賈 虎 , 鄭偉花, 羅 強(qiáng), 沈兆武

(1. 南陽師范學(xué)院土木建筑工程學(xué)院, 河南 南陽 473061; 2. 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)近代力學(xué)系, 安徽 合肥 230027)

1 引 言

與在空氣和巖土中不同,水下爆炸沖擊波超壓峰值高,波及范圍廣,對鄰近水域水工構(gòu)筑物、水生生物以及工作人員等破壞嚴(yán)重[1]。國內(nèi)外對陸上爆破震動的衰減規(guī)律及安全控制標(biāo)準(zhǔn)已有了系統(tǒng)的研究和總結(jié),而水下爆炸能量衰減和安全防護(hù)方面的研究成果尚比較欠缺,迫切需要有效的減震防護(hù)措施降低水下爆炸的危害[2]。水下爆炸安全防護(hù)中,水與防護(hù)層波阻抗突變是衰減水下爆炸沖擊波能量的關(guān)鍵[3]。氣體可壓縮性好,波阻抗明顯小于水的波阻抗,且經(jīng)濟(jì)方便,在水下爆炸能量衰減方面有應(yīng)用前途,是一種理想的水下減震媒介。

目前國內(nèi)外以氣體作為防護(hù)層衰減水下爆炸能量的方法有: (1)氣泡帷幕技術(shù): 氣泡帷幕減震技術(shù)的基本思想是向水下通入高壓氣體以形成不斷上升、濃密的氣泡帷幕,但其僅能較好的衰減沖擊波中間頻率能量,而對低頻和高頻能量的衰減效果不理想,對沖擊波沖量和總能量衰減作用更為有限,且需多臺大功率空壓機(jī)同時作業(yè),能耗高、水下布設(shè)和施工麻煩,在深水爆破工程中,這種矛盾尤為突出[4-6]。(2)空氣隔層: 為了克服氣泡帷幕衰減爆炸能量不足的缺陷,文獻(xiàn)[3]提出利用空氣隔層衰減水中爆炸沖擊波的新設(shè)想,設(shè)計了一種柔性體盛裝的空氣隔層實現(xiàn)對水中沖擊波的阻隔。進(jìn)一步研究表明空氣隔層不僅能削弱水中沖擊波峰值壓力,而且可有效衰減沖擊波沖量和總能量,但在浮力影響下存在著水下大面積防護(hù)布設(shè)困難的問題。綜上所述,已有的這些防護(hù)措施都需要專用的設(shè)備或空氣盛裝體,存在著布設(shè)困難、使用效率低和衰減效果差等缺陷,對于爆源附近的水下防護(hù)目標(biāo)尚沒有合適、便捷、高效的水下減震防護(hù)措施。如何充分發(fā)揮氣體在爆炸安全防護(hù)中效能,同時彌補(bǔ)已有防護(hù)措施布設(shè)困難、使用效率低和衰減效果差等缺陷,已成為急需解決的問題。

國內(nèi)外關(guān)于水下爆炸氣泡脈動的研究主要關(guān)注其對目標(biāo)的毀傷效應(yīng)[7],但借鑒氣泡帷幕削能的原理,或許可以利用爆炸產(chǎn)生氣泡帷幕達(dá)到削能的效果[8]。我們在前期研究中發(fā)現(xiàn)[10]: 纖維爆炸索柔性較好,可纏繞成網(wǎng)狀,水下爆炸時,能產(chǎn)生有規(guī)律的氣泡脈動且持續(xù)時間較長,如果能充分利用纖維爆炸索水下爆炸形成大量有規(guī)律的氣泡,則可構(gòu)成爆炸氣泡帷幕。針對實際情況,我們提出了利用纖維爆炸索網(wǎng)柵結(jié)構(gòu)水下爆炸產(chǎn)生的爆炸氣泡帷幕對水下爆炸能量和沖擊波進(jìn)行削減的“以爆制爆”的防護(hù)設(shè)想,為了驗證這一防護(hù)思路的可行性,進(jìn)行了原理性實驗。

