Analysis of underwater shock wave attenuation by air bubble curtain based on bubble shape
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摘要: 气泡帷幕是水下爆炸冲击波防护的重要手段，对其作用机理及技术参数的深入研究对水下爆破安全与应用具有重要意义。采用高速摄影技术对室内小型水下气泡帷幕模型拍摄发现气幕在形成过程和与水下爆炸冲击波相互作用过程中均具有高度非连续性和非均匀性，且气幕区域内气体与液体混杂，界面轮廓复杂多样。在此基础上，考虑气泡形状及界面影响下，通过LS-DYNA有限元软件自带的APDL语言进行编程，实现了在设定的气幕区域内，通过设定气泡直径变化范围及气泡直径之间的最小差异值随机投放一定数量不同直径的气泡来模拟真实气幕中气泡的分布，并通过改变固定区域内气泡个数来模拟不同气压值工况下的气幕效果。分析发现该方法能够更加真实反映气幕在冲击波防护过程中的防护机理，随着单位区域内气泡数量的增大，防护效果越明显，但当气泡数量达到一定数量后气幕整体连续性及稳定性基本固定，防护效果也趋于稳定。Abstract: Bubble curtain is an important means for protection against underwater explosion shock wave. It is of great significance to study the mechanism and technical parameters of bubble curtain regarding the safety and application of underwater blasting. By using high-speed photography technology and video framing processing technology, indoor small underwater bubble curtain model is photographed and analyzed. It is found that the gas curtain is highly discontinuous and inhomogeneous in both the formation process and the interaction process with the underwater explosion shock wave. The gas and liquid are mixed in the air curtain area, and the interface contour is complex and diverse. Air displacement will directly affect the quality of the air bubble curtain. The larger the air displacement, the better the continuity and quality of air curtain. On this basis, considering the influences of bubble shape, interface, and gas-liquid coexistence, programming is carried out through the APDL language that comes with the LS-DYNA finite element software. By setting the variation range of bubble diameter and the minimum difference between bubble diameters, a certain number of bubbles of different diameters are randomly positioned to simulate the bubble distributions in the real air curtain. The air curtain quality under different gas source pressure can be simulated by changing the number of bubbles in the set air curtain area. It is found that this method can better reflect the protection mechanism of air curtain against the shock wave. Comparing the protective performance of air curtain with different bubble numbers on the same shock wave, it shows that the protective performance increases with the increase of bubble density. However, when the number of bubbles reaches a threshold number, the overall continuity and stability of the air curtain are basically fixed, and the protection effect tends to be stable.
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Key words:
- bubble curtain /
- underwater blasting /
