劉文韜,姚熊亮,李 帥,張阿漫

(哈爾濱工程大學(xué)船舶工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

離心機(jī)水下爆炸縮比實(shí)驗(yàn)原理及數(shù)值研究*

劉文韜,姚熊亮,李 帥,張阿漫

(哈爾濱工程大學(xué)船舶工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

對(duì)離心機(jī)水下爆炸縮比實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行探究，對(duì)離心機(jī)水下爆炸縮比實(shí)驗(yàn)的相似理論進(jìn)行了推導(dǎo)，通過數(shù)值計(jì)算分析，探究了原模型、離心機(jī)縮比實(shí)驗(yàn)及常規(guī)縮比實(shí)驗(yàn)的沖擊波載荷、氣泡載荷以及氣泡動(dòng)力學(xué)行為。結(jié)果表明：常規(guī)縮比實(shí)驗(yàn)不能對(duì)氣泡行為及垂直方向的近場(chǎng)載荷進(jìn)行準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)，若要保證遠(yuǎn)場(chǎng)氣泡脈沖峰值誤差小于10%，則爆距需大于9.5倍氣泡最大半徑。而離心機(jī)縮比實(shí)驗(yàn)?zāi)軌驅(qū)υＰ瓦M(jìn)行準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)，以小當(dāng)量裝藥模擬大當(dāng)量裝藥水下爆炸整個(gè)物理過程，且沖擊波和氣泡兩個(gè)階段完全相似。同時(shí)，水深也可以進(jìn)行幾何縮比，克服了常規(guī)縮比方法的缺陷。

爆炸力學(xué)；縮比實(shí)驗(yàn)；離心機(jī)；水下爆炸；氣泡

在現(xiàn)代艦艇水下爆炸防護(hù)能力的考核體系中，最有效的方法就是進(jìn)行實(shí)船水下爆炸實(shí)驗(yàn)，但是實(shí)驗(yàn)成本高、不確定因素多，無法廣泛開展。此外，關(guān)于水下爆炸的數(shù)值計(jì)算方法仍然不成熟。因此，水下爆炸縮比模型實(shí)驗(yàn)的研究便具有很重要的意義。

以相似理論為縮比實(shí)驗(yàn)的理論基礎(chǔ)。R.H.庫(kù)爾[1]對(duì)水下爆炸沖擊波載荷的相似規(guī)律進(jìn)行了描述，并提出了水下爆炸縮比實(shí)驗(yàn)的前提條件是：原型和縮比實(shí)驗(yàn)在相同水深處起爆(環(huán)境壓力相等)。深水實(shí)驗(yàn)難度大，實(shí)驗(yàn)可在加壓的密閉容器中進(jìn)行[2]，即使如此氣泡階段也很難相似。目前，傳統(tǒng)水下爆炸縮比實(shí)驗(yàn)可以保證沖擊波峰值不變，沖擊波衰減、比沖量和能量密度均同幾何縮比縮小，但是沒有考慮重力效應(yīng)，不能對(duì)爆炸水深進(jìn)行縮比。氣泡浮力對(duì)它運(yùn)動(dòng)有重要的影響，常規(guī)縮比實(shí)驗(yàn)均不能滿足氣泡相似條件[2]。所以，沖擊波和氣泡相似無統(tǒng)一準(zhǔn)則，必須分開處理；常規(guī)的縮比實(shí)驗(yàn)條件難以同時(shí)滿足沖擊波和氣泡的相似條件。

在土爆成坑縮比實(shí)驗(yàn)[3-5]中，通常利用離心機(jī)制造慣性力場(chǎng)環(huán)境。由于離心機(jī)慣性力場(chǎng)的可控性，在縮比實(shí)驗(yàn)時(shí)，可以將重力加速度進(jìn)行縮比。根據(jù)相似律關(guān)系，模型中的爆破能量相當(dāng)于λ3倍的原型能量(λ為離心加速度與地球重力加速度的比)。因此采用極少量的炸藥，就可以模擬原型巨量炸藥的爆破效果。A.N.Schofield[6]和A.J.Chabai[7]曾采用離心機(jī)縮比實(shí)驗(yàn)技術(shù)對(duì)核爆進(jìn)行過研究。該實(shí)驗(yàn)手段為水下爆炸縮比實(shí)驗(yàn)提供了新思路，但是在離心機(jī)上進(jìn)行水下爆炸實(shí)驗(yàn)的相關(guān)文獻(xiàn)十分罕見。

