水中电爆炸气泡动态特性试验研究

赵海峰, 操戈

(1. 海军工程大学, 武汉 430033; 2. 海军某代表室，武汉 430060)

水中电爆炸气泡动态特性试验研究

赵海峰1, 操戈2

(1. 海军工程大学, 武汉 430033; 2. 海军某代表室，武汉 430060)

由于现实大药量水下爆炸实验的气泡运动性态，难以很好地利用高速摄影进行拍摄。本文通过自主设计的实验电路，模拟水下电爆炸的各种工况，证明了低电压充放电电路实现水下微型电爆炸的可能性，可以较好地得到水下爆炸后气泡脉动和射流的诸多特性，为揭示水下爆炸气泡运动特性提供了参考。

水下电爆炸 高速摄影 气泡 脉动 射流

0 引 言

研究水下爆炸的特性，除了之前较为系统的理论结论，数值计算和仿真模拟也都是较有效的手段，国内的张振华[1-2]等在这方面做了大量的工作。水下爆炸所具有的多种特性使得研究起来较空中爆炸更为复杂，因为水下爆炸对水中结构物的毁伤效果不仅仅是依靠爆炸的冲击波能量，其产生的气泡脉动以及近距爆炸产生的射流冲击对结构物的实际破坏作用也十分显著，越来越受到国内外学者的关注，成为研究的热点。由于使用普通炸药进行水下爆炸，存在实验器材复杂，费用较高，人员的安全性和水下气泡脉动特性拍摄困难等诸多问题，许多学者开始使用可控性高和光测效果更好的电爆炸，并结合高速摄影技术进行试验，取得了令人满意的效果。如Chahine[3]，Blake[4]等和张寒虹[5-7]等研制的高压电水下电爆炸装置，Turangan[8]等和张阿漫等研制的低压电水下电爆炸装置。

本实验采用电容充电电路水中打火放电的原理，将短接金属丝瞬间熔化，产生所要求的气泡脉动效应。实验并且能够测量在一定放电储能的条件下金属丝爆炸所释放的能量，可以对各种不同工况下气泡的动态响应进行分析。本实验简单、易操作、安全性较好，能较好实现水下爆炸的相关情景，对气泡运动规律的研究具有一定价值和意义。

1 实验原理及实验装置

1.1 气泡产生原理

通过充电电路将高储能电容器充满电能，然后通过放电电路瞬间放电，较大的电能将搭接的金属丝瞬间(在几微秒内)熔化；熔化后的金属进一步汽化，形成高温、高压的金属蒸汽，金属蒸汽扩散膨胀进而带动周围水介质形成气泡。气泡由于内部高压和惯性影响将不断膨胀收缩，形成气泡脉动效应。在外界边界和干扰等因素的影响下气泡将处于极不稳定状态，最终气泡向外抛出内部气体，形成气泡射流现象。

1.2 实验装置组成

实验装置主要有以下几个系统组成：气泡生成系统，环境模拟系统，拍摄系统组成。

气泡生成系统主要有一个额定电压为220 V的直流电源，三个额定电压为250 V，电容为2200 µF高性能电容器，一个阻值为15 kΩ电路保护电阻，两个空气开关，一套电极固定装置以及若干根超细铜丝和铁丝。环境模拟系统主要有一个长、宽、高分别为600×400×400 (mm)的贮水水槽，一个额定功率为2 kW大功率连续光源，一套模拟流场状态喷水器，其额定电压为220 V，额定功率5 W，出水最大速度为3 m/s。拍摄系统主要由一套高速摄影仪，一个数码相机，一套图片分析系统组成。

实验的爆炸材料主要以不同粗细的超细铜丝和铁丝为主，采用固定水深和不同起爆点的方式以及背面打固定网格测量的方法，可以较全面地精确测量气泡的大小和运动状态，利用高速摄影仪拍摄帧数可以精确测量气泡产生、气泡脉动和射流的相关时间。利用电路连接电压表可以较准确测量充放电损失能量。实验测量工具还有多功能电压表、千分尺、直尺和网格纸等。

