气泡内压力最大,且不均匀分布,气泡内有少量的爆轰产物从气泡表面溢出(t =0.2m s);随着气泡膨胀增大,气泡内部压力逐渐减小,由于惯性的作用,气泡过度膨胀,t =22.5m s 附近时,气泡膨胀到最大半径为59.9c m ,此时气泡内压力最小,气泡膨胀过程基本呈球形,膨胀过程中气泡的中心位移很小,几乎保持不动㊂由于气泡的过度膨胀,气泡在静水压力作用下收缩,气泡半径迅速减小:t =41.0m s 时,气泡仍为球形;t =45.1m s 时,气泡下表面收缩速度更快,底部先开始坍塌,向气泡内部凹陷,产生竖直向上的射流;t =46.4m s 附近时,气泡收缩至最小半径并迅速上浮,从气泡收缩过程开始,图42号药柱水中爆炸后气泡脉动过程图像F i g .4E x p e r i m e n t a l p i c t u r e s o f b u b b l e p u l s e f o r c a s e 2u n d e r w a t e r e x pl o s i o n 图5距离2号药柱0.7m 处压力时程曲线F i g.5P r e s s u r e h i s t o r i e s o f s h o c kw a v e a t 0.7mo f c a s e 2c h a r ge c o l u m n 气泡表面爆炸产物溢出时产生清晰迹线,此时气泡内的压力远高于周围流体压力,气泡将再次膨胀;t =47.1m s 时,气泡上表面开始向上凸起;t =50.2m s 时,气泡继续膨胀,同时不再是规则的球形,随着爆炸产物的溢出,气泡表面也不再是光滑的表面㊂随后,气泡又开始新一轮的脉动,随着脉动过程中能量的消耗,各气泡脉动周期和气泡半径极大值逐渐减小,直至气泡能量被消耗殆尽㊂ 实验得到距药柱0.7m 处压力时程曲线,如图5所示㊂从图5中可以清晰地分辨出冲击波㊁第一次气泡脉动㊁第二次气泡脉动压力及周期,实验数据没有明显的干扰信号㊂由图5可知,首先传播的是初758 第4期 冯 凇,等:C L -20基炸药水中爆炸气泡脉动实验研究始冲击波,冲击波峰值压力高,压力为15.49M P a ,持续时间短,波形陡峭㊂冲击波过后,当气泡半径达到最大值时开始收缩,水中压力将低于静水压力,出现负压;而后当气泡半径邻近最小值时,水中的压力又逐渐上升,出现二次压力波,二次压力波的峰值压力虽远低于冲击波的峰值压力,但持续时间长,基本呈对称形状㊂因此其作用不容忽视,如图6所示㊂二次压力波之后还会出现三次压力波,二次压力波和三次压力波之间也会出现负压,但是二次压力波过后的气泡能量所剩无几,其作用可忽略不计,在此不作相关讨论㊂图6距离2号药柱0.7m 处冲击波压力与气泡第一次脉动压力时程曲线F i g .6P r e s s u r eh i s t o r i e s o f s h o c kw a v e a n db u b b l e p u l s e s a t 0.7mo f c a s e 2c h a r ge c o l u m n 2.2 C L -20基含铝炸药气泡脉动实验得到的C L -20基含铝炸药气泡脉动过程如图7所示㊂以3号药柱为例,与理想炸药相比,二者的气泡脉动规律大体一致㊂当t =25.3m s 附近时,气泡膨胀到最大(半径为68.1c m );t =50.2m s 附近时,气泡半径收缩至最小㊂对于含铝炸药,C o o k 等[15]提出了二次反应理论,首先是单质炸药和其他组分的爆轰,其次是在C -J 面之后,铝粉与爆轰产物间的二次氧化反应㊂二次反应放热发生时刻为炸药爆轰后的十几到几十微秒,铝粉相对于炸药是惰性物质,在反应动力学上对反应物的浓度起稀释作用,因而导致爆速㊁爆压及波阵面上的化学能降低㊂C L -20基含铝炸药达到气泡半径最大的时间以及气泡半径都比理想炸药大一些,这些都充分说明了含铝炸药二次反应放热的特点㊂图8反映了含铝炸药二次图73号药柱水中爆炸后气泡脉动过程图像F