不同气流量下气泡帷幕对水下冲击波衰减特性研究

马成帅, 吴红波, 王尹军, 陆少峰, 李基锐, 蔡心远, 陈正严

(1.安徽理工大学 化学工程学院,安徽 淮南 232000;2.北京矿冶研究总院,北京 100044;3.广西新港湾工程有限公司,南宁 530200)

随着时代发展,爆破技术被广泛应用于民用建设和军事拆除等,使用范围也逐渐从陆地扩大到水下。现如今水下爆破技术应用开始逐渐增多,面对现场实际问题,各种新型方法层出不穷,但水下环境相对复杂,难以实施。由于水的密度大,且具有几乎不可压缩的特性,使得水下爆炸产生的冲击波在传播过程中衰减程度低,导致相同药量下,水中爆炸产生的冲击波破坏能力远远大于空中爆炸。如何采取有效的方法消弱水下冲击波对周边环境造成破坏已成为当前水下爆破工程师亟须解决的问题[1]。目前水下爆破主流防护措施包括从根源上降低产生的冲击波压力和爆源与被保护对象之间采取有效的措施对冲击波快速消减或隔绝。从根源上降低水下冲击波压力,通常采用微差爆破技术[2],减少单次起爆药量,从而降低冲击波压力叠加的峰值,但施工周期长,成本大幅增加,且一次起爆药量不能无限制减少,施工困难;在被保护对象与爆源之间采取有效防护措施可加速激波压力峰值衰减,一般使用气泡帷幕方法或预裂爆破技术[3]。气泡帷幕最早是由加拿大工程师Adolph提出并应用于工程实践,试验结果良好,因此得到一致认可并大规模推广[4]。目前气泡帷幕的产生方式主要为电解法、气泵法[5-6]。

胡伟才等[7]通过正交试验和极差分析等方法,基于ANSYS数值模拟分析气泡帷幕数量、防护距离、孔间距三个因素对水下冲击波衰减影响,结果表明防护距离与气泡帷幕数量是消波的主要因素。贾虎等[8-9]采用空气隔层探究对水下冲击波的衰减效果,试验结果表明空气阻隔对各频率的冲击波能量都有较好的衰减效果;并且提出采用爆炸气泡帷幕对水下冲击波压力进行衰减,试验结果表明爆炸气泡帷幕能有效衰减冲击波比冲量,衰减高达60%以上。谢金怀等[10]探究气泵法生成气泡帷幕对声波的衰减特性,试验结果表明在不同深度、不同气流量下气泡帷幕对低频波段衰减效果良好。司剑峰[11]根据声学近似原理推导出水下冲击波降低理论公式。Peng 等[12]采用耦合两步法,通过所提出的气幕模型可对噪声逸出进行参数研究。Bohne等[13]为了准确地估计气泡羽流,将浮力射流积分模型与现有的气泡破碎和合并种群动力学简化模型相结合,用来近似气泡的总体尺寸分布。Gao等[14]利用COMSOL Multiphysics有限元分析软件对气泡帷幕降噪效果进行研究,结果表明气泡帷幕可对水下噪声的峰值压级衰减约8 dB。现今学者们在气泡帷幕对水下冲击波衰减能力方面有不少研究,但实际情况交错复杂,研究进展缓慢。

本次试验自行设计一套水下爆炸气泡帷幕专用测试系统,用以研究气流量下气泡帷幕对水下冲击波的衰减效果,结合高速摄影寻找不同气流量下气泡帷幕受冲击波作用后的变化规律,以期指导水下爆破工程实践。

1 气泡帷幕消波原理

冲击波在水中传播时传递效率高,对周围生物及构筑物破坏强。设计水下爆炸防护设备时,需考虑到波阻抗比的问题,当两种介质的波阻抗不匹配程度越高,冲击波衰减效果越好。

令一维弹性波在水中垂直传入介质1,根据连续条件、波阵面动量守恒及牛顿第三定律,可推导出入射压力σ1、反射压力σR、透射压力σT之间的关系

(1)