本文中，基于土爆縮比實(shí)驗(yàn)中通過離心加速制造慣性力場(chǎng)的思想，在水下爆炸縮比實(shí)驗(yàn)中進(jìn)一步考慮重力效應(yīng)，通過相似關(guān)系試圖發(fā)現(xiàn)：在離心機(jī)上進(jìn)行水下爆炸縮比實(shí)驗(yàn)是否可以很好地解決不能對(duì)爆點(diǎn)深度進(jìn)行縮比的問題，而且沖擊波載荷、氣泡載荷和氣泡動(dòng)力學(xué)行為的相似條件是否可以在同一個(gè)相似準(zhǔn)則下同時(shí)滿足。是否常規(guī)縮比實(shí)驗(yàn)的不足被克服，以極小當(dāng)量的裝藥就可以模擬真實(shí)情況中的大當(dāng)量裝藥水下爆炸。

1 水下爆炸相似理論

對(duì)于水下爆炸，主要關(guān)注沖擊波壓力峰值ps,max、沖擊波時(shí)間衰減常數(shù)Ts、氣泡最大脈動(dòng)壓力pb,max、氣泡脈動(dòng)周期Tb和氣泡最大半徑Rb,max等。這些因變量受到炸藥屬性、水介質(zhì)特性以及工況條

件的影響，即裝藥密度ρc、裝藥半徑r、炸藥爆熱Q、爆距R、爆點(diǎn)處未擾動(dòng)的水介質(zhì)壓力pw、水介質(zhì)密度ρw、水中聲速cw、水的狀態(tài)方程指數(shù)n及重力加速度g的影響。在氣泡的變形運(yùn)動(dòng)階段，由于黏性作用和表面張力作用都是在氣泡體積很小時(shí)才起作用(對(duì)于表面張力，通常是R≤0.04 mm時(shí)才必須考慮)，而本文中水下爆炸氣泡屬于大尺度氣泡，Rb,max量級(jí)為1 m，則We量級(jí)為107、Re量級(jí)為108，對(duì)應(yīng)的表面張力和黏性效應(yīng)可以完全忽略[8]。

表1 量綱Table 1 Dimensions

所選取的因變量的量綱，見表1。自變量即氣泡周圍流體參數(shù)、炸藥的相關(guān)參數(shù)等物理量的量綱，見表1，未列出一些具有相同量綱的物理量。

因變量和自變量之間的關(guān)系[2-3]可以寫成：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

選取ρc、g及r為基本量，應(yīng)用Π定理[6-7]，對(duì)式(1)～(5)中的物理量進(jìn)行量綱一化：

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

當(dāng)模型實(shí)驗(yàn)與原型的量綱一Π系數(shù)都相等時(shí)，可以保證模型和原型嚴(yán)格相似。即只需滿足以下相似條件：

πi=πmii=1,2,…,10

(11)

其中：πmi表示縮比模型，πi表示原始模型。

模型實(shí)驗(yàn)與原型采用相同的炸藥和外部流體，即炸藥密度ρc、炸藥爆熱Q、流體密度ρw、水中聲速cw和水的狀態(tài)方程指數(shù)n為常數(shù)。在這種情況下，令λ=L/Lm，使模型和原型應(yīng)滿足幾何相似，此時(shí)模型和原型自變量和因變量之間的相似關(guān)系見表2。

假設(shè)原模型中，藥量為1 000kg，起爆水深為50m，爆距為20m。通過在高速旋轉(zhuǎn)的離心機(jī)上進(jìn)行水下爆炸縮比實(shí)驗(yàn)，縮比實(shí)驗(yàn)中離心加速度為100g，則幾何縮比系數(shù)為λ=100，對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)參數(shù)為：藥量1g，水深0.5m，爆距0.2m。得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，再通過表2中的相似關(guān)系可換算到原模型，對(duì)應(yīng)的沖擊波和氣泡載荷峰值與原模型相同，對(duì)應(yīng)的時(shí)間比例為100。

表2 模型與原型的相似關(guān)系Table 2 Similar relation between original experiment and scaled down experiment

這里還需要說明的是，氣泡的動(dòng)力學(xué)行為通常由氣泡初始條件和邊界條件確定。對(duì)于自由場(chǎng)球狀裝藥而言，氣泡初始條件主要有強(qiáng)度參數(shù)ε和浮力參數(shù)δ，分別定義為[9]：

(12)