- shock wave /
- numerical analysis /
- random distributio
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炸药水中爆炸实验(水中实验)是研究非理想炸药能量释放特性的一种重要方法, 炸药水中爆炸效应研究对水中兵器、军事弹药和水下爆破研究都有极大的帮助。水中实验能够弥补冲击臼法和铅块法的不足, 对药量少于10 g便不能完全爆炸的炸药做功能力进行测试[1]。水中爆炸对炸药能量释放的测试不同于空气中的实验。水中爆炸能量分为3部分:炸药的冲击波能、气泡能和加热水所消耗的能量, 三部分结合才能对炸药爆炸产生的总能量进行评估[2-5]。目前水中爆炸的相关研究大多集中在水中爆炸做功能力和水中爆炸毁伤效应2方面, 对于水中爆轰产物状态方程的基础研究工作则极少报道[6]。
JWL状态方程是重要的爆轰产物状态方程, 能够对炸药爆轰产物的膨胀作功过程进行精确的描述[7]。圆筒实验是测试炸药爆轰产物JWL状态方程参数的主要方法, 由于实验材料的限制, 圆筒实验采用的铜制圆筒在爆炸反应的中后期会发生破裂, 测试时间有限[8], 所以通过圆筒实验无法获得爆炸反应后期的产物膨胀过程, 因此根据圆筒实验结果拟合的JWL参数能否准确反应爆轰产物中后期的能量释放特性存在疑问。在水中爆炸实验中, 水介质可被看作无限大的壳体, 在较长时间(毫秒量级)内不会发生破裂, 炸药爆轰产物将从高温高压状态逐渐转变为高温中压状态, 甚至高温常压和负压状态。因此, 对水中爆炸效应的研究需要能够反映爆炸中后期(中低压状态)产物膨胀特性的参数, 由于圆筒实验仅能准确描述爆炸前期(高温、高压状态)产物的膨胀, 所以对炸药在水中的爆炸现象进行研究时不能依赖圆筒实验所得JWL参数。
龙新平等[9]研究发现, PBX-01炸药在水中爆炸时, 水不会发生汽化, 爆轰产物与水之间界面清晰。因此本文中进行PBX-01炸药的水中爆炸实验, 通过高速扫描相机记录爆轰产物驱动水介质膨胀的过程, 并利用ANSYS/LS-DYNA程序建立炸药的水中实验爆炸模型, 通过将实验结果与数值计算结果进行对比, 确定PBX-01炸药水中爆轰产物的JWL状态方程参数, 并将确定的JWL参数应用于模拟PBX-01炸药爆轰驱动水的实验, 以验证状态方程参数的有效性。
1. 实验介绍
实验用PBX-01炸药(主要成分为HMX)密度1.86 g/cm3、爆压36.8 GPa、爆速8.87 km/s。为了便于与圆筒实验进行比较, 本文中PBX-01炸药采用与标准圆筒实验相同的Ø25.4 mm的药柱。实验所用测试系统如图 1所示。药柱置于支架中心位置, 光源采用氩气光源, 采用延时同步起爆装置控制PBX-01炸药及光源炸药的起爆时间。用高速转镜相机记录爆轰产物在水介质中的膨胀运动过程, 相机转速为30 000 r/min, 扫描速度为1.5 km/s。
2. 实验结果及数值分析
2.1 实验结果
高速摄像机记录的扫描底片如图 2所示, 爆轰产物与水之间的界面十分清晰。图 2中A1为膨胀起始点, A1A3为冲击波迹线, A2A4为爆轰产物膨胀迹线。图 3是文献[10]中含铝炸药圆筒实验的高速摄像机记录的扫描底片图, A5为膨胀起始点, A5A6是爆轰产物膨胀迹线。对比水中实验扫描底片图 2与圆筒实验扫描底片图 3, 水中实验产物膨胀迹线A1A2段不能显示, 无法读数, 只能由A2点读起, 圆筒实验则从膨胀起始点A5起至A6点均能读出, 但是水中实验测试时间要长于圆筒实验。
图 2 PBX-01炸药水中爆轰产物膨胀的高速扫描底片Figure 2. Photograph of the underwater detonation products expansion process采用龙新平[11]确定的PBX-01炸药圆筒实验的JWL状态方程参数及本文通过水中实验确定的PBX-01炸药爆轰产物的JWL状态方程参数, 如表 1所示, 其中:A、B、R1、R2和ω状态方程的待定参数, E0为初始比内能。
表 1 PBX-01炸药爆轰产物JWL状态方程参数Table 1. The JWL state equation parameters of the PBX-01 detonation products实验 A/GPa B/GPa R1 R2 ω E0 圆筒实验 406.4 16.3 3.90 1.45 0.5 11.48 水中实验 356.5 26.3 3.40 1.14 0.5 12.48 2.2 数值分析
采用ANSYS/LS-DYNA程序建立水中实验爆炸模型, 如图 4所示。JWL状态方程为:
p=A(1−ωR1vg)e−R1vg+B(1−ωR2vg)e−R2vg+ωEvg (1) 式中:p为压力, vg为气体产物的比容, E为比内能。在计算中, 对炸药采用高能炸药燃烧模型(MAT-HIGH EXPLOSIVE-BURN), 水采用Grüneisen状态方程描述[12]:
p=ρc2μ[1+(1−γ0/2)μ−aμ2/2][1−(s1−1)μ−s2μ2/(μ+1)−s3μ3/(μ+1)2]2+(γ0+aμ)E (2) 式中:ρ为密度, c为体积声速, μ为应力波传播速度, γ0为Grüneisen常数, a是γ0的一阶体积修正, s1、s2、s3是μ -p曲线的斜率系数[13]。玻璃选用理想弹塑性材料:密度为2.3 g/cm3, 剪切模量为4 GPa, 屈服强度为0.12 GPa[14]。
将圆筒实验和水中实验确定的JWL状态方程参数(见表 1)用于水中实验的数值模拟, 计算得到测试点爆轰产物膨胀的位移(d)-时间关系曲线, 并与水中实验结果进行对比, 结果如图 5所示。