式中:T、F分别为透射系数和反射系数;n为波阻抗比;ρw为水的密度,cw为水中的波速,ρwcw为水介质的波阻抗;ρ1为介质1的密度,c1为介质1中的波速,ρ1c1为介质1的波阻抗。

水中的一维弹性波通过介质1再投射到水中时,透射波σT1的强度为

(2)

以上分析以弹性波为例,对于水下爆破产生的冲击波同样适用。由此可见,透射应力只与两种介质的波阻抗比有关,且差距越大,效果越明显。气泡帷幕作为一种有效的防护手段,其水与气泡的波阻抗差距较大,因此在被保护区域与爆源之间放置气泡帷幕可以有效削减冲击波能量,确保水下爆破工程能顺利进行。

2 试验部分

2.1 水下爆炸试验装置

试验在水下爆炸气泡帷幕专用测试装置中进行,该装置长1.2 m、宽1.2 m、高1.3 m,配有邻侧双边大面积透光防爆玻璃,透光率92.7%,拉伸强度83.3 MPa,压缩强度142 MPa,能满足试验药量爆炸后所需的强度。

测试系统包括PCB公司W138A06电气石水下激波压力传感器、482A22恒流源、TELEDYNE LECROY公司HD O4034A示波器、NAC Memrecam HX-3高速摄像机、计算机等。试验系统和主体装置放置示意图如图1所示。

2.2 气泡帷幕发生装置

该气泡帷幕发生装置由气体输出系统、压力调节装置、气泡帷幕发生器及连接管组成。气体输出系统用于储存或释放气体,其最大承载压力8 Mbar;压力调节装置可以有效控制并维持气体压力大小,包含一组可拆卸式流量计,方便记录和变换调节气流量大小;气泡帷幕发生器管长1 000 mm、孔距50 mm、孔径0.9 mm,且可以吸附在水下爆炸气泡帷幕专用测试装置下方,便于固定气泡帷幕发生器位置。

2.3 爆源选取

本次试验统一采取8号工业雷管作为爆源,聚能穴垂直于测试装置底部,采用起爆器起爆。

2.4 试验工况

为了验证不同气流量下气泡帷幕对水中爆炸冲击波的衰减情况。本次试验将高速摄像机放置于观测窗前4.5 m处;气泡帷幕发生器置于测试装置底部,与一侧防爆玻璃平行并距离35 cm;爆源入水深度70 cm,悬浮在距金属壁面两侧垂直距离均40 cm,装置底部垂直距离35 cm处;水下压力传感器距爆源60 cm,置于气泡帷幕发生器与防爆玻璃之间,与爆源处于同一水平面;气体压力由压力调节装置控制,维持压力2 Mbar,采用气流量分别为5 L/min、10 L/min、20 L/min、30 L/min、40 L/min的五种气泡帷幕作为试验变量,探究水下冲击波穿过气泡帷幕后的形态及冲击波衰减情况。

3 试验结果及分析

3.1 气泡脉动试验

对于无限水域爆炸,一般规定爆源与装置底部要达到气泡脉动最大半径的2倍,与壁面要达到5倍最大气泡脉动半径[15]。在水下爆炸气泡帷幕专用测试装置中,因为体积受限,爆源在该装置中无法保持与壁面距离达到无限水域要求,但为了尽可能消除不利因素,试验安置位置需保证距水底两倍最大气泡脉动半径。为了验证爆源的安置位置是否合适,空爆一发雷管,通过高速摄影对爆炸产生的气泡进行拍摄,可直接得到气泡脉动直径,如图2所示。

图2 气泡脉动最大直径Fig.2 Maximum diameter of bubble pulsation

拍摄显示雷管爆炸后可进行完整的气泡脉动,未触及装置壁面和底部。实测得气泡脉动最大直径为24 cm,小于爆源距测试装置底部距离,且未触及壁面,符合要求,本次安置方式合适。