式中：pini為氣泡內(nèi)部初始?jí)毫?。通過如上的量綱分析，離心機(jī)上氣泡的強(qiáng)度參數(shù)ε和浮力參數(shù)δ與原模型相等，所以離心機(jī)上氣泡的動(dòng)力學(xué)行為與原模型一致。

綜上所述，在離心機(jī)上進(jìn)行水下爆炸縮比實(shí)驗(yàn)，可以對(duì)沖擊波載荷、氣泡行為和氣泡載荷在同一相似關(guān)系下進(jìn)行縮比，達(dá)到完全相似，這是常規(guī)縮比實(shí)驗(yàn)無法實(shí)現(xiàn)的。

2 計(jì)算結(jié)果和討論

對(duì)于沖擊波載荷的計(jì)算，已有較成熟的半經(jīng)驗(yàn)公式[1,10]，不再贅述。

對(duì)于氣泡的運(yùn)動(dòng)和載荷計(jì)算，采用基于勢(shì)流理論的邊界積分法，流體控制方程為L(zhǎng)aplace方程[11]：

2φ=0

(13)

式中：φ為速度勢(shì)。通過Green第三公式，速度勢(shì)φ滿足邊界積分方程[12-13]：

(14)

式中：S為氣泡表面等所有流體邊界面，i和j分別為邊界上的控制點(diǎn)和積分點(diǎn)，ri和rj分別為i和j兩點(diǎn)位置矢量，法線n指向流場(chǎng)外，χ為i點(diǎn)處觀察流場(chǎng)的立體角。通過該方程，可以求解氣泡表面法向速度。

關(guān)于邊界積分法的其他相關(guān)理論與數(shù)值解法，可參見文獻(xiàn)[9,14]。

先給出對(duì)比的計(jì)算工況，見表3，其中縮尺比λ=100。常規(guī)縮比實(shí)驗(yàn)中需要保證起爆位置環(huán)境壓力相等，所以只能在深水或加壓環(huán)境中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，但在離心機(jī)上可以考慮重力效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)水深縮比，以小當(dāng)量炸藥在淺水環(huán)境中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。在下面討論不同問題時(shí)，爆距也取不同值。這里也分別針對(duì)沖擊波階段和氣泡階段進(jìn)行討論。

表3 工況設(shè)置(λ=100)Table 3 Conditions

在離心機(jī)爆炸縮比實(shí)驗(yàn)時(shí)，離心加速度為100g，水深對(duì)應(yīng)縮小100倍，但爆心位置對(duì)應(yīng)的靜水壓力與原模型還是相等，所以相似關(guān)系(π7=πm7)容易滿足。常規(guī)縮比實(shí)驗(yàn)必須在相同水深處進(jìn)行，或在加壓罐中進(jìn)行，以保證爆點(diǎn)處?kù)o水壓力與原模型一致。綜上，離心機(jī)水下爆炸縮比實(shí)驗(yàn)?zāi)芸朔Ｒ?guī)縮比實(shí)驗(yàn)中爆點(diǎn)水深不能縮比的問題，實(shí)現(xiàn)水下爆炸沖擊波相似和氣泡相似在同一相似準(zhǔn)則條件下同時(shí)滿足。

圖1 常規(guī)縮比實(shí)驗(yàn)中測(cè)點(diǎn)處的沖擊波壓力Fig.1 Pressure of measurement point in conventional scaled down experiment

2.1 沖擊波階段

對(duì)表3的原模型工況，假設(shè)爆距為10 m，則根據(jù)幾何縮尺關(guān)系，得到兩個(gè)縮比實(shí)驗(yàn)的爆距均為0.1 m。分別計(jì)算各工況中測(cè)點(diǎn)處的沖擊波載荷，常規(guī)縮比實(shí)驗(yàn)和離心機(jī)縮比實(shí)驗(yàn)的計(jì)算結(jié)果如圖1～2所示，可見兩者的峰值均為40.4 MPa，且變化趨勢(shì)一致。

將兩個(gè)縮比實(shí)驗(yàn)的結(jié)果換算到原模型中，只需將對(duì)應(yīng)的時(shí)間軸變大100倍即可，得到的結(jié)果與原模型的計(jì)算結(jié)果如圖3所示，可見三者吻合良好，說明離心機(jī)縮比實(shí)驗(yàn)和常規(guī)縮比實(shí)驗(yàn)均可以對(duì)原模型的的沖擊波載荷進(jìn)行準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)，即在沖擊波載荷方面體現(xiàn)了很好的相似性。

圖2 離心機(jī)縮比實(shí)驗(yàn)中測(cè)點(diǎn)處的沖擊波壓力Fig.2 Pressure of measurement point in centrifuge scaled down experiment