2 爆炸氣泡帷幕衰減水中沖擊波原理

爆炸沖擊波水下傳遞效率高,對水下結(jié)構(gòu)物的破壞作用顯著,這主要是因為傳播介質(zhì)水的自身變形耗能少,可壓縮性小。水與防護(hù)層波阻抗突變是衰減水下爆炸沖擊波能量的關(guān)鍵,兩種介質(zhì)波阻抗的不匹配程度越高,衰減效果越好[3],采用一維彈性波為例說明這一問題。

假定在水中一維彈性波垂直傳入介質(zhì)1,則由連續(xù)性條件、波陣面守恒定律和牛頓第三定律[9],可推導(dǎo)出入射壓力σI、反射壓力σR、透射壓力σT三者之間的關(guān)系:

(1)

σI+σR=σT

(2)

式中,ρw為水的密度,kg·m-3;cw為水中波速,m·s-1;ρwcw為水波阻抗,(kg·m-3)·(m·s-1);ρ1為介質(zhì)1密度,kg·m-3;c1為介質(zhì)1中波速,m·s-1;ρ1c1為介質(zhì)1波阻抗,(kg·m-3)·(m·s-1)。由公式(1)、(2)得:

(3)

式中,T、F分別是透射系數(shù)和反射系數(shù),n是波阻抗比。

水中一維彈性波由介質(zhì)1透射到水中的透射波σT1強(qiáng)度是:

(4)

可見,透射壓力只與兩介質(zhì)波阻抗比值有關(guān),當(dāng)兩介質(zhì)的波阻抗不匹配程度越高,衰減效果越好。上述分析以彈性波簡化為例,而波在兩介質(zhì)交界面透反射規(guī)律對應(yīng)力波(如沖擊波等)是成立的。

纖維爆炸索網(wǎng)柵結(jié)構(gòu)水下爆炸后形成的氣泡帷幕為氣液兩相介質(zhì),當(dāng)氣泡脈動達(dá)到最大半徑時,爆炸氣泡帷幕的波阻抗最小,與水的波阻抗不匹配程度最高,衰減效果最明顯。

3 爆炸氣泡帷幕衰減水中爆炸沖擊波特性實驗

3.1 水下爆炸實驗裝置和測試系統(tǒng)

水下爆炸實驗在壁厚30 mm,高5 m,直徑5 m的水下爆炸實驗塔中進(jìn)行。測試系統(tǒng)采用美國PCB公司生產(chǎn)的W138A25長型電氣石水下激波壓力傳感器(ICP),482A22型恒流源和泰克DPO7054型示波器,實驗裝置和測試系統(tǒng)如圖1所示。

圖1水下爆炸實驗裝置

Fig.1Experimental system of underwater explosion

3.2 爆炸氣泡帷幕發(fā)生裝置

為了探索爆炸氣泡帷幕的形成過程,采用高速攝像拍攝兩根纖維爆炸索水下爆炸氣泡脈動過程的圖像(圖2),高速攝像拍攝頻率為2000幅·ps-1,實驗中所用纖維爆炸索直徑1.8 mm,線裝藥密度1.8 g·m-1,纖維爆炸索長度為1.2 m,設(shè)置兩根導(dǎo)爆索之間的水平距離為10 cm,62 ms時兩氣泡開始相互融合,79.5 ms時完全融合為一圖形近似規(guī)則的氣泡帷幕,持續(xù)時間很長, 323 ms時仍清晰可見。

圖2兩根纖維爆炸索水下爆炸氣泡脈過程典型圖像

Fig.2Typical images of underwater explosion bubbles pulsation process of two fiber detonating cords

為了驗證爆炸氣泡帷幕對水中爆炸沖擊波的衰減效果,設(shè)計如圖3所示爆炸氣泡帷幕發(fā)生裝置,在邊長1 m的正方形鋼圈上布設(shè)纖維爆炸索網(wǎng)柵結(jié)構(gòu),所用纖維爆炸索直徑1.8 mm,線裝藥密度1.8 g·m-1,上下纏繞,由前期測試研究發(fā)現(xiàn)纖維爆炸索氣泡脈動最大直徑約為10 cm,柵格布設(shè)水平距離定為10 cm。