3.2 气泡帷幕形态变化试验

为探究不同压力下气泡帷幕产生气泡的效果及对冲击波防护能力,本次拍摄频率为5 000 s-1,相邻拍摄图片时间间隔0.2 ms。将试验所用气泡帷幕发生装置固定于水底,采用上述五种气流量进行拍摄,该装置通光性好,光源只需自然光。将高速摄像机拍摄图片中选择冲击波到达气泡帷幕前0.2 ms时,爆源与传感器两点连线上的气泡帷幕区域长度作为气幕宽度,且选取在此气幕宽度附近的气泡作为观察对象,如图3所示。

图3 气泡帷幕观察对象的选择示意图(cm)Fig.3 Schematic diagram of the selection of observation objects for the bubble curtain(cm)

试验以气泡帷幕初次受到冲击波冲击,图像前后开始变化的前一帧图像作为0时刻。如图4所示,0时刻前,气泡帷幕未受到冲击波影响,形态几乎无变化;0时刻后,气泡帷幕右侧产生的冲击波开始影响气幕中的小气泡原有状态,小气泡形状开始变化,并随着时间增长呈现出气幕右侧气泡先变化,左侧气泡随后变化的过程。

图4 气泡帷幕初次受冲击前后形态渐变图Fig.4 Morphologic gradient of bubble curtain before and after initial impact

图5为5 L/min气流量下气幕形态变化时程图。从图5可以看出,冲击波达到前,气泡帷幕呈现倒锥形,帷幕中小气泡之间存在以水为介质的空隙,气泡大小不规律,外形呈现扁圆状。0～3.8 ms时间段,小气泡在受到冲击波作用后开始第一次膨胀收缩,在0时刻,气泡帷幕受到冲击波冲击,气泡帷幕中的气泡会迅速收缩,并吸收部分冲击波能量,导致气泡内部压力大于静水压,气泡开始膨胀,周围水流也向径外流动;冲击波传播到气泡帷幕后一段时间,由于炸药在短时间内释放巨大能量,使得装置中的一部分液体迅速气化,气幕右侧出现大量微小气泡,随后立即消失,如1 ms所示;随着气幕中的气泡急剧膨胀,气泡内的压力随之降低,在某一时刻与周围静水压力相同,受惯性影响,气泡继续向外扩张,2 ms时膨胀至最大半径,外形为球形,与爆源同一水平面的气泡直径约16 mm,此时气泡内压力低于静水压,随后开始迅速收缩,3.8 ms时气泡收缩至最小,第一次气泡膨胀收缩结束;同样由于气泡内外压力不均匀的影响,3.8～14 ms,小气泡在此期间进行数次膨胀和压缩,14 ms后各小气泡开始破裂,形成许多更小的气泡,边缘逐渐不规律,气幕整体不再大幅度变化,形态变化结束。由于气幕中气泡形态变化过程与气泡脉动相似,本文称之为类气泡脉动行为,故气泡第一次膨胀收缩所需的时长即第一次类脉动周期。

图5 5 L/min气流量下气幕受冲击波作用后形态变化图Fig.5 Morphological changes of bubble curtain under shock wave at 5 L/min gas flow

图6为气流量10 L/min、20 L/min下气泡帷幕变化过程图,对比图3可以看出,气幕随着气流量的增大变宽,倒锥形逐渐明显,气幕内部气泡含量密度增大,在受到冲击波作用后,气泡帷幕略微向左倾斜,气泡开始膨胀,第一次类脉动周期分别为4.2 ms和5.2 ms,气泡最大直径分别为17 mm和19 mm,在进行数次类气泡脉动后气泡溃散,组成小气泡群。

(a) 气流量10 L/min

(b) 气流量20 L/min图6 不同气流量下气幕受冲击波作用后形态变化图Fig.6 Morphological changes of air curtain under shock wave under different air flow rates

通过分幅处理,选取与爆源入水深度相同的气泡,对比受到水下冲击后气泡的最大直径及第一次类气泡脉动周期,得到表1所示的气泡帷幕形态参数。

表1 不同气流量下与爆源同一水平面的气泡帷幕形态参数Tab.1 Bubble curtain shape parameters at the same level as the explosion source under different air flow rates