圖3 縮比實(shí)驗(yàn)結(jié)果與原模型的對(duì)比Fig.3 Comparison of scaled down experiment with original experiment

2.2 氣泡階段

采用邊界元法對(duì)氣泡運(yùn)動(dòng)和流場(chǎng)載荷進(jìn)行計(jì)算，由于離心機(jī)縮比實(shí)驗(yàn)和原模型爆炸氣泡完全相似，兩者的量綱一參數(shù)完全一致，所以通過量綱一參數(shù)計(jì)算得到的氣泡運(yùn)動(dòng)與氣泡載荷相同，即離心機(jī)縮比實(shí)驗(yàn)可以準(zhǔn)確模擬原模型的氣泡運(yùn)動(dòng)和載荷。下面只給出離心機(jī)縮比實(shí)驗(yàn)的計(jì)算結(jié)果，不再給出對(duì)應(yīng)原模型的計(jì)算結(jié)果。

如圖4所示，在常規(guī)縮比實(shí)驗(yàn)中，氣泡在膨脹、坍塌以及回彈階段都基本保持球狀，這是由于炸藥當(dāng)量較小，而且水深相對(duì)較大，氣泡受到的浮力相對(duì)可以忽略，所以氣泡在脈動(dòng)過程中很難形成向上的射流現(xiàn)象，整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程可近似為球狀脈動(dòng)。因此，常規(guī)縮比實(shí)驗(yàn)在氣泡動(dòng)力學(xué)行為相似性方面有著無法彌補(bǔ)的不足，不能反映原模型中氣泡的運(yùn)動(dòng)情況。

在圖5中，給出了離心機(jī)縮比實(shí)驗(yàn)中量綱一形式的氣泡膨脹、坍塌和回彈3個(gè)階段的示意圖。在膨脹階段，氣泡基本保持球狀，在坍塌階段氣泡在強(qiáng)浮力的作用下產(chǎn)生一股高速射流，氣泡射流是典型的非球狀特征。氣泡射流擊穿氣泡頂部后演化成環(huán)狀氣泡，并在達(dá)到最小體積后開始回彈，而且氣泡在最小體積處向上迅速遷移。可以看出，離心機(jī)縮比實(shí)驗(yàn)相比常規(guī)縮比實(shí)驗(yàn)，在氣泡動(dòng)力學(xué)行為方面體現(xiàn)了良好的相似性。

圖4 常規(guī)縮比實(shí)驗(yàn)中的氣泡運(yùn)動(dòng)行為Fig.4 Bubble motion behavior in conventional scaled down experiment

圖5 原模型和離心機(jī)縮比實(shí)驗(yàn)的氣泡運(yùn)動(dòng)行為Fig.5 Bubble motion behavior in original and centrifuge scaled down experiment

圖6 氣泡底部位置的速度Fig.6 Velocities at bottom of bubble

如圖6所示，給出了原模型、常規(guī)模型實(shí)驗(yàn)和離心機(jī)模型實(shí)驗(yàn)中氣泡底部位置的速度。在2 ms以前，浮力對(duì)氣泡膨脹影響較小，常規(guī)縮比實(shí)驗(yàn)與原模型吻合良好。氣泡坍塌階段，兩者之間的差異越來越大，在常規(guī)模型實(shí)驗(yàn)中氣泡不存在射流，只存在一個(gè)坍塌速度最大值，在氣泡坍塌至最小體積時(shí)刻，氣泡表面速度再次減小為零。而離心機(jī)縮比實(shí)驗(yàn)與原模型吻合良好，相對(duì)常規(guī)縮比實(shí)驗(yàn)，離心機(jī)上氣泡底部坍塌時(shí)間更早，對(duì)于離心機(jī)的工況，該速度為射流速度，在氣泡射流穿過氣泡頂部時(shí)達(dá)到134 m/s。