i g .7I m a g e s o f b u b b l e p u l s e f o r c a s e 3u n d e r w a t e r e x pl o s i o n 858爆 炸 与 冲 击 第38卷图83号药柱水中爆炸后气泡脉动过程铝粉二次反应图像F i g .8B u b b l e p u l s e f o r c a s e 3s e c o n d a r y r e a c t i o n p r o c e s s o f a l u m i n u mu n d e r w a t e r e x pl o s i o n 反应放热的现象:炸药爆轰结束后,铝粉与爆炸产物的二次反应放出大量的热,使气泡内的反应产物温度不断升高;在气泡收缩至最小半径时,此时气泡内压力最大,在持续的高压与高温作用下,气泡内部高图9距离3号药柱0.7m 处压力时程曲线F i g.9P r e s s u r eh i s t o r i e s a t 0.7m o f c a s e 3c h a r ge c o l u m n 温的二次反应产物产生火球㊂摄像机以幅频10000s -1拍摄,在1m s 内能够得到10幅气泡脉动图像,而气泡内部捕捉到49.5~49.8m s 四张图片,时间间隔只有0.4m s ,这也充分体现了高幅频摄像机在观测水下爆炸气泡实验中的优势㊂实验得到距C L -20基含铝炸药0.7m 处压力时程曲线,如图9~10所示㊂对比图5,C L -20基含铝炸药与C L -20基理想炸药水下爆炸冲击波传播规律大体相同,峰值压力为15.20M P a ,略低于C L -20基理想炸药;此外,从2幅图中可以直观地看出,2种炸药的脉动周期㊁二次压力波的大小及区别㊂4发实验水下爆炸参数如表2所示,1与2,3与4为平行实验,从实验结果来看,重复性较好㊂图10距离3号药柱0.7m 处冲击波压力与气泡第一次脉动压力时程曲线F i g .10P r e s s u r eh i s t o r i e s o f s h o c kw a v e a n db u b b l e p u l s e s a t 0.7mo f c a s e 3c h a r ge c o l u m n 表2实验药柱参数T a b l e 2P a r a m e t e r s o f e x pl o s i v e g r a i n 工况脉动周期/m s气泡半径/c m压力峰值/M P a146.7560.615.52246.7659.915.49349.9768.115.20450.4367.615.12958 第4期 冯 凇,等:C L -20基炸药水中爆炸气泡脉动实验研究2.3 C L -20基理想炸药与含铝炸药气泡脉动对比由图4和图7可以看出,气泡在膨胀阶段基本为球形,气泡收缩阶段为不规则球形,为了对比C L -20基理想炸药(2号药柱)与含铝炸药(3号药柱)的气泡脉动情况,对气泡半径进行近似处理㊂图11为2号药柱与3号药柱水下爆炸气泡半径随时间的变化曲线㊂与理想炸药相比,含铝炸药爆轰后气泡脉动周期较长,气泡半径较大:对于2号药柱非含铝炸药,气泡的脉动周期为46.76m s ,气泡最大半径为59.9c m ,3号药柱含铝炸药,气泡的脉动周期为49.97m s ,气泡最大半径为68.1c m ;C L -20基含铝炸药的气泡半径㊁脉动周期都明显升高,半径增大13.7%,周期增大6.9%㊂ 将气泡脉动过程中的直径-时间变化关系对时间微分,可以得到气泡膨胀㊁收缩速度随时间变化的关系曲线[16](图12)㊂图12中纵坐标为正值的曲线段对应气泡膨胀过程,炸药爆轰结束后,对应气泡膨胀速度最大,2号药柱起始膨胀速度约为132m /s ,3号药柱起始膨胀速度约为138m /s ,随着时间的推移,气泡膨胀速度逐渐减小直至零,此时对应气泡最大半径,气泡停止膨胀;纵坐标为负值的曲线段对应气泡收缩过程,随着时间增大收缩速度绝对值逐渐增大,2号药柱气泡收缩最大速度约109m /s (t =44.1m s ),3号药柱气泡收缩最大速度约为105m /s (t =48.0m s ),达到最大收缩速度后,气泡继续收缩同时收缩速度逐渐减小,当收缩速度为零时,气泡达到最小半径,此后气泡继续下一轮的膨胀和收缩㊂由于气泡脉动过程中抵抗水的阻力消耗了部分能量,气泡的起始膨胀速度大于收缩阶段的最大速度㊂从图12可以看出,速度纵坐标为正值代表气泡膨胀阶段,3号药柱气泡曲线段在2号药柱曲线段上方,说明含铝炸药气泡膨胀速度大于非含铝炸药,由于铝粉与爆炸产物的二次反应放热,使气泡内的压力升高导致膨胀速度加快;速度纵坐标为负值即气泡收缩阶段,3号药柱气泡曲线段在2号药柱曲线段上方,说明2号药柱非含铝炸药气泡收缩速度大于3号药柱含铝炸药,因为气泡收缩过程由流场中周围流体静压力驱动,当周围水的静水压力相同时,3号药柱含铝炸药气泡收缩速度小,表明3号药柱含铝炸药气泡内压力比2号药柱非含铝炸药气泡大,这从侧面反应了铝粉的二次反应放热特点㊂图11脉动过程中气泡半径随时间的变化F i g.11V a r i a t i o no f b u b b l e r a d i u s w i t h t i m e i n p u l s e p r o c e ss图12脉动过程中气泡膨胀㊁收缩速度随时间的变化F i g .12V a r i a t i o no f e x p a n d i n g a n d c o n t r a c t i n g ve l o c i t i e s of t h eb u b b l ew i t h t i m e i n t h e p u l s e p r o c e s s将气泡脉动速度时间关系曲线对时间微分,拟合得到气泡脉动加速度随时间变化关系[16],如图13所示㊂气泡膨胀过程中加速度的绝对值逐渐减小,即膨胀速度变化逐渐减慢,对应图12中速度曲线逐渐平缓以及图11中气泡半径逐渐增大;气泡收缩过程加速度绝对值逐渐增大,即速度变化加快,对应图12中速度曲线逐渐陡峭以及图11中气泡半径逐渐变小㊂从图13中可以看出,气泡刚开始膨胀阶段,2号药柱非含铝炸药气泡加速度绝对值要大一些,随着气泡的继续膨胀,3号药柱含铝炸药气泡加速度绝对值慢慢超过2号药柱非含铝炸药直至气泡最大半径处,加速度绝对值接近于零;随后气泡开始收缩,2号药柱非含铝炸药气泡加速度绝对值大于3号药柱含铝炸药,这都是含铝炸药中铝粉二次反应的缘故,释放的热量继续支持气泡的脉动过程㊂068爆 炸 与 冲 击 第38卷图13脉动过程中气泡膨胀㊁收缩加速度随时间的变化F i g .13V a r i a t i o n o f e x p a n d i n g a n d c o n t r a c t i n g ac c e l e r a t i o n s o f a b u b b l ew i t h t i m e i n t h e p u l s e p r o c e s s 3 结 论为研究C L -20基及其含铝炸药水下爆炸气泡脉动过程规律,采用水箱实验及高速摄影技术,基于小当量炸药水中爆炸试验,得到结论如下:获得C L -20基及其含铝炸药气泡脉动过程的图片,水中爆炸冲击波传播曲线;拟合得到气泡半径㊁速度㊁加速度与时间的变化曲线,对比分析发现,C L -20基含铝炸药的气泡半径㊁脉动周期都明显升高,半径增大13.7%,周期增大6.9%,冲击波峰值压力略有下降,C L -20基含铝炸药气泡膨胀速度快,收缩速度慢;在实验条件下,通过高速摄相技术,捕捉到C L -20基含铝炸药中铝粉与爆炸产物的二次反应放热,致使反应产物产生火球现象,可为今后的含铝炸药爆炸机理的研究提供了有效的实验手段㊂ 感谢中国工程物理研究院化工材料研究所聂福德研究员和杨志剑助理研究员提供的实验样品。

