大当量浅埋地下爆炸抛掷成坑效应的缩比模拟实验装置

徐小辉 邱艳宇 王明洋 邵鲁中

徐小辉, 邱艳宇, 王明洋, 邵鲁中. 大当量浅埋地下爆炸抛掷成坑效应的缩比模拟实验装置[J]. 爆炸与冲击, 2018, 38(6): 1333-1343. doi: 10.11883/bzycj-2017-0144
引用本文: 徐小辉, 邱艳宇, 王明洋, 邵鲁中. 大当量浅埋地下爆炸抛掷成坑效应的缩比模拟实验装置[J]. 爆炸与冲击, 2018, 38(6): 1333-1343. doi: 10.11883/bzycj-2017-0144
XU Xiaohui, QIU Yanyu, WANG Mingyang, SHAO Luzhong. Development of the testing apparatus for modeling large equivalent underground cratering explosions[J]. Explosion And Shock Waves, 2018, 38(6): 1333-1343. doi: 10.11883/bzycj-2017-0144
Citation: XU Xiaohui, QIU Yanyu, WANG Mingyang, SHAO Luzhong. Development of the testing apparatus for modeling large equivalent underground cratering explosions[J]. Explosion And Shock Waves, 2018, 38(6): 1333-1343. doi: 10.11883/bzycj-2017-0144

大当量浅埋地下爆炸抛掷成坑效应的缩比模拟实验装置

doi: 10.11883/bzycj-2017-0144
基金项目: 

国家自然科学基金青年科学基金项目 51409257

详细信息
    作者简介:

    徐小辉(1983-), 男, 硕士, 讲师, xuxiaohui168@126.com

  • 中图分类号: O382.2;TP91

Development of the testing apparatus for modeling large equivalent underground cratering explosions

  • 摘要: 针对当前地下爆炸物理模型实验无法模拟大当量地下爆炸抛掷弹坑和疏松鼓包现象的难题,基于相似理论,采用地下爆炸效应真空室模型实验方法,研制了考虑重力影响的大当量地下爆炸效应模拟实验装置。整套装置由容器罐体、快开门密闭机构、爆源系统、真空泵组、量测控制系统等组成,提出的新型爆源模拟装置可以实现精确起爆控制。该装置可模拟0.1~100 kt TNT、埋深20~400 m范围内不同比尺的地下核爆炸成坑和隆起实验,同时也能够模拟不同装药配置方案、不同地质条件下的大当量地下浅埋化爆抛掷实验。典型的核爆抛掷成坑模型实验结果表明,装置实验参数精确可调,实验过程可控,实验结果可信,为钻地核武器地下爆炸毁伤效应分析和大型工程爆破效果预测预报提供了实验室模拟和科学研究设备,填补了爆炸离心机无法模拟大当量地下爆炸抛掷成坑效应的空白。
  • 图  1  地下爆炸真空室模拟装置设计原理示意图

    Figure  1.  Schematic diagram of experimental apparatus

    图  2  地下爆炸效应模拟装置容器系统图

    Figure  2.  Container of underground explosion effect simulation

    图  3  地下爆炸效应模拟装置主体结构示意图

    Figure  3.  Main structure of underground explosion effect simulation container

    图  4  爆源系统

    Figure  4.  System of detonation device

    图  5  爆源装置设计原理图

    Figure  5.  Schematic diagram of detonation device

    图  6  爆源装置

    Figure  6.  Experimental devices for simulating explosion cavity

    图  7  不同介质中玻璃球罩爆破镜头

    Figure  7.  Blasting pictures of glass enclosure with three different medias

    图  8  不同介质中玻璃球罩爆破碎片图

    Figure  8.  Blasting debris pictures of the glass enclosure with three medias

    图  9  柔性导爆索爆炸抛掷成坑影响实验

    Figure  9.  Assessment test for the ejection explosions of flexible detonating cord

    图  10  爆源装置及模型实验布置图

    Figure  10.  Detonation device and layout of experiment

    图  11  抛掷弹坑构造示意图

    Figure  11.  Cross-section view of ejection crater

    图  12  模型中抛掷弹坑发展变化镜头

    Figure  12.  Snapshots of ejection crater evolution in experiment

    图  13  模型中抛掷弹坑最终形态及玻璃球罩碎片

    Figure  13.  Skeleton map of ejection crater and the glass enclosure blasting debris

    表  1  地下爆炸空腔气体势能计算表达式

    Table  1.   Formula for the energy of the gas potential energy of the cavity in underground explosion

    岩石特性 空腔气体势能
    不含气体岩石 $ A = 0.49q/\bar r_{\rm{n}}^{0.84} $
    仅含自由水的硅酸盐类岩石(适用于花岗岩、凝灰岩、冲积层等岩石) $ A = \frac{{0.49q}}{{\bar r_{\rm{n}}^{0.84}}}(1 + 5.8\eta _{\rm{w}}^{0.7}) $
    仅含碳酸气的碳酸盐类岩石(适用于硬石膏、方解石、石灰岩等岩石) $ A = \frac{{0.49q}}{{\bar r_{\rm{n}}^{0.84}}}(1 + 1.96\eta _{{\rm{C}}{{\rm{O}}_{\rm{2}}}}^{0.7}) $
    混合含气岩石 $ A = \frac{{0.49q}}{{{{\bar r}_{\rm{n}}}^{0.84}}}(1 + 5.8\eta _{\rm{m}}^{0.7}), \;\;\;{\eta _{\rm{m}}} = {\eta _w} + {\eta _{{\rm{C}}{{\rm{O}}_{\rm{2}}}{\rm{}}}}/4.7 $
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    表  2  爆源球形度实验

    Table  2.   Sophericity experiments for the detonation device

    实验编号 螺旋状柔爆索长度/cm 玻璃球罩中绝对气压/kPa 玻璃球罩埋深/cm 高速摄影拍摄帧数/s-1 玻璃球罩碎片平均直径/mm
    A1(空气) 20 100 5 000 5
    A2(沙) 20 180 10 3 000 13
    A3(水) 20 180 13 5 000 10
    A4(水) 10 180 13 5 000 25
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    表  3  不同当量浅埋地下抛掷爆炸成坑效应模拟实验主要参数

    Table  3.   Key parameters for the simulation of large-scale underground cratering explosions

    爆炸代号 原型参数 模型参数
    等效TNT当量/kt 埋深/
    m
    空腔半径/
    m
    空腔气体能量/
    GJ
    小球半径/
    cm
    模拟比尺 小球埋深/
    cm
    小球压力/
    kPa
    真空度/
    Pa
    Neptun 0.115 30.5 7.29 62.31 5 146 21.0 135.219 686.0
    1003竖井 1.100 48.0 13.32 452.76 5 266 18.0 87.036 375.4
    Schooner 31.000 108.0 47.12 12 499.20 5 942 11.5 15.933 106.0
    Sedan 100.000 193.0 69.62 48 720.00 5 1 392 13.9 12.825 71.8
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    表  4  模型实验结果

    Table  4.   Results of blasting crater

    计算条件 弹坑半径/cm 弹坑深度/cm 体积/cm3 抛掷指数
    原型试验 3 300.0 1 050.0 1.7×1010 1.0
    相似计算结果 22.6 7.2 5 462
    模型试验 25.6 6.3 4 321 1.2
    相对误差/% 13.3 12.5 20.0 20.0
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出版历程
  • 收稿日期:  2017-05-02
  • 修回日期:  2017-09-18
  • 刊出日期:  2018-11-25

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