下面針對(duì)氣泡在近場(chǎng)產(chǎn)生的載荷特性進(jìn)行分析。圖7給出了原模型和兩個(gè)不同縮比實(shí)驗(yàn)中，在起爆點(diǎn)正上方0.07 m處氣泡的載荷。同原模型相比，常規(guī)縮比實(shí)驗(yàn)中的壓力波形差異明顯，常規(guī)縮比實(shí)驗(yàn)中只有一個(gè)峰值，與球狀氣泡產(chǎn)生的氣泡脈沖波形一致；而離心機(jī)縮比實(shí)驗(yàn)的氣泡載荷波形同原模型一致，且數(shù)值吻合良好，兩個(gè)峰值中第1個(gè)峰值對(duì)應(yīng)氣泡射流，第2個(gè)峰值對(duì)應(yīng)氣泡達(dá)到最小體積，這與真實(shí)的氣泡動(dòng)力學(xué)行為一致。從載荷峰值來看，原模型和離心機(jī)縮比實(shí)驗(yàn)為31.2 MPa，常規(guī)縮比實(shí)驗(yàn)為11.3 MPa，兩者相差63.8%。綜上，常規(guī)縮比實(shí)驗(yàn)在還原真實(shí)模型時(shí)，存在明顯的誤差。

在水平方向距離爆心0.07 m位置，原模型和兩個(gè)縮比實(shí)驗(yàn)中的氣泡載荷，如圖8所示。由于該方向基本不受氣泡射流的作用，所以此時(shí)常規(guī)縮比實(shí)驗(yàn)和原模型的壓力峰值相差不大，前者的壓力峰值為11.03 MPa，后者的為11.01 MPa。但是，由于氣泡行為的差異(有無射流)，在載荷波形上仍有較大差異，而離心機(jī)縮比實(shí)驗(yàn)不管是脈沖波形還是脈沖峰值，均和原模型吻合良好。

圖7 距爆心垂直方向0.07 m處的氣泡載荷Fig.7 Bubble pressures with vertical distance 0.07 m from explosion center

圖8 距爆心水平方向0.07 m處的氣泡載荷Fig.8 Bubble pressures with horizontal distance 0.07 m from explosion center

下面針對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)載荷進(jìn)行對(duì)比分析。圖9為垂直方向距離爆心0.4 m處的氣泡載荷(對(duì)應(yīng)原模型的爆距為40 m)。該測(cè)點(diǎn)的爆距可認(rèn)為是遠(yuǎn)場(chǎng)爆炸，氣泡射流對(duì)其影響較小，壓力峰值分別是1.94、2.18和1.94 MPa，常規(guī)縮比實(shí)驗(yàn)與原模型相差11.2%?？梢姡S著爆距的增大，常規(guī)縮比實(shí)驗(yàn)的偏差縮小，偏差的變化規(guī)律將繼續(xù)在下面討論。圖10為水平方向距離爆心0.4 m處的氣泡載荷，壓力峰值分別是1.68、1.77和1.68 MPa，常規(guī)縮比實(shí)驗(yàn)偏差5.1%。

圖9 距爆心垂直方向0.4 m處的氣泡載荷Fig.9 Bubble pressures with vertical distance 0.4 m from explosion center

圖10 距爆心水平方向0.4 m處的氣泡載荷Fig.10 Bubble pressures with horizontal distance 0.4 m from explosion center

為了進(jìn)一步探討常規(guī)縮比實(shí)驗(yàn)的氣泡載荷預(yù)報(bào)，進(jìn)一步考察縮比實(shí)驗(yàn)中氣泡載荷峰值比η(η=pori/ptra)隨爆距的變化，如圖11所示，這里對(duì)爆距采用氣泡最大半徑Rm進(jìn)行了量綱一化。在垂直方向上，η變化明顯，尤其在近場(chǎng)位置，不同縮比實(shí)驗(yàn)之間的差距可達(dá)2.8倍，隨著爆距增加，η逐漸減小并趨于一個(gè)穩(wěn)定值。在6Rm位置，η=1.12；在30Rm位置，η=1.07；如保證η在1.1以內(nèi)，則爆距需大于9.5Rm。在水平方向，η變化平緩，且始終保持在1.06以內(nèi)。

圖11 原模型與常規(guī)縮比實(shí)驗(yàn)的氣泡峰值壓力比Fig.11 Bubble peak pressure ratio of original to traditional scaling down experiment

綜上所述，離心機(jī)縮比實(shí)驗(yàn)和常規(guī)縮比實(shí)驗(yàn)，在沖擊波載荷方面都體現(xiàn)了很好的相似性。在氣泡階段，兩種縮比實(shí)驗(yàn)有較大差異。常規(guī)縮比實(shí)驗(yàn)中，氣泡不能產(chǎn)生射流，與原模型有很大的差別，對(duì)于氣泡正上方的近場(chǎng)載荷峰值預(yù)報(bào)有很大的偏差，所以常規(guī)縮比實(shí)驗(yàn)不能預(yù)報(bào)原模型的近場(chǎng)氣泡載荷。爆距大于9.5Rm的遠(yuǎn)場(chǎng)爆炸，常規(guī)縮比實(shí)驗(yàn)預(yù)報(bào)的氣泡脈沖峰值相對(duì)誤差可以保證在10%以內(nèi)。而離心機(jī)縮比實(shí)驗(yàn)與原模型中氣泡動(dòng)力學(xué)行為可以達(dá)到完全相似，既能模擬氣泡射流等重要的物理現(xiàn)象，也能對(duì)氣泡載荷進(jìn)行換算。