2 实验工况和结果分析

由于水下爆炸气泡脉动的过程极其复杂，很难得到理论上的精确公式，通过本实验利用电压表读数计算出整个电爆炸所释放的能量，进而可以近似得到气泡脉动所需要的能量值。根据能量值的变化并结合拍摄的图片，可以对不同工况的气泡脉动响应进行分析。库尔提出计算第一次气泡脉动周期的经验公式：

以及第一次气泡脉动半径的经验公式：

其中W是炸药的TNT当量，H是起爆点深度，公式采用国际单位。

我们分析模拟自由场状态下气泡运动形态。首先给出实验各工况的具体实验参数如表1所示。

根据实验数据，利用库尔的气泡脉动的经验公式可以对每个工况气泡脉动的周期和半径进行估算。

从表2中可以看到通过实验数据得到的气泡半径与脉动周期与利用经验公式计算得到值相差在20%以内，在此范围内进一步使用实验数据对气泡运动性态进行分析。

2.1 模拟自由场状态下气泡运动性态

2.1.1 实验工况1

此工况采用直径为0.383 mm的细铜丝，爆炸整个过程较为剧烈，第一次脉动气泡最大直径为31.1 mm，，在2.75 ms时刻，气泡半径膨胀至最大，随后迅速缩小，在4.25 ms时刻，气泡半径收缩至最小，然后开始第二次脉动，从拍摄图片上由于工况1爆炸剧烈，爆炸产生气体和杂质较多，影响了观察二次脉动的情况，使得二次脉动看似并不完整，但从气泡脉动的实际规律分析二次脉动始终存在，在4.90 ms时刻，气泡塌陷破裂。

2.1.2 实验工况2

此工况采用直径为0.143 mm的细铜丝，在1.40 ms时刻，第一次脉动气泡半径膨胀至最大，最大直径为24.2 mm，随后迅速缩小，在2.35 ms时刻，气泡半径收缩至最小，之后开始第二次脉动；此工况二次脉动的拍摄效果明显，在2.90 ms时刻，二次脉动气泡半径达到最大，随后气泡再次收缩，当进行至第三次脉动在3.90 ms时刻，气泡塌陷破裂，相应产生射流，射流方向为观察角度的右下方。此工况第一次脉动时间为2.10 ms，第二次脉动时间为1.05 ms，可明显看出二次脉动时间比一次脉动时间缩短，其二次脉动气泡半径最大值为13.2 mm，也比一次脉动气泡半径（24.2 mm）有明显缩短，说明二次脉动比一次脉动所需能量少，脉动的显著性和规则性下降。与工况1相比，工况2采用的铜丝半径只有1工况的三分之一左右，根据电容器存贮电能E=1/2CU2, 由电压表放电前后读数可以计算出工况1电容器释放的总能量为54 J，工况2电容器释放的总能量为29 J，可以说明直径较细金属丝爆炸所需要的能量较小，用于气泡脉动的能量也相应减少，从图4中可以清楚地看到工况2的第一次脉动时间和所产生的气泡最大半径都比工况1有较明显的减小。

2.1.3 实验工况3

此工况采用直径为0.143 mm的细铜丝，与工况2采用相同直径的铜丝，但起爆点深度有所上升。在只调整起爆深度条件下，其它实验条件都未变化，工况3电爆炸所释放的总能量、气泡第一次脉动半径和脉动周期时间都比工况2有所增加，并且工况3可以清楚的观察到气泡完整的三次脉动，因此可以说明在一定条件下，起爆点深度对电爆炸实验的结果有着一定影响。此工况最终产生射流的方向为观察角度的左下方，对比工况2的实验结果，说明自由状态条件下射流方向存在不确定性。

2.2 模拟边界场状态下气泡运动性态

在边界条件的影响下，水下爆炸后气泡运动性态会发生很大的变化，研究模拟边界场状态下气泡运动性态，可以帮助了解气泡对结构的载荷模式以及气泡在破裂后产生的射流冲击效应。

