水下爆炸气泡脉动特性的试验研究

目前水下爆炸的试验测试方法主要有高速摄影 技术、水下爆炸载荷测试技术、水下爆炸结构响应测 试技术…．其中用高速摄影技术来研究气泡的运动 规律有很多优点，可以直观的观察气泡的产生、脉 动、溃灭的近似完整的动态过程，通过对拍摄的照片 进行分析可以准确地得到气泡脉动的周期和气泡最 大半径．国外已有很多将高速摄影技术应用于水下 爆炸试验研究的先例．Ａｋｉｏ Ｋｉｍ利用高速摄影技 术，获得了大量球形爆炸物水下爆炸时的现象及水
图４气泡半径比较图 Ｆｉｇ．４ Ｂｕｂｂｌｅ ｒａｄｉ鹏
表２试验结果与理论公式对照表
Ｔａｂｌｅ ２ Ｅｘｐｅ血Ｉｅｎｔａｌ粕ｄ ｔｈ∞ｎＨｃ懈Ｉｌｌｔｓ
．试验气文献［４恢献［５］实验测文献［４］文献［５］
泡半径 公式 公式 量周期 公式 号
公式
万方数据
哈尔滨工程大学学报
第２８卷
图５脉动周期比较图 Ｆｉｇ．５ ｎｅ ｐｅｒｉｏｄ ０ｆ ｂｕｂｂｌｅ ｉ唧ｕｌｓｉｏｎ 气泡膨胀到最大时，气泡内的压力也是气泡脉
获得了很好的模拟结果Ｈ１；Ｈ．Ｇ．Ｓｎａｙ通过判读水 下爆炸高速摄影所获得的气泡产生和脉冲过程等图 片，对半无限水介质水下爆炸的流体力学进行了深 人的研究旧１．但是这些研究资料国内都比较难以获 得．国内对水下爆炸气泡特性研究也基本停留在简 化的理论分析或者在试验中通过测量结构响应来分 析气泡脉动周期和其他特性．方正、李世海等就是通 过测量地基和水中结构物的振动现象来对水下爆炸 气泡脉动周期进行了研究口】．目前由于试验条件的 限制，国内还很少通过高速摄影直观的对水下爆炸 气泡脉动的特性进行研究，相关的研究文献尚未见 报道．
［３］方正，李世海．水中爆炸气泡脉动周期的试验研究 ［Ｊ］．工程爆破，２００ｌ，７（２）：２９—３３． ＦＡＮＧ ｚｈｅｎｇ，ｕ Ｓｈｉｌｌａｉ．ｓｔｕｄｙ∞ｐｅｒｉｏｄ ０ｆ ｂＩｌｂｂｋ ｉｍｐＩｌｌｓｉｏｎ ｉｎｄｕｃｅｄ ｂｙ ｕｎｄｅｌｌ＾ｒａｔｅｒ ｅｘｐｌ０８ｉｏｎ［Ｊ］．Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｂ１ａｓｔｉｎｇ， ２００ｌ，７（２）：２９—３３．
参考文献：
［１］尹群，陈永念，胡海岩．水下爆炸研究的现状和趋势 ［Ｊ］．造船技术，２００３（６）：６—１２． ＹＩＮ Ｑｕｎ，ＣＨＥＮ Ｙｏｎ印ｉ粕，ＨＵ Ｈａｉｙ肌．ＳｕⅡ吼ａｒｙ ｏｆ ｐｒｅ８ｅｎｔ 陀舱ａｒｃｈ ｓｉｔｕａｔｉ帆蚰ｄ ｔＩ．ｅｎｄ ０ｆ ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ ｅｘｐｌｏｓｉ彻［Ｊ］． ｓｈｉｐｂｕｉｌｄｉｎｇ ７ｒｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００３（６）：６一１２．
第２８卷第４期 ２０ｃｒ７年４月
哈尔滨工程大学学报 Ｊｏｕｍａｌ ｏｆ Ｈａｒｂｉｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ＵｎｉＶｅｒｓｉｔ）ｒ
Ｖ０１．２８№．４
Ａｐｒ．２００ｒ７
水下爆炸气泡脉动特性的试验研究
朱锡，牟金磊，洪江波，黄晓明，李海涛
（海军工程大学船舶与动力学院，湖北武汉４３００３３）