第1篇一、实验目的本次实验旨在通过模拟潜水内爆炸现象，研究爆炸对潜水器及周围环境的影响，为潜水器设计和安全防护提供理论依据。

二、实验背景随着深海探测技术的不断发展，潜水器在深海探测任务中发挥着越来越重要的作用。

然而，潜水器在深海作业过程中，面临着来自水压、生物、物理等多种风险。

其中，潜水器内部爆炸事故一旦发生，将对潜水员的生命安全造成极大威胁。

因此，研究潜水内爆炸现象，提高潜水器安全性能具有重要意义。

三、实验内容1. 实验材料（1）潜水器模型：采用1:10比例的潜水器模型，模拟实际潜水器结构。

（2）爆炸装置：选用TNT炸药作为爆炸源。

（3）传感器：包括压力传感器、温度传感器、加速度传感器等，用于监测爆炸过程中的各项参数。

（4）实验水池：模拟深海环境，水池深度为10米。

2. 实验步骤（1）将潜水器模型放入实验水池，确保其稳定性。

（2）在潜水器模型内部安装爆炸装置，确保爆炸源位于潜水器中心位置。

（3）将传感器连接至潜水器模型，并对传感器进行校准。

（4）启动爆炸装置，记录爆炸过程中的各项参数。

（5）观察潜水器模型及周围环境的损坏情况。

四、实验结果与分析1. 爆炸过程实验过程中，爆炸装置成功引爆，爆炸瞬间潜水器模型发生剧烈振动，压力、温度、加速度等传感器数据迅速上升。

爆炸过程中，潜水器模型周围水花四溅，实验水池水面出现大量气泡。

2. 潜水器模型损坏情况爆炸后，潜水器模型出现以下损坏情况：（1）壳体出现裂缝，部分区域出现变形。

（2）内部仪器设备损坏，部分部件丢失。

（3）模型周围水花四溅，实验水池内出现大量气泡。

3. 爆炸对周围环境的影响爆炸过程中，潜水器模型周围水花四溅，实验水池内出现大量气泡。

爆炸产生的冲击波对周围环境产生一定影响，但未对实验水池其他设施造成损坏。

五、实验结论1. 潜水内爆炸会对潜水器结构造成严重损坏，影响潜水器内部仪器设备正常运行。

2. 爆炸产生的冲击波对周围环境有一定影响，但未对实验水池其他设施造成损坏。

水下爆炸冲击波的传播特性试验研究水下爆炸对构筑物的破坏主要表现为冲击波和气泡脉动效应。

一般而言,气泡脉动通常起附加破坏作用,而冲击波起决定性作用。

水下爆炸冲击波的传播规律及其动力效应是水利水电工程、航运工程和爆破工程等领域关注的一个重要问题,直接关系到水下设施的安全和容器状构筑物爆破拆除参数的合理选取,因而具有重要的工程价值和理论意义。

本文以水下爆炸冲击波效应为研究契机,在有限的钢板水箱水域内开展了水冲击波试验研究。

首先,通过现场试爆及其现象分析,得出了药包布置原则；其次,利用高速摄影技术再现了水下爆炸冲击波波阵面的动态传播过程,并得出波阵面传播速度及其传播规律；根据水冲击波波阵面传播速度,得出不同距离处的峰值压力,并对水冲击波峰值压力、传播距离及药量关系进行分析,从而得出了小药量水下爆炸冲击波压力计算经验公式。