图 5 PBX-01炸药爆轰产物膨胀位移曲线与水中实验值Figure 5. Calculated and tested expansion distance-time curves in underwater explosion test of PBX-01 explosive由图 5可知, 圆筒实验确定的JWL参数用于图 4的水中实验数值模拟时(图 4), 模拟结果与实验值存在一定的偏差, 尤其是在爆炸初期。对部分时间点的差值进行统计:爆轰初期3.5 μs时二者差值为1.02 mm, 约为实验值的14%;产物传播至10.4 μs时, 二者差值为1.32 mm, 约为实验值的9.6%;传播至膨胀中期17~25 μs时二者差值逐渐减小; 传播至25~30 μs时二者位移差出现交叉; 至43 μs时差值为0.92 mm, 约为实验值的3.6%。上述数据说明, 圆筒实验确定的JWL参数在反映炸药水中爆轰产物的膨胀状态时有所不足(通过圆筒实验拟合JWL参数时要求实验值与计算值误差小于1%)。本文中认为造成爆轰前期存在偏差的原因可能有以下2点:(1)根据图 2所示, 水中实验爆轰产物膨胀初期有可能受到冲击波的影响, 导致读数误差较大, 因此圆筒实验确定的JWL参数无法准确描述水中爆轰产物初期的膨胀过程; (2)圆筒实验与水中实验所用材料不同, 即铜与水性质不同, 因此爆炸前期2种实验爆轰产物传播轨迹不同。由图 5可以看出, 圆筒实验模拟结果与水中实验值后期相比偏高, 其原因可能是因为:即使是在爆轰产物传播至30 μs时, 水介质仍未破裂, 因此30 μs后水对爆轰产物的传播仍然存在束缚作用。本文中在处理数据时可能存在实验误差, 5 μs时实验值与计算值差1%, 25 μs时实验值与计算值差0.2%, 43 μs时实验值与计算值差0.3%, 但比较图 5中的实验值与计算结果, 本文中所用水中实验确定的JWL状态方程参数能够更准确的描述PBX-01炸药水中爆轰产物的膨胀过程。
如图 5所示, 本文水中实验对水中爆轰产物膨胀过程记录的有效时间达到40 μs以上, 能够对爆轰产物膨胀过程的中后期进行描述。圆筒实验是在空气中进行的, 其对爆轰产物的膨胀过程描述的有效时间仅在20 μs左右, 考虑到炸药爆炸时水介质在较长时间内不会发生破裂, 所以, 确定炸药的水中爆轰产物状态方程参数应用水中实验的方法更为可行。
3. 结论
本通过水中实验确定的JWL状态方程参数对水中爆炸过程的描述更接近实际情况。水中实验不能替代圆筒实验, 但是与圆筒实验相比, 水中实验更适用于炸药水中爆炸效应的分析。
水中实验法确定水中爆轰产物状态方程方法的建立, 对于常用于水下爆炸的炸药(如含铝炸药)的水中爆炸效应分析和水中兵器的应用研究具有重要意义。
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图 1 气幕在爆炸冲击波作用下的形态
Figure 1. The shape of the air curtain under the action of explosion shock wave
图 2 气幕爆源侧关键点运动轨迹分析图
Figure 2. Analysis of the movement trajectories of key points on the side of the air curtain towards the explosion source
图 4 冲击波作用过程压力云图
Figure 4. Contour plots of pressure at nine instants during the interactions of shock wave with air curtain
图 6 气幕前应力波压力时程曲线图
Figure 6. Stress wave pressure time history curve before the air curtain
图 7 气幕后应力波压力时程曲线
Figure 7. Stress wave pressure time history curve after the air curtain
图 8 S点和B2点压力时程曲线对比图
Figure 8. Comparison of pressure time history curve at point S and point B2
图 10 气幕区域随机投放气泡效果
Figure 10. Schematic representation of randomly placed different bubble numbers in the air curtain area
图 11 不同工况下监测点9应力波时程曲线
Figure 11. Pressure time history of monitoring point 9under different working conditions
图 12 各工况下冲击波衰减率统计图
Figure 12. Statistical chart of shock wave attenuation ratio under various working conditions
表 1 材料状态方程参数表
Table 1. Material state equation parameter table
C0/GPa C1/GPa C2/GPa C3/GPa C4/GPa C5/GPa C6/GPa E0/GPa 水 0 2.25 0 0 0 0 0 0 空气 0 0 0 0 0.4 0.4 0 2.53×10−4 
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表 2 各监测点峰值统计表
Table 2. Summary of peak pressures at each monitoring point
测点编号 峰值1/MPa t1/ms 峰值2/MPa t2/ms S 87.1 0.32 6.09 0.98 A1 106.0 0.24 9.25 0.88 A2 13.3 0.52 6.40 1.18 B1 122.0 0.22 26.00 0.86 B2 18.6 0.52 13.10 1.08 C1 97.3 0.24 31.90 0.94 C2 18.5 0.56 15.70 1.04