圖3爆炸氣泡帷幕發(fā)生裝置

Fig.3Generator system of explosive air bubbles curtain

3.3 炸藥裝藥

炸藥裝藥為球形黑索今(RDX)藥包,藥包裝藥量30 g,起爆形式為中心起爆,如圖4所示。

圖4實驗藥包

Fig.4Experimental charge

4 結(jié)果與討論

4.1 爆炸氣泡帷幕對水中沖擊波壓力的衰減

實驗分兩次進(jìn)行。第一次實驗測試實驗藥包的沖擊波壓力,藥包距離壓力傳感器的距離為1.5 m,二者的入水深度均為2.7 m,測試得到藥包水下爆炸沖擊波波形如圖5所示。從圖5中可以看出藥包的壓力峰值為10.02 MPa,測點處壓力由零上升到峰值所需要的時間為6 μs,隨后沖擊波壓力以指數(shù)形式衰減。

第二次實驗主要測試爆炸氣泡帷幕衰減沖擊波的效果。同樣實驗條件下,藥包距離壓力傳感器的距離為1.5 m,將纖維爆炸索網(wǎng)柵布設(shè)在藥包和傳感器之間,距離藥包為0.8 m,其中心位置與藥包、傳感器在水下同一深度處(2.7 m),纖維爆炸索網(wǎng)柵結(jié)構(gòu)與藥包的起爆微差時間設(shè)為30 ms,實驗測得RDX藥包爆炸沖擊波通過爆炸氣泡帷幕后的壓力曲線如圖6所示。

在爆炸氣泡帷幕作用下測試藥包沖擊波壓力峰值衰減為4.09 MPa,爆炸氣泡帷幕對沖擊波峰值壓力的衰減量高達(dá)60%,且沖擊波壓力通過爆炸氣泡帷幕后,脈動持續(xù)時間超過未設(shè)爆炸氣泡帷幕前的持續(xù)時間。

圖5無爆炸氣泡帷幕30 g RDX沖擊波曲線

Fig.5Curve of shock wave of 30 g RDX without explosive air bubbles curtain

圖630 g RDX藥包通過爆炸氣泡帷幕后沖擊波波形

Fig.6Curve of shock wave of 30 g RDX with explosive air bubbles curtain

4.2 爆炸氣泡帷幕對水中沖擊波比沖量的衰減

爆炸氣泡帷幕削減水下爆炸沖擊波峰值壓力明顯,但是水下爆炸危害不僅與沖擊波峰值有關(guān),還有水下爆炸能量有關(guān)。因此,還要對爆炸氣泡帷幕作用下水中爆炸能量分布情況進(jìn)行研究,以綜合評判爆炸氣泡帷幕的削能效果。

通過對壓力時程曲線積分,可得到測點處水下爆炸沖擊波的比沖量,比沖量是表征含能材料水下爆炸性能的重要參數(shù)。

(5)

式中,I是爆炸波比沖量,Pa·ms;ta為沖擊波到達(dá)時間,ms;tb為沖擊波的結(jié)束時間,一般取值為ta+6.7θ,ms;θ為時間常數(shù),指爆炸沖擊波壓力時程中由峰值壓力pm衰減為pm/e所用的時間,ms。

對圖5和圖6的壓力時程曲線積分,獲得第一次實驗未設(shè)爆炸氣泡帷幕時爆炸沖擊波比沖量時程曲線和第二次實驗設(shè)置爆炸氣泡帷幕沖擊波通過后的沖量時程曲線,如圖7所示,爆炸氣泡帷幕對沖擊波比沖量的衰減高達(dá)62.2%,能夠有效削減沖擊波比沖量。

a. before passing explosive air bubbles curtain

b. after passing explosive air bubbles curtain

圖7爆炸沖擊波沖量時程曲線

Fig.7Shock wave impulse time curve of explosive shock wave

4.3 爆炸氣泡帷幕對水中爆炸壓力能量分布的衰減

為了評判爆炸氣泡帷幕對水中爆炸壓力能量的衰減效果,對水中爆炸壓力信號進(jìn)行小波包分析。由于水下爆炸壓力信號為非平穩(wěn)信號,目前非平穩(wěn)信號小波包分析小波基函數(shù)一般取db8,本研究小波包分解時選用db8小波基函數(shù)。實驗測試系統(tǒng)采樣頻率為500 kHz,由采樣定理選取分析頻率為250 kHz,測試系統(tǒng)最小工作頻率為5 Hz,則根據(jù)小波包分析原理,可將信號分解到16層,最小頻帶為0～3.815 Hz。