工况采用直径为0.163 mm细铁丝，爆炸较为剧烈，能较清楚地听到气泡射流冲击底部刚性壁的声音；气泡未完成一次脉动，即产生对底部刚性壁的射流冲击。气泡膨胀过程中，由于底部刚性壁的影响，气泡向下膨胀时受到限制，已经不再保持球形，气泡在2.25 ms时刻体积膨胀至最大，随后气泡收缩，从拍摄的照片中可以明显看到，气泡被吸附在底部刚性壁表面，气泡形状呈抛物型，气泡上表面迅速冲向刚性壁，在3.7 ms的时刻，气泡完全塌陷，对底部刚性壁产生向下的垂向射流。整个过程气泡的最大宽度(17.8 mm)较自由状态气泡最大直径(均在20以上)有明显地减小，其中最大宽度是指气泡膨胀时横向最大长度，可以说明起爆点深度降低，水深压力对气泡膨胀有一定影响。

3 结论

使用本试验低压电爆炸装置，较详细的研究了水下爆炸的各种工况，综合以上各工况的分析可以得到以下结论：

1） 本试验设计能够实现水下电爆炸的各种工况，实际试验可以清楚观察到气泡及其脉动运动的相关情况，具有实际应用价值。

2）在自由状态条件下，各工况实际测得的气泡脉动的周期和半径与换算为等效TNT当量计算出气泡周期和半径之间的误差均在20%以内。

3） 试验证明电爆炸释放能量和选用的金属材料的尺寸相关，使用较大尺寸金属丝产生的爆能较大；自由状态条件下，电爆炸产生的气泡半径和脉动时间与电爆炸释放的能量有密切的关系，在其他条件一定的情况下，气泡的半径和脉动时间随着电爆炸能量增大而增加。

4）在自由状态条件下，金属起爆点深度对电爆炸实验的结果有着一定影响；最终产生气泡射流的方向存在不确定性。

[1] 张振华，朱锡，冯刚等，船舶远场水下爆炸载荷作用下动态响应数值计算方法[J]. 中国造船， 2003, (4).

[2] 张振华，朱锡，白雪飞. 水下爆炸冲击波数值模拟研究[J]. 爆炸与冲击，2004，24(2).

[3] G.L.Chahine,G.S.Fredrick，C.J.Lambrecht，G.S.Harris，H.U.Mair.Spark-generated bubbles as laboratory-scale models of underwater explosions and their use for validation of simulation tools. SAVIAC proceedings 66thshock and vibrations，symposium，biloxi， 1995, 2:265-276.

[4] Blake JR，Gibson DC. Cavitation bubbles near boundaries. Ann Rev Fluid Mech，1987, 19：99-123.

[5] 张寒虹，陈志福，张弛. 水中电爆炸实验研究[J]. 爆炸与冲击，2002, 22(4).

[6] 张寒虹，陈志福，卢新培. 水中电爆炸过程的测量系统[J].华北工学院测试技术学报， 2000, 14(4).

[7] 高波，张寒虹，张弛. 水中高压放电气泡实验研究[J].物理学报， 2003, 32(7).

[8] Turangan.CK, Ong GP, Klaseboer.E，et.al. Experimental and numerical study of transient bubble-elastic membrane interaction. Journal of Applied Physics，2006, 100：051.

Expermental Study on Bubble Pulse in Underwater Wire Explosion

Zhao Haifeng1, Cao Ge2

(1. Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China; 2. Naval Representatives Office in Wuhan, Wuhan 430060, China)

It is difficult for practical underwater explosion experiment to carry out by high-speed photography. An independent designed electric circuit to simulate different circumstances is introduced, which demonstrates the feasibility of achieving tiny underwater wire explosion with a low voltage simple electric circuit. Bubble pulse and jet can be well observed in the experiment, which provides a basis for revealing the bubble movement after underwater explosion.

underwater wire explosion; high-speed photography; bubble; pulse; jet

TJ5

A

1003-4862（2013）05-0023-04

2012-10-12

赵海峰（1982），男，工程师。研究方向：结构力学