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[1] 彭亚雄, 吴立, 李春军, 等. 水下钻孔爆破水击波特性及气泡帷幕削压效果研究 [J]. 爆破, 2019, 36(1): 38–43. DOI: 10.3963/j.issn.1001-487X.2019.01.006.PENG Y X, WU L, LI C J, et al. Characteristics of water shock wave from underwater hole blasting and weakening pressure effect of bubble curtain in water [J]. Blasting, 2019, 36(1): 38–43. DOI: 10.3963/j.issn.1001-487X.2019.01.006. [2] 谢达建, 吴立, 洪江, 等. 气泡帷幕对水下爆破冲击波的削弱作用研究 [J]. 人民长江, 2018, 49(8): 72–77. DOI: 10.16232/j.cnki.1001-4179.2018.08.014.XIE D J, WU L, HONG J, et al. Study on weakening effect of bubble curtain on water shock wave in underwater blasting [J]. Yangtze River, 2018, 49(8): 72–77. DOI: 10.16232/j.cnki.1001-4179.2018.08.014. [3] 胡伟才, 吴立, 舒利, 等. 不同设置方式下气泡帷幕对水中冲击波衰减特性的影响 [J]. 科学技术与工程, 2018, 18(17): 33–38. DOI: 10.3969/j.issn.1671-1815.2018.17.006.HU W C, WU L, SHU L, et al. Influence of water shock wave on attenuation characteristics under bubble curtain with different settings [J]. Science Technology and Engineering, 2018, 18(17): 33–38. DOI: 10.3969/j.issn.1671-1815.2018.17.006. [4] 张兵文, 张文扬, 吴暖, 等. 预裂爆破与气泡帷幕技术在水下爆破中的应用 [J]. 工程爆破, 2015, 21(5): 6–9. DOI: 10.3969/j.issn.1006-7051.2015.05.002.ZHANG B W, ZHANG W Y, WU N, et al. Application of presplitting blasting and air bubble curtain technologies in underwater blasting [J]. Engineering Blasting, 2015, 21(5): 6–9. DOI: 10.3969/j.issn.1006-7051.2015.05.002. [5] 王立军, 李浩, 马津渤. 桩基码头应用气泡帷幕技术抵抗水下爆炸冲击波的可行性研究 [J]. 防护工程, 2011, 33(2): 72–75.WANG L J, LI H, MA J B. The feasibility of bubble curtain technology used in naval ports to withstand the shock waves caused by underwater explosions [J]. Protection Engineering, 2011, 33(2): 72–75. [6] 余英. 气泡帷幕在三峡工程RCC围堰爆破拆除中的应用 [J]. 水电与新能源, 2010(4): 8–11. DOI: 10.3969/j.issn.1671-3354.2010.04.003.YU Y. Application of bubble curtain in blasting-demolition of RCC coffer dam of TGP [J]. Hydropower and New Energy, 2010(4): 8–11. DOI: 10.3969/j.issn.1671-3354.2010.04.003. [7] 朱安周, 张可玉, 詹发民, 等. 气泡帷幕衰减水中冲击波频谱特性实验研究 [J]. 爆破, 2004, 21(4): 12–14. DOI: 10.3963/j.issn.1001-487X.2004.04.004.ZHU A Z, ZHANG K Y, ZHAN F M, et al. Experimental study on the attenuation of underwater shock wave spectrum characteristics by bubble curtain [J]. Blasting, 2004, 21(4): 12–14. DOI: 10.3963/j.issn.1001-487X.2004.04.004. [8] 伍俊, 庄铁栓, 闫鹏, 等. 多功能水中爆炸实验装置抗爆性能分析与试验研究 [J]. 防护工程, 2013, 35(4): 11–16.WU J, ZHUANG T S, YAN P, et al. Test study and analysis of explosion resistance performance of the multi-function experiment device for underwater explosion [J]. Protection Engineering, 2013, 35(4): 11–16. [9] 王兴雁, 詹发民, 周方毅, 等. 