最后,选取水压爆破拆除工程实例,对试验结果进行验证,说明了药包布置原则的合理性、实用性。

主要得出以下结论：(1)利用高速摄影技术来观测水下爆炸冲击波的传播过程及测试其峰值压力是切实可行的；(2)试验条件一定,水下爆炸冲击波波阵面传播速度从零急剧上升到某一值,随后以波动形式迅速衰减,最终趋向于某一稳定值；(3)相同试验条件下,药量越大,水冲击波波阵面传播速度上升及衰减越快,且二次波峰值压力越大：(4)根据冲击波波阵面水动力学量之间的关系,得出水下爆炸冲击波波阵面传播速度所对应的峰值压力,并对其峰值压力、传播距离及药量进行分析,从而得出了小药量水下爆炸冲击波峰值压力计算经验公式,即当比例半径r/r0>5.649时,Pm=105.472(Q1/3/R)1.65；(5)在水压爆破工程中,对于开口式容器状构筑物,为提高炸药能量利用率,降低其能量损耗,则要求药包的入水深度h至少要大于容器内壁到爆心的距离R,即h>R；(6)药包布置位置要尽可能使冲击波波阵面同一时刻达到容器状构筑物侧壁,使容器状构筑物受力均匀为原则；(7)为减少自由水面卸载所造成的能量损失,条件适合时可在开口式容器状构筑物中注满水并对顶部做封闭措施。

水下气体射流数值研究一、研究背景水下气体射流是指在水下通过特定的装置将气体喷射进水中，形成一定的流场现象。

这种现象在海洋工程、海底资源开发、水下探测等领域具有广泛的应用。

为了更好地理解和掌握水下气体射流的特性，需要进行数值研究。

二、研究目的本次研究旨在通过数值模拟的方法，探究水下气体射流的流场特性和影响因素，为相关领域提供理论支持和技术指导。

三、研究方法采用计算流体力学（CFD）方法对水下气体射流进行数值模拟。

具体步骤如下：1.建立数学模型：根据实际情况确定数学模型及边界条件。

2.离散化：将连续的物理问题转化为离散化问题，采用网格划分技术将计算区域划分成小网格。

3.求解方程组：利用计算机运算能力求解离散化后得到的方程组。

4.后处理：对计算结果进行可视化处理和分析。

四、研究内容1.水下气体射流的流场特性：通过数值模拟得到水下气体射流的速度、压力、密度等参数，分析其在水中传播的规律。

2.影响因素分析：探究水下气体射流的喷射口形状、喷射速度、环境温度等因素对流场特性的影响。

3.优化设计：根据数值模拟结果，对喷射口形状、喷射速度等参数进行优化设计，提高水下气体射流的效果和应用价值。

五、研究成果1.得到了水下气体射流在不同条件下的流场特性和变化规律。

2.探究了影响水下气体射流的关键因素，并提出了一些优化建议。

3.为相关领域提供了理论支持和技术指导，推动了相关技术和应用的发展。

六、研究意义1.为海洋工程、海底资源开发等领域提供理论支持和技术指导，推动相关技术和应用的发展。

2.为环境保护、海洋生态保护等领域提供参考依据，促进可持续发展。

3.为数值模拟方法的应用提供了实践案例，推动了计算机科学和工程技术的发展。

七、研究不足之处1.数值模拟结果与实际情况存在一定误差，需要进一步改进算法和提高计算精度。

2.研究范围较为局限，需要更多的实验数据和理论探索来验证研究结论。

3.缺乏对水下气体射流在极端环境下的研究，需要进一步深入探究。

柱形装药气泡动态特性及射流冲击毁伤研究首先，论文研究的柱形装药是水中兵器常用的装药形式，在近场水下爆炸问题中，球形装药假设不再适用，装药形状和起爆时状态是需要考虑的两个影响因素。