小波包分解得到的各頻帶范圍內(nèi)的分量仍為壓力時間變化曲線,各層對應(yīng)的能量及分析信號的總能量可通過公式(6)、(7)計算:

(6)

(7)

式中,n為小波包分解的層數(shù),取16;Ei為第i頻率帶信號對應(yīng)的能量;EO為分析信號的總能量;Si為第i頻率帶的小波分解信號;xij為信號Si的離散點幅值; 其中i=1,2,…,2n;j=1,2,…,m,m為信號的離散采樣點。

各頻帶能量(Ei)占總能量(EO)的比例ηi為:

(8)

對圖5和圖6壓力信號進(jìn)行小波包分解后,通過公式(7)計算得到布設(shè)爆炸氣泡帷幕前后分析信號的總能量,分析發(fā)現(xiàn)爆炸氣泡帷幕對水下爆炸沖擊波能量的衰減效果高達(dá)57.7%,能量衰減效果明顯。

為了全面考察爆炸氣泡帷幕對各頻率沖擊波信號的衰減效果,采用公式(6)～(8)對小波包變換分層重構(gòu)信號進(jìn)行計算,獲得水下爆炸壓力信號通過爆炸氣泡帷幕前后各頻帶能量分布情況,圖8、圖9所示。

圖8爆炸沖擊波能量分布

Fig.8Energy distribution of explosive shock

圖9通過爆炸氣泡帷幕后的能量分布

Fig.9Energy distribution after passing the explosive air bubbles curtain

水下爆炸沖擊波信號頻率成分豐富,各頻段內(nèi)都有一定的能量,如圖8和圖9所示。未布設(shè)爆炸氣泡帷幕時(圖8),在0～60 kHz和90～120 kHz兩個頻率段能量最大。布設(shè)爆炸氣泡帷幕后(圖9),0～60 kHz范圍所含能量最大,但和圖8相比,這一頻率范圍內(nèi)的能量值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于沖擊波能量分布,與沖擊波能量相差很大,60 kHz以上的各頻帶能量非常小。爆炸氣泡帷幕對各頻段的沖擊波能量衰減效果明顯,絕大部分頻段的能量衰減都在50%以上。爆炸氣泡帷幕能夠有效消除水下爆炸沖擊波的高頻部分,通過爆炸氣泡帷幕后沖擊波特性已發(fā)生根本性改變,只有低頻成分,且低頻成分能量大大削弱。

可見本研究提出的爆炸氣泡帷幕法能夠有效衰減水中沖擊波能量,利用纖維爆炸索水下爆炸產(chǎn)生的柱狀氣泡構(gòu)成氣泡帷幕進(jìn)行水下爆炸能量衰減達(dá)到以“爆”制“爆”的目的,是具發(fā)展前景的水下爆炸安全防護(hù)方法。

5 結(jié) 論

在傳統(tǒng)氣泡帷幕減震技術(shù)基礎(chǔ)上,提出爆炸氣泡帷幕削能新理念,并對提出的爆炸氣泡帷幕衰減沖擊波的特性進(jìn)行了研究:

(1) 對提出的爆炸氣泡帷幕削能設(shè)想進(jìn)行了實驗研究,發(fā)現(xiàn)在本研究實驗條件下爆炸氣泡帷幕能有效衰減沖擊波峰值壓力,且衰減量高達(dá)60%; 爆炸氣泡帷幕能夠有效削減沖擊波比沖量,對沖擊波比沖量的衰減高達(dá)62.2%;

(2) 采用小波包技術(shù)對爆炸氣泡帷幕的削能效果進(jìn)行了評判,發(fā)現(xiàn)本研究實驗條件下,在爆炸氣泡帷幕作用下,各頻段的沖擊波能量都有很好的衰減效果,絕大部分頻段的能量衰減都在50%以上; 爆炸氣泡帷幕能夠有效消除水下爆炸沖擊波的高頻部分,爆炸沖擊波通過爆炸氣泡帷幕后只有低頻成分,且低頻成分能量大大削弱。

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