气泡帷幕削减水击波压力作用因素分析 [J]. 爆破, 2012, 29(4): 23–27. DOI: 10.3963/j.issn.1001-487X.2012.04.006.WANG X Y, ZHAN F M, ZHOU F Y, et al. Effect of bubble curtains on underwater shockwave reducing [J]. Blasting, 2012, 29(4): 23–27. DOI: 10.3963/j.issn.1001-487X.2012.04.006. [10] 谢金怀, 何树斌, 屈科, 等. 气泵法生成气泡帷幕的特性研究 [J]. 海洋技术学报, 2019, 38(1): 12–17. DOI: 10.3969/j.issn.1003-2029.2019.01.003.XIE J H, HE S B, QU K, et al. Study on the characteristics of bubble curtain generated by the air pump method [J]. Journal of Ocean Technology, 2019, 38(1): 12–17. DOI: 10.3969/j.issn.1003-2029.2019.01.003. [11] 刘欣, 顾文彬, 陈学平. 气泡帷幕对水中冲击波衰减特性的数值模拟研究[C]//中国力学学会. 中国力学学会工程爆破专业委员会2015年会论文集. 2015: 79−84.LIU X, GU W B, CHEN X P. Numerical simulation study of attenuation characteristics of water shock wave under bubble curtain [C]//Chinese Society of Mechanics. Proceedings of 2015 Annual Meeting of Engineering Blasting Committee of Chinese Society of Mechanics. 2015: 79−84. [12] 张成兴, 王永学, 王国玉, 等. 静水中气泡帷幕产生水平流的数值模拟研究 [J]. 水动力学研究与进展:A辑, 2010, 25(1): 59–66. DOI: 10.3969/j.issn.1000-4874.2010-01.009.ZHANG C X, WANG Y X, WANG G Y, et al. Numerical simulation study on the horizontal current generated by air bubbles curtain in still water [J]. Hydrodynamic Research and Progress Series A, 2010, 25(1): 59–66. DOI: 10.3969/j.issn.1000-4874.2010-01.009. [13] 贾虎, 郑伟花, 罗强, 等. 爆炸气泡帷幕对水中冲击波能量的衰减特性 [J]. 含能材料, 2015, 23(10): 1015–1019. DOI: 10.11943/j.issn.1006-9941.2015.10.018.JIA H, ZHENG W H, LUO Q, et al. Attenuation characteristics of underwater explosion bubble curtain on the shock [J]. Energetic materials, 2015, 23(10): 1015–1019. DOI: 10.11943/j.issn.1006-9941.2015.10.018. [14] 胡亚峰, 金建峰, 顾文彬, 等. 爆炸实验水池防护性能及动力学响应分析 [J]. 爆炸与冲击, 2017, 37(6): 1001–1009. DOI: 10.11883/1001-1455(2017)06-1001-09.HU Y F, JIN J F, GU W B, et al. Protective performance and dynamic response analysis of explosion testing pool [J]. Explosion and Shock, 2017, 37(6): 1001–1009. DOI: 10.11883/1001-1455(2017)06-1001-09. [15] 刘天云, 龚书堂, 胡伟才, 等. 水下钻孔爆破水击波的传播规律及气泡帷幕对水击波的削减作用 [J]. 爆破器材, 2020, 49(2): 16–22. DOI: 10.3969/j.issn.1001-8352.2020.02.003.LIU T Y, GONG S T, HU W C, et al. Propagation law of water hammer wave in underwater drilling blasting and reduction of bubble curtain on water hammer wave [J]. Explosive Materials, 2020, 49(2): 16–22. DOI: 10.3969/j.issn.1001-8352.2020.02.003. 期刊类型引用(1)
1. 李科斌, 董新龙, 李晓杰, 闫鸿浩, 王小红. 水下爆炸实验法在工业炸药JWL状态方程测定中的应用研究. 兵工学报. 2020(03): 488-494 . 
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