摘要：为了分析水下爆炸气泡的脉动特性，直观地观察水下爆炸气体产物的脉动过程，将高速摄影技术应用于水 下爆炸试验研究，观察到了气泡在水中发生多次脉动直至最后溃灭的全过程．通过对所得照片的分析，得到了不同 药量水下爆炸的气泡最大半径和脉动周期等宝贵的第一手数据．将试验结果与已有的水下爆炸理论公式进行了比 较分析，试验数据与理论公式计算结果吻合较好，从而在进一步试验验证理论计算公式正确性的同时，证明了高速 摄影技术在水下爆炸气泡脉动特性试验研究中的重要作用． 关键字：水下爆炸；气泡脉动；高速摄影；试验研究
ｐｏｒｔａｎｃｅ ｏｆ ＨＳＰ ｉｎ ｓｔｕｄｙｉｎｇ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｂｕｂｂｌｅ ｉｍｐｕｌｓｉ仰ｉｎｄｕｃｅｄ ｂｙ ｕｎｄｅｌｗａｔｅｒ ｅｘｐｌｏｓｉｏｎｓ．
Ｋ叼ｒｗｏｒｄｓ：ｕｎｄ唧ａｔｅｒ ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ；ｂｕｂｂｌｅ ｉｍｐｕｌｓｉｏｎ；ｈｉｇｈ ｓｐｅｅｄ ｐｈｏｔｏｇｒａｐｈｙ（ＨＳＰ）；ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｓｔｕｄｙ
万方数据
第４期
朱锡，等：水下爆炸气泡脉动特性的试验研究
·３６７一
表示摄像头位置，Ｄ为炸药中心位置，曰Ｃ间为炸药
处镜头的视野范围，在照片上所观察到的气泡的半
径变化实际只是加的变化，沿ＡＤ方向投影到ＢＣ
上，即为ＤＦ的变化．因为ＢＣ位置固定，曰Ｃ的长度
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也可以事先准确标定，所以０Ｆ的长度也可以从照
片上测量得到．记镜头至炸药中心距离ＤＡ为Ｚ，气
动的重要特性．若爆炸生成物可视为比热比ｙ为常 数的理想气体，而且其状态的变化是按绝热律进行
的，其压力与体积的关系为［４１
Ｐ（∥形）７＝后．
（６）
式中：．｜｝为常数，琼斯通过计算给出了当尸＜３２ ＭＰａ
时可用于ＴＮＴ的绝热方程式Ｐ（∥形）“２５＝１．３８７×
１０５【引，其中形为炸药重量，ｋｇ；Ｐ为气泡压力，Ｐａ；ｙ 为气泡体积，ｍ３．
ｃｈ锄ｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｄｉｒｅｃｔｌｙ ｏｂｓｅｒｖｅ锄ｄ ａｎａｌｙｚｅ
ｏｆ ｔｈｅ ｉｍｐｕｌｓｉｏｎ ｏｆ ｂｕｂｂｌｅｓ ｉｎｄｕｃｅｄ ｂｙ ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ
ｅｘｐｌｏｓｉｏｎｓ，ｈｉｇｌｌ ｓｐｅｅｄ ｐｈｏｔｏｇｒａｐｈｙ（ＨＳＰ）ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｗ鹊印ｐｌｉｅｄ ｔｏ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ｆｏｒ ｏｂｓｅｒｖｉｎｇ ｔｈｅ ｐｒ０Ｈｃｅｓｓ ｏｆ ｂｕｂ—
ｂｌｅ ｉｍｐｕｌｓｉｏｎ．Ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ ｄａ协，鲫ｃｈ鹪ｍａｘｉｍａｌ ｍｄｉｕ８ ａｎｄ ｐｅｒｉｏｄ ｏｆ ｂｕｂｂｌｅｓ ａｔ ｖａｒｉｅｄ ａｍｏｕｎｔ ｏｆ ｅｘｐｌｏｓｉＶｅ８，’ｗ嬲