经过对五种气流量气幕形态变化进行对比,发现气幕形态与气流量大小有关。通过拍摄图片对比可得,在一定范围内,气流量越大,气幕中气泡间隔越小,气泡密度占比越高,气幕宽度与气流量呈现正比增长的趋势。当气幕受冲击波作用后,气流量越大,同一水平面内气幕中类气泡脉动最大直径越大,第一次膨胀压缩周期越长。可能是因为当水下冲击波到达气幕后,小气泡会吸收和反射部分冲击波能,随着气泡帷幕变宽,气泡占比提高,冲击波能在气幕内折射和反射的次数会相应增多,方向不固定,由于气幕内单个气泡不仅会吸收直接受到的冲击波能,还会吸收部分其他气泡反射或折射的能量,导致吸收的总能量增加,最终形成气泡膨胀后的最大直径增加,类气泡脉动周期变长这一现象。

3.3 气泡帷幕对水下冲击波压力衰减试验

为了探究气幕对水下冲击波的衰减能力,试验前对传感器进行标定,标定得灵敏度为111.3 mV/MPa。通过计算,可将传感器所得电压传感器的电压曲线转化为压力曲线。因为装置体积限制,不可避免存在冲击波壁面反射等情况,由于刚性壁面对水中冲击波的反射能力强,且存在多个反射波相互叠加,容易导致在第一个波峰后形成数值更大的压力峰值的情况。试验为模拟无限水域环境,第一个峰值即为冲击波压力峰值,故本文只将第一个波峰作为研究对象,以减少上述因素带来的影响。图7可以看出,无气幕下水下冲击波压力峰值最大;随着气流量的上升,冲击波峰值压力呈现下降的趋势,图7(f)所示,当气流量为40 L/min时,压力峰值已不明显,分析所得各气流量下冲击波压力峰值及峰值下降幅度如表2所示。

(a) 无气泡帷幕

(b) 气流量5 L/min

(c) 气流量10 L/min

(d) 气流量20 L/min

(e) 气流量30 L/min

(f) 气流量40 L/min图7 不同气流量下冲击波压力曲线Fig.7 Shock wave pressure curve at different gas flow rates

表2 不同气流量下冲击波压力峰值Tab.2 Peak pressure of shock wave under different gas flow rates

根据冲击波压力峰值进行定量分析,得出随着气流量的增大,气幕对水下冲击波的衰减程度越好。当气流量从0提高到5 L/min时,冲击波峰值降低23.02%;当气流量从5 L/min提高到10 L/min时,冲击波峰值降幅从23.02%降低到21.33%,消波能力反而降低,通过高速摄像发现,如图8所示,气流量10 L/min的摄像图虽然比5 L/min宽,但在爆源同一水平面上的气幕存在一块无气泡区域,导致气幕内有效气泡含量低于5 L/min下的气幕,使得冲击波压力峰值不降反增,进一步说明气幕中气泡含量密度是决定冲击波压力降低的重要因素;气流量从10 L/min提高到20 L/min时,冲击波压力峰值降幅从21.33%快速提高到55.51%;气流量从20 L/min提高到30 L/min时,冲击波峰值降幅从55.51%提高到78.81%;当气流量从30 L/min提高到40 L/min时,冲击波峰值降幅从78.81%缓慢提高到88.98%。由此可见,气泡帷幕对水下冲击波衰减效果明显,在工程实践应用中具有较高的价值。

图8 爆源同深度下5 L/min与10 L/min气流量气幕摄影图Fig.8 Air flow and air curtain photography of 5 L/min and 10 L/min at the same depth of detonation source

结合摄像,得出气泡帷幕宽度和气泡密集程度是削弱冲击波的重要因素;由于气泡帷幕受水流、水中杂质等因素影响,导致气幕形态不能完全稳定,对此可通过增大气流量来减小误差。

3.4 气泡帷幕对水下冲击波的比冲量衰减

水下爆炸对周围的损害不仅包括冲击波峰值压力,还与炸药爆炸产生的能量有关。通过对试验的冲击波压力曲线进行积分,得到待测点的冲击波比冲量,对各种气幕下的压力曲线进行对比,用以判断不同气流量下气泡帷幕对能量的削弱能力。