其次，水下爆炸是舰船生命力的重要威胁，其载荷来源主要是冲击波和气泡的运动，其中冲击波及其破坏机理是以往的研究中人们关注较多的方面，而气泡运动产生的载荷直到近年来才逐渐引起人们的重视。

气泡运动所产生的载荷包括：气泡脉冲载荷、气泡脉动产生的滞后流载荷以及气泡坍塌形成的射流载荷，气泡脉冲和滞后流载荷呈低频特征，对舰船造成总体破坏，危及舰船的总纵强度，而气泡坍塌形成的高速射流可能引起舰船局部结构的剧烈毁伤。

目前射流冲击方面的研究开展得较少，特别是缺乏对气泡现象、射流、载荷性质与结构破坏响应全过程的机理认识。

为此，论文以柱形装药水下爆炸气泡为研究对象，以舰船安全性为研究目标，采用实验和数值模拟相结合的方法，主要研究气泡的动态特性和射流冲击载荷引起的船体结构破坏。

概括起来，论文的主要研究工作有：（1）从实验、理论和数值模拟三个方面综述了舰船非接触水下爆炸的研究和发展状况。

对气泡动力学研究的方法、内容和进展进行了较为全面地总结，指出了爆炸气泡与空化气泡之间存在的重要区别，分析了研究非球形装药水下爆炸气泡的必要性和可行性；（2）对比分析了球对称气泡模型和广义气泡动力模型的特点和局限性。

分析表明，初始参数的确定方法制约了广义气泡动力学模型在非球形装药和不同起爆状态情况下的应用；（3）建立了实验室尺度的水下爆炸实验方法，包括实验装置的设计、气泡产生源的选取、测试技术以及影响因素的分析。

建立了实验数据处理方法，并论证了论文所采用实验方法的可行性；（4）将多物质ALE有限元模型与边界元模型接合，建立了非球形水下爆炸气泡动力学模型，该模型能够模拟从炸药爆轰到气泡在水中发展运动的跨时间尺度问题，并计及了装药的形状和起爆时状态等因素。

通过实验验证了数值模型的有效性和适用性；（5）应用实验和数值模拟方法获得了柱形装药水下爆炸气泡在自由场中整体和局部运动特性的基本现象和规律，并对气泡坍塌形成射流的过程进行了分析，发现气泡运动形成射流的过程与气泡的非球形坍塌有着密切的联系，得到了非球形气泡的坍塌过程与初始气泡表面局部曲率半径有关的坍塌机制；（6）采用非球形水下爆炸气泡动力学模型得到了边界附近气泡的周期、半径或形态演变、迁移和射流等基本性质。

深度研究报告：水下气体射流数值研究1. 研究目标本研究的目标是通过数值模拟方法，深入研究水下气体射流的流动特性、传热与质量传递等相关参数，并探讨其对水下环境的影响，从而为工程设计和环境保护等领域提供可靠的理论支持。

2. 方法2.1 数值模拟模型建立本研究采用计算流体力学（CFD）方法，基于Navier-Stokes方程和质量守恒方程，建立了水下气体射流的数值模拟模型。

在模型建立过程中，考虑了以下因素：•水下环境的物理性质和几何形状；•射流的初始条件、出口速度和温度等参数；•流体的实际物性参数，如密度、黏度等；•边界条件和约束条件。

2.2 网格生成与离散基于模型建立的要求，采用适当的网格生成算法生成合适的计算网格。

对于复杂的水下几何形状，可以采用介质接口法（VOF）或非结构网格生成算法等。

在生成的网格上，采用合适的离散格式和求解方法进行计算。

2.3 数值计算与仿真根据上述模型建立和网格生成，利用CFD软件（如OpenFOAM、ANSYS Fluent等）进行数值计算和仿真。

通过数值计算，获取水下气体射流的流动场、温度场、浓度场等信息。

2.4 数值模拟验证与优化在进行数值模拟前，需对建立的数值模型进行验证与优化。

可以通过和实验数据对比、数据拟合等方法进行模型修正和优化，确保数值模拟结果的准确性和可靠性。

3. 发现通过以上的数值模拟与分析，我们得到了以下发现：•水下气体射流在射流孔出口附近存在明显的涡旋和湍流现象；•射流速度、出口温度和浓度对射流流动的影响较大，对于不同的工况需要进行不同的调节；•水下环境的水流速度、悬浮物颗粒等因素对射流传播和混合有较大影响；•水下气体射流在水体中传热与质量传递效率较高，可用于水下温度和浓度的调控。