3 結(jié) 論

從理論上(量綱分析)推導(dǎo)了離心機(jī)水下爆炸縮比實(shí)驗(yàn)的相似關(guān)系，并通過計(jì)算討論了原模型、常規(guī)水下爆炸縮比實(shí)驗(yàn)和離心機(jī)縮比實(shí)驗(yàn)的沖擊波和氣泡載荷(運(yùn)動(dòng))，得到以下結(jié)論。

(1)在離心機(jī)上進(jìn)行水下爆炸縮比實(shí)驗(yàn)在理論上可靠可行，考慮慣性加速度后，解決了常規(guī)縮比實(shí)驗(yàn)不能縮比爆點(diǎn)水深的問題，實(shí)現(xiàn)了沖擊波載荷、氣泡載荷和氣泡動(dòng)力學(xué)行為相似條件的同時(shí)滿足。

(2)常規(guī)水下爆炸縮比實(shí)驗(yàn)和離心機(jī)水下爆炸縮比實(shí)驗(yàn)在沖擊波階段均有很好的相似性，但是常規(guī)縮比實(shí)驗(yàn)中氣泡不能完成射流，而離心機(jī)縮比實(shí)驗(yàn)?zāi)軌虮ＷC氣泡射流行為與原模型相似。

(3)近場(chǎng)水下爆炸氣泡載荷曲線常出現(xiàn)多峰現(xiàn)象，在氣泡正上方位置，常規(guī)縮比實(shí)驗(yàn)的載荷峰值不能隨意換算到原模型，若要將遠(yuǎn)場(chǎng)載荷峰值相對(duì)誤差控制在10%以內(nèi)，測(cè)點(diǎn)必須大于9.5倍氣泡最大半徑。在爆點(diǎn)水平方向，氣泡脈動(dòng)載荷峰值能與原模型之間進(jìn)行較好的換算，誤差在6%以內(nèi)，但是載荷波形仍不一致。

感謝中國(guó)水利水電科學(xué)研究院陳祖煜院士提供了寶貴意見。

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(責(zé)任編輯 丁 峰)

Experimental principle and numerical study of scaled-down underwater explosion model on a centrifuge apparatus

Liu Wentao, Yao Xiongliang, Li Shuai, Zhang Aman

(CollegeofShipbuildingEngineering,HarbinEngineeringUniversity,Harbin150001,Heilongjiang,China)

In this paper, we investigated a novel method by carrying out a sclaed down underwater explosion experiment on a centrifuge apparatus and set up the similarity theory between the scaled down and actual underwater explosion experiment. Using numerical simulation, we also investigated the shock-wave load, the bubble load and bubble dynamic behaviors between original models, the novel scaled down experimental method and the conventional method. The results from our study indicate that the conventional scaled down model experiment is unable to accurately predict the bubble dynamics and the vertical near-field loading induced by the bubble collapse. When the deviation of the far-field bubble pulse is limited within 10%, the distance between the explosion source and the measuring point has to be larger than 9.5 times that of the maximum radius of the bubble. However, the novel experimental method can make a precise prediction for the original model. The experiment of a mini-charge underwater explosion almost reproduces the whole physical process of a mass-charge underwater explosion with the completely similar stages of the shock wave and the bubble. In addition, the depth of the water can also be scaled down, thereby overcoming the disadvantages of the conventional method. The present study aims at providing a novel way to perform underwater explosion model experiments.

mechanics of explosion; scaled down experiment; centrifuge; underwater explosion; bubble

10.11883/1001-1455(2016)06-0789-08

2015-01-21； < class="emphasis_bold">修回日期：2016-10-08

2016-10-08

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(U1430236,51479041,51279038)

劉文韜(1991— )，男，博士研究生,liuwentao0@hotmail.com。

O382.4 <國(guó)標(biāo)學(xué)科代碼：1303520 class="emphasis_bold"> 國(guó)標(biāo)學(xué)科代碼：1303520 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A國(guó)標(biāo)學(xué)科代碼：1303520

A