(3)

式中:I为爆炸波比冲量,Pa·μs;ta为冲击波到达时间,μs;tb为冲击波的结束时间,一般取值为ta+6.7θ,μs;θ为时间常数,指爆炸冲击波压力时程中由峰值压力pm衰减为pm/e所用的时间,μs。

气泡帷幕能有效降低水下冲击波冲量,如图9所示。可以看出,未设置气幕时的冲击波比冲量最大,随着气幕气流量增大,水下冲击波比冲量出现下降趋势,气流量在20 L/min后,气泡帷幕对冲击波比冲量衰减大于50%,表明高流量下的气泡帷幕能有效地减少冲击波比冲量,对周围环境能起到保护效果。

图9 不同气流量下水下冲击波冲量曲线Fig.9 Impulse curve of underwater shock wave under different gas flow rates

3.5 气泡帷幕气流量与消波能力拟合曲线

本次试验,在有限空间中采用气泵法产生气泡帷幕,并采取不同气流量下的气泡帷幕对水下冲击波进行不同程度的削弱。对比发现,气泡帷幕消波能力与气流量的大小有一定的规律,呈现出随着气流量的增加,气泡帷幕消波能力先快速上升后缓慢上升的趋势,满足拟合条件。

通过量纲分析,可得到具有通用性的计算方法,针对不同安置方式,拟合出与试验设计参数类似情况下的水中冲击波超压峰值计算公式。首先需确定影响气泡帷幕对水中冲击波压力衰减能力的主要参数:

炸药参数:炸药的装药量m、装药密度ρ1、爆炸产物膨胀系数γ。

液体参数:静水压p0、初始密度ρ2,状态方程指数n。

气泡帷幕参数:气泡帷幕与爆源水平距离r,气流量q。

尺寸参数:被保护物与爆源距离R、到达被保护物水中冲击波峰值压力p。

此时可得到达被保护物的压力峰值p由上述参数组成的函数

p=f(m,ρ0,γ,p0,ρ2,n,r,q,R)

(4)

选取量纲独立的R、p0、ρ2,由π定理可得出水中冲击波通过气泡帷幕衰减后的峰值压力p

(5)

若实际应用与试验工况相仿,则空爆后到达被保护物的压力峰值相同、装药性质不变、爆源与被保护物和爆源与气泡帷幕的水平距离比一致、液体的初始状态类似,则:

(6)

进而式(6)可简化为

(7)

具体形式为

(8)

通过试验数据进行数据拟合,得到适用于实际工程的经验公式

(9)

为了验证拟合数据是否准确,试验增加两组气流量为80 L/min的水下冲击波超压作为对照,处理数据后得,该组气幕的实际消波能力为90.23%,式中得到的消波效果为90.52%,相对误差0.3%,表明该公式符合实际应用环境,拟合准确。

由此可见,气流量越大,到达被保护物的冲击波压力越小,气泡帷幕的消波效果越好。该公式可推广至实际工程中,为水下爆破防护应用提供参考。

4 结 论

(1) 在一定范围内,气泡帷幕宽度会随着气流量的增大而变宽,气泡密集程度也随之提高,且气幕内气泡越密集,对冲击波的衰减效果越好,气泡帷幕越宽,消波越显著;水下冲击波传播至气泡帷幕后,气幕中气泡会吸收部分冲击波能量并做类气泡脉动行为,气流量越大,气泡膨胀的最大直径越大,第一次类气泡脉动周期越长。

(2) 气流量的改变对气泡帷幕消波防护有显著影响,在气流量40 L/min下,冲击波峰值衰减高达88.98%;且气泡帷幕对冲击波比冲量削弱效果同样显著,当气流量大于20 L/min后,冲击波比冲量衰减程度均大于50.00%。

(3) 试验结果存在一定规律,通过量纲分析,得出一条适用于该工况的经验方程,可对实际工程应用提供参考。