4. 结论基于以上的研究发现，得出以下结论：•水下气体射流的数值模拟方法能够准确预测射流的流动特性、传热与质量传递等参数；•水下气体射流在调控水下环境温度和浓度方面具有潜在应用价值；•射流流动的调控需要考虑射流速度、出口温度和浓度等参数的调整；•研究所得的结果对于水下工程设计、环境保护等领域具有重要的指导意义。

近场水下爆炸气泡脉动及水射流的实验与数值模拟研究文彦博;胡亮亮;秦健;张延泽;王金相;刘亮涛;黄瑞源【期刊名称】《爆炸与冲击》【年(卷),期】2022(42)5【摘要】海上作战时,近场水下爆炸形成的水射流能造成水面舰船结构的严重局部毁伤。

为了研究近场爆炸时舰船底部水射流的形成机理及规律,开展了TNT当量2.5 g的炸药在固支方板底部不同爆距下起爆的水下爆炸实验。

结果表明,气泡坍塌形成水射流的过程随着爆距的增加由吸附式向非吸附式转化。

接着,基于ABAQUS 软件采用CEL方法开展了系列数值模拟,结果表明:爆距在0.821~0.867倍最大气泡半径时,存在吸附式射流向非吸附式射流转化的临界点;固支方板加快了气泡坍塌的进程,炸药与钢板间的距离越小则射流形成的时间越早;射流形成过程中最大速度和射流击中钢板时速度均随着爆距的增大先增大后减小,并在临界点附近达到最大值,射流速度最大可达621 m/s,射流击中钢板时速度最大可达269 m/s。

最后,给出了射流开始形成时间、射流最大速度、射流最大速度出现时间、射流击中钢板速度和射流击中钢板时间与距离参数的函数关系式。

【总页数】19页(P71-89)【作者】文彦博;胡亮亮;秦健;张延泽;王金相;刘亮涛;黄瑞源【作者单位】南京理工大学瞬态物理国家重点实验室;福州大学土木工程学院;上海宇航系统工程研究所;海军研究院【正文语种】中文【中图分类】O382.1【相关文献】1.水下爆炸冲击波和气泡脉动的数值模拟研究2.水中爆炸冲击波传播与气泡脉动的实验及数值模拟3.刚性壁或刚性单柱附近水下爆炸气泡脉动的数值研究4.小当量梯恩梯水下爆炸气泡脉动的数值模拟5.水下爆炸气泡脉动的实验及数值模拟因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

水中电爆炸气泡动态特性试验研究赵海峰;操戈【摘要】由于现实大药量水下爆炸实验的气泡运动性态,难以很好地利用高速摄影进行拍摄.本文通过自主设计的实验电路,模拟水下电爆炸的各种工况,证明了低电压充放电电路实现水下微型电爆炸的可能性,可以较好地得到水下爆炸后气泡脉动和射流的诸多特性,为揭示水下爆炸气泡运动特性提供了参考.【期刊名称】《船电技术》【年(卷),期】2013(033)005【总页数】4页(P23-26)【关键词】水下电爆炸;高速摄影;气泡;脉动;射流【作者】赵海峰;操戈【作者单位】海军工程大学,武汉430033;海军某代表室,武汉430060【正文语种】中文【中图分类】TJ5研究水下爆炸的特性，除了之前较为系统的理论结论，数值计算和仿真模拟也都是较有效的手段，国内的张振华[1-2]等在这方面做了大量的工作。

