高速摄影是当前研究水下爆炸气泡脉动特性最有效的实验手段^[1-3]。国内外学者对球形药包水下爆炸气泡脉动特性进行了大量研究, 取得了重要的研究成果^[4], 但是对柱形药包水下爆炸气泡脉动特性的研究并不充分。Menon^[5]研究发现导爆索水下爆炸为非球形坍塌, 形成对碰射流; 颜事龙^[6]获得了条形药包水下爆炸冲击波参数和气泡脉动参数; 黄超^[7]计算获得了端面起爆柱形装药产生的初始气泡和气泡运动状态。从上述研究成果可以看出, 柱形装药水下爆炸气泡的动态特性与球形装药水下爆炸气泡存在明显不同, 但国内外这方面的研究甚少, 很不系统, 还有许多问题没有解决。

贾虎^[8]研究了竖向放置单根低能量导爆索水下爆炸气泡脉动特性, 获得了气泡脉动周期、脉动直径等特征, 发现气泡脉动的最大直径可达11.2cm。文献[10]在传统气泡帷幕减震技术的基础上, 将低能量导爆索缠成网状, 利用其爆炸产生柱状气泡的特性, 提出了爆炸气泡帷幕削能新理念, 并对爆炸气泡帷幕削能设想进行了实验研究。为了解低能量导爆索放置方式对气泡脉动特性及爆炸气泡帷幕削能特性的影响, 对水平放置的低能量导爆索和竖向及水平放置的两根低能量导爆索水下爆炸气泡脉动特性进行了研究, 揭示了低能量导爆索气泡脉动的特性, 以指导爆炸气泡帷幕削能研究。

水下爆炸实验在Φ2 m×2.5 m, 壁厚26 mm的钢制圆筒形试验装置中进行, 在距离地面1.2 m处开设有拍摄窗口, 便于高速摄影拍摄气泡脉动规律。光测系统布设如图 1所示, 采用CamRecord 1000高速摄像机, 拍摄频率1000~200000 fps, 最高分辨率1280×1024像素。

图 1(Fig. 1)

图 1 水下爆炸实验光测系统 Fig.1 Optical measurement system of underwater explosion test

由于文献[8]已经研究了竖向放置单根低能量导爆索的气泡脉动特性, 所以本工作主要研究水平放置单根低能量导爆索、竖向及水平放置相邻两根低能量导爆索的气泡脉动现象。

选用的低能量导爆索为RDX装药, 铝制外壳, 课题组采用柔性金属工艺, 利用新型导爆索轧制工艺方案和生产设备生产, 线装药密度1.8 g·m^-1, 直径1.8 mm, 爆速为7900 m·s^-1, 长度均为1.2 m。

为了方便低能量导爆索的布设, 将单根及两根低能量导爆索固定在边长为1 m的正方形钢圈上, 如图 2所示。

图 2(Fig. 2)

图 2 低能量导爆索布设方式 Fig.2 Layout way of low energy detonating cord

由于拍摄窗口的限制, 只能选取低能量导爆索中间的一部分作为拍摄对象, 将正方形钢圈的中心位置保持在水深1.2 m处(即拍摄窗口的中心的位置), 以保证拍摄到低能量导爆索和标尺。同时, 将试样放置在摄像机的最佳视场范围内, 保证最佳的成像效果。由于低能量导爆索水下爆炸冲击波和气泡脉动呈现较好的轴对称性^[9], 选取的拍摄段能反映低能量导爆索的气泡脉动特性。

为了判读气泡直径, 采用平均值法, 即在拍摄所得图像上, 从上到下等距离选取10个测点, 对10个测点进行测量, 然后取平均值作为判读直径。由于受到摄像机镜头尺寸的限制, 镜头拍摄到的气泡图像所显示的大小并非气泡的真实尺寸^[11]。图像显示的气泡尺寸仅为圆柱形气泡直径长度的一部分, 气泡实际直径计算公式可参考文献[8]。

水平放置单根低能量导爆索水下爆炸气泡脉动现象如图 3所示。

图 3(Fig. 3)

图 3 水平放置单根低能量导爆索水下爆炸气泡脉动过程的典型图像 Fig.3 Typical images of the pulsation process of underwater explosion bubble for single horizontal low energy detonating cord

由图 3可以清晰观察到拍摄段两次气泡脉动的过程。拍摄段水下爆炸起爆后初始产生较为规则的柱形气泡并迅速膨胀, 在8 ms时气泡直径达到最大值6.9 cm, 接着在内外压的作用下, 气泡迅速收缩, 在11.5 ms时达到最小直径3.0 cm。随后气泡再次膨胀和收缩, 第二次气泡脉动过程中, 气泡边界不再清晰, 这主要是由于低能量导爆索爆炸后残留的金属外壳形成的大量碎片在第一次气泡收缩时击穿气泡。第二次气泡脉动过程中, 浮力作用明显, 气泡整体上浮。水平放置时低能量导爆索水下爆炸气泡脉动持续时间长, 200 ms时仍可见大量小气泡。其第一次和第二次气泡脉动直径随时间变化的规律如图 4所示。