ｏｂｔａｉｎｅｄ ｂｙ锄ａｌｙｚｉｎｇ ｔｌｌｅ ｐｈｏｔｏｓ．ＯｂｓｅⅣｅｄ ｒｅｓｕｌｔｓ ｗｅｒｅ ａ殍．ｅｅａｂｌｅ ｗｉｔｈ ｔＩｌｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｆｏ珊ｕｌａｔｉｏｎｓ，越ｆｉｎ］ｌｌｉｎｇ ｔｈｅ ｉｍ—
中图分类号：ｕ６６１．６文献表示码：Ａ文章编号：１００６刁０４３（２００７）０４旬３６５硝
Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｓｔｕｄｙ ｏｆ ｃｈａｒａｃｔｅｒｓ ｏｆ ｂｕｂｂｌｅ ｉｍｐｕｌｓｉｏｎ ｉｎｄｕｃｅｄ ｂｙ ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ ｅｘｐｌｏｓｉｏｎＳ
ＺＨＵ Ｘｉ，ＭＵ Ｊｉｎ－ｌｅｉ，ＨＯＮＧ Ｊｉａｎｇ－ｂｏ，ＨＵＡＮＧ Ｘｉａｏ－ｍｉｎｇ，Ｕ Ｈａｉ－ｔａｏ （Ｃｏｕｅｇｅ“Ｎａｖａｌ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｍ蛐ｄ Ｐｏｗｅｒ，Ｎａｖａｌ Ｕｌｌｉｖ吣ｉｔｙ ｏｆ ＥｎｇｉｎｅｅｒｉＩｌｇ，Ｗｕｈ粕４３００３３，Ｃｈｉ∞）
１试验设计与实施
试验在大型室内水下爆炸容器进行，并配有具
万方数据
·３６６·
哈尔滨工程大学学报
第２８卷
备带像增强管的Ｆ鹬ｔｃ砌Ｕｌｔｉｍａ ＡＰｘ Ｉ ２型高速摄
影机，如图１所示．该机拍摄速度最高可达每秒１２ 万幅，分辨率最高为ｌ ０２４×１ ０２４像素，最大记录时 间为３ ｓ．该爆炸试验容器为圆柱形，高６ ｍ，直径 ５ ｍ，四周设置有多个高速摄影观察窗，可借助高速 摄影机对水下爆炸气泡运动规律行进实时观测．
图３气泡半径测量
Ｆｉｇ．３ Ｍｅ船ｕｒｉＩｌｇ ｂｕｂｂｌｅ ｒａｄｉｕｓ
按照以上方法测量每个工况第一次气泡脉动过
程中所达到的最大半径．， ２．２试验结果分析
关于水下爆炸气泡脉动最大半径和周期计算，
已经有很多简化理论公式．比较典型的有以下２种．
１）文献［４］提出了气泡最大半径和脉动周期的 简化计算公式，认为气泡半径和周期可由以下公式 计算：
大，最终气泡膨胀到最大时的压力相差不大，都约为
０．４个大气压，这也验证了以上气泡压力与炸药深 度相关，与炸药重量关系不大的结论．
表３气泡压力计算结果
Ｔａｂｌｅ ３ Ｐ瑚ｓｕｒｅ ｉｎｓｉｄｅ恤ｅ ｂｕｂｂｌｅ
３ 结论
１）所建立的水下爆炸气泡脉动特性高速摄影 试验测试系统和方法，用于小药量水下爆炸测试是 可行有效的；
下 和Ａ冲ｒｂ击ｉｔ波ａｒ的ｙ【传唧播ｇ轨 ｉ锄迹一，Ｅｕ并ｌｅ利ｒｉ用ａｎ非方线法性进曲 行线 模拟拟实合验技，术
收稿日期：２００６一０９—２０． 基金项目：国家安全重大基础研究项目（５１３３５０２０１０１）．
＠１６３．咖． 作者简介：朱锡（１９６ｌ一），男，教授，博士生导师，Ｅ·ⅫＩｉＩ：小ｕｘｉ８１６
根据公式（２）、（６）可以很容易看出，气泡体积
与药量之比∥形只是静水压力Ｐｏ的函数，所以气
泡膨胀到最大时的压力只与气泡所在位置的静水压
力有关，即与炸药水深有关．根据炸药重量、试验测
量的气泡半径和上述公式，可以计算出气泡膨胀到
最大时的气泡内压力，结果列于下表３．由表３可以 看出，由于炸药深度相差不大，虽然炸药重量相差很
在高速摄影拍摄过程中由于可以设置拍摄频率
图２气泡脉动过程
Ｆｉｇ．２ Ｂｕｂｂｌｅ ｉｍｐｕｌｓｉｏｎ ｐｒ０Ｈｃｅｓ８