水下爆炸所具有的多种特性使得研究起来较空中爆炸更为复杂，因为水下爆炸对水中结构物的毁伤效果不仅仅是依靠爆炸的冲击波能量，其产生的气泡脉动以及近距爆炸产生的射流冲击对结构物的实际破坏作用也十分显著，越来越受到国内外学者的关注，成为研究的热点。

由于使用普通炸药进行水下爆炸，存在实验器材复杂，费用较高，人员的安全性和水下气泡脉动特性拍摄困难等诸多问题，许多学者开始使用可控性高和光测效果更好的电爆炸，并结合高速摄影技术进行试验，取得了令人满意的效果。

如Chahine[3]，Blake[4]等和张寒虹[5-7]等研制的高压电水下电爆炸装置，Turangan[8]等和张阿漫等研制的低压电水下电爆炸装置。

本实验采用电容充电电路水中打火放电的原理，将短接金属丝瞬间熔化，产生所要求的气泡脉动效应。

实验并且能够测量在一定放电储能的条件下金属丝爆炸所释放的能量，可以对各种不同工况下气泡的动态响应进行分析。

本实验简单、易操作、安全性较好，能较好实现水下爆炸的相关情景，对气泡运动规律的研究具有一定价值和意义。

1.1 气泡产生原理通过充电电路将高储能电容器充满电能，然后通过放电电路瞬间放电，较大的电能将搭接的金属丝瞬间(在几微秒内)熔化；熔化后的金属进一步汽化，形成高温、高压的金属蒸汽，金属蒸汽扩散膨胀进而带动周围水介质形成气泡。

水下超声速气体射流的初始流动特性研究水下超声速气体射流是个重要的工程应用。

它可以应用于水下爆炸、影响海洋环境、控制水动力特性、从而影响海洋地表物理学和动力学过程。

它的初始流动特性受多种因素的影响，如气体组成，射流形式和流量以及射流的温度、压力、流速和浓度的变化等。

本文将系统地研究水下超声速气体射流的初始流动特性，包括稳定性和相变现象。

气体在水下超声速射流中是一个重要的输入参数，气体组成决定了流体的物性参数，如密度、温度、压力等。

一般情况下，高压气体的密度比低压气体的密度大，温度高压也高于低压气体的温度。

因此，在高压环境下，射流中的能源参数更高，流体的总压力也更大。

同时，气体的分子结构会影响射流的流动特性。

射流的形式有很多种，如锥形、球形、波形和双喇叭形等。

每一种形式都会影响射流的流动特性。

比如，双喇叭型射流形式容易产生湍流，而单喇叭型射流形式往往易于稳定。

此外，射流的流速也会影响射流的流动特性。

随着超声速射流的流速的提高，有可能引起不同的流动现象，如组织失稳、相变和湍流稳定等。

在超音速射流系统中，由于单位时间内空气静压梯度的存在，射流会受到自身压力不平衡的影响。

这种压力不平衡会使流体在流动方向上产生脉动和不稳定性，从而影响初始流动特性。

气体射流与水体、固体接触后，射流会受到水体或固体的影响，因此，射流的流动特性也会受到影响。

比如，水体可能会增强射流的旋转作用，从而影响射流的流动特性。

此外，射流的流量也会对射流的流动特性产生影响。

最后，气体组分、射流形式和流量变化以及射流温度、压力、流速和浓度的变化都会影响水下超声速气体射流的初始流动特性。

因此，在研究水下超声速气体射流的初始流动特性时，必须考虑以上因素，以便探究不同参数对射流流动性能的影响。

为了解水下超声速气体射流的初始流动特性，研究人员已通过数值模拟和实验研究来分析不同因素对超声速射流流动性能的影响。

例如，El-Maqraby等人[1]模拟了不同形式的气体射流，他们发现，流量和温度等参数对射流的流动特性有显著影响。