图 4(Fig. 4)

图 4 水平放置单根低能量导爆索前两次脉动过程中气泡直径随时间变化 Fig.4 Change in bubble diameter with time in the first two pulsation process of single horizontal low energy detonating cord

采用图 2所示的方法竖向布设两根低能量导爆索, 两导爆索的间距设置为10 cm, 一发雷管同时起爆两根低能量导爆索。其拍摄段水下爆炸气泡脉动过程如图 5所示。

图 5(Fig. 5)

图 5 竖向放置两根低能量导爆索水下爆炸气泡脉动过程的典型图像 Fig.5 Typical images of the pulsation process of underwater explosion bubble for two vertical low energy detonating cords

由图 5可以看出, 竖向放置两根低能量导爆索同时起爆后, 两导爆索产生的水中冲击波在两导爆索形成的平面中间相遇; 拍摄段由于高温高压的爆轰产物压缩周围流体迅速膨胀而形成两个圆柱形气泡。

竖向放置两根低能量导爆索水下爆炸第一次气泡脉动周期是27.5 ms, 比文献[8]中观察到的竖向放置单根低能量导爆索第一次气泡脉动周期(21.5 ms)长, 究其原因主要是由于两气泡间距小, 膨胀阶段相互排斥, 收缩阶段互相吸引, 阻止双方的膨胀和收缩, 从而抑制气泡的运动, 延长气泡的脉动周期。图 5中看出, 拍摄段的两根低能量导爆索气泡膨胀初期保持圆柱形, 而随着脉动半径的逐渐增大, 气泡外轮廓不再保持标准的圆柱形(t=24.5 ms及其以后的图像中可以看出), 这一方面是因为相邻两圆柱形气泡间距过小, 相互之间阻力的影响, 另一方面是爆后导爆索爆炸碎片到达气泡边缘, 击穿气泡。

62 ms之后两气泡开始相互融合, 79.5 ms时完全融合成图形近似规则的气泡帷幕, 该气泡帷幕持续时间长, 323 ms时仍清晰可见, 但气泡帷幕的厚度伴随着气泡的膨胀和收缩逐渐变薄。水下爆炸1130 ms后, 该区域仍有大量的小气泡, 这些小气泡的存在能显著增加水下爆炸混响效应。

采用图 2的布设方式, 将两根低能量导爆索间距10 cm并排布置在正方形钢圈上, 放置在水中时, 保持两根低能量导爆索水平放置, 由一发雷管同时起爆, 气泡脉动过程如图 6所示。

图 6(Fig. 6)

图 6 水平放置两根低能量导爆索水下爆炸气泡脉动过程的典型图像 Fig.6 Typical images of the pulsation process of underwater explosion bubble for two horizontal low energy detonating cords

从图 6可以看出, 拍摄段水平放置两根低能量导爆索第一次气泡脉动周期(14 ms)要比水平放置单根(11.5 ms)长, 原因在于两柱形气泡间距10 cm布设, 二者膨胀阶段相互排斥, 收缩阶段相互吸引, 互为对方膨胀和收缩的阻力, 抑制两气泡的运动, 导致第一次气泡脉动周期变长。从14 ms时两气泡为边缘非光滑的近似柱形气泡, 此时对应气泡直径最小, 第一次气泡脉动周期为14 ms。在19.5 ms时气泡直径达到第二次脉动的最大值, 随后收缩, 21 ms时直径达到最小值。

在22 ms时, 两气泡逐渐融合在一起, 形成一气泡帷幕层, 该气泡帷幕层持续时间长, 在67.5 ms前共经历5次膨胀和收缩的过程, 随后气泡帷幕层厚度逐渐变薄, 并慢慢分散成数量众多的小气泡, 在541.5 ms时仍可见大量小气泡。

用高速摄影系统对水平和竖向放置的单根及两根低能量导爆索水下爆炸气泡脉动特性进行实验研究, 得出结论如下: (1)拍摄段水平放置单根低能量导爆索水下爆炸首次气泡脉动形状保持圆柱形, 第一次气泡脉动的周期为11.5 ms, 最大直径为6.9 cm; (2)竖向放置两根低能量导爆索第一次气泡脉动周期长, 第一次气泡脉动周期为27.5 ms, 62 ms后两气泡开始相互融合, 79.5 ms时形成完全融合的气泡帷幕; (3)水平放置两根低能量导爆索第一次气泡脉动周期为14 ms, 第二次气泡脉动周期为7 ms, 22 ms时两气泡开始相互融合, 形成一气泡帷幕层。