２．１．２ 气泡半径 气泡半径可以从拍摄的照片中获得．由于从摄
像头观察气泡，只能看到一个球冠，如图３所示．所 以直接从照片中读得的数值并不是真正的气泡半 径，需要进行换算才能计算出气泡半径．在图２中Ａ
ｒ一＝（器广，
．（２）
ｒ：１．１ｗ尼筹．
（３）
式中：Ｅ为冲击波辐射后爆炸生成物内剩余能量，拉 姆曹威尔算出这一能量为总能量的４１％‘４１，即Ｅ＝
０．４１叩，形为炸药重量，ｋｇ；Ｑ为炸药爆热，ｎ盯取
为４．１９×１０６Ｊ／ｋｇ；ｐ０为炸药密度，ｋｇ／ｍ３；‰为爆炸
深度处流体静压力，阢
２）文献［５］中也给出了水下爆炸气泡最大半径
［４］库尔．水下爆炸［Ｍ］．北京：国防工业出版社，１９６０． ［５］松佐夫Ｈ Ｈ．水下和空中爆炸理论基础［Ｍ］．北京：国防
工业出版社，１９６５． ［责任编辑：郑可为】
万方数据
水下爆炸气泡脉动特性的试验研究
２）经过多次不同工况的试验，获得了关于水下 爆炸气泡脉动特性的数据和图片等宝贵资料；
３）试验结果分析知，利用文献［４］或者文献［５］ 中的理论公式计算水下爆炸气泡半径和脉动周期与 试验数据基本吻合，从工程角度来看利用这些简化 公式预报是可以接受的；
４）爆炸气泡脉动到最大半径时的气泡内压力 基本上与药量无关，在离水面１ｍ左右爆炸时，气泡 膨涨到最大时的内压约为Ｏ．４个大气压．
图ｌ高速摄像机 Ｆｉｇ．１ Ｈｉ曲ｓｐｅｅｄ ｖｉｄｅｏ ｃ踟ｅｍ 试验分不同工况进行，变化的量主要有炸药的 重量和炸药离水面的距离，同时利用高速摄影机记 录水下爆炸气体产物的运动的过程．
表１试验工况 ＴａｂＩｅ １ ＥｘｐｅｒｉＩＩＩｅｍ ｃａｓ器
２试验结果及分析
在试验中，高速摄影机基本完整的记录了各个 工况下水下爆炸气泡的运动过程，从中可以很容易 的得到气泡的脉动周期和最大半径． ２．１试验结果 ２．１．１脉动周期
（即照片拍摄的时问问隔），因此通过读照片很容易 得到气泡脉动的周期．在不同的工况下，拍摄到的清 晰的脉动次数不同，但是第一次脉动都很明显．试验 实测不同药量下水下爆炸气泡脉动周期．
图２以工况２（１２ ｇ炸药水深１．１５ ｍ）为例，给 出了气泡运动过程中不同阶段的照片．从该组照片 中可以清晰地看到气泡前３次脉动过程，以及在第 ４次脉动过程中气泡变形、溃灭，最后变成许多小气 泡浮出水面．
［２］罗松林，叶序双．水下爆炸研究现状［Ｊ］．工程爆破， １９９９，５（１）：８４—８７． ＬｕＯ Ｓｏｎｇｂｎ，ＹＥ ｘ璐ｈｕ肌ｇ．Ｓｕｍｍａｒｙ ０ｆ ｐｒ｝ｅｓｅｎｔ麟ｅａｒｃｈ ｓｉｔｕａｔｉ明ｏｆ ｕｎｄｅｒ啪成ｅｒ ｅｘｐｌｏｓｉ伽［Ｊ］．Ｅｎ舀ｎｅｅｒｉｎｇ Ｂｌ鹊ｔｉｎｇ， １９９９，５（１）：８４—８７．
泡半径ＤＤ为ｒ，照片上测量的气泡半径Ｄ，为６，则
一尚·
（１）
／
∥钸
‘＼义 ＼
ｒ一＝矿南ｒｏ， 和脉动周期的计算方法：
（４）
ｒ喝而鲁≯
（５）
式中：磁由实验确定，对ｒＩ．ＮＴ炸药为磁＝３０，对应 的坼＝Ｏ．２９５；＾为炸药距水面距离，ｍ；形为炸药重 量，ｋｇ．
利用以上２种理论，计算气泡半径和脉动周期， 并与试验结果进行对比将比较结果用图４和图５ 直观地表示出来．从表２和图３、图４中可以看出气 泡半径试验结果与这２种理论计算结果都比较吻 合，脉动周期试验结果与文献［５］公式吻合很好，略 小于文献［４］公式．就气泡半径而言，除试验４外， 其余试验测量结果略大于理论计算，产生这种现象 的原因可能是由于在室内有限容器内试验引起的．