悬挂式矩形水墙对爆炸冲击波削减效果的实验研究.pdf

:./.悬挂式矩形水墙对爆炸冲击波削减效果的实验研究张波涛 岳亚军 姜 林中国兵器工业集团江山重工研究院有限公司(湖北襄阳)南京理工大学机械工程学院(江苏南京)摘 要 为探究开放空间中水对爆炸冲击波的削减效果基于水平激波管搭建了冲击波与悬挂式矩形水墙相互作用的实验平台在水墙近场位置开展了 组实验 利用高速纹影测试系统记录冲击波与水墙的相互作用过程并研究水墙厚度对水墙破碎效果以及运动速度的影响 利用压力测试系统记录水墙后方的压力变化并结合高速纹影测试结果进行分析 结果表明:水墙后方的压力变化与冲击波的反射、透射以及绕射现象无关主要取决于水墙产生的冲击作用动量提取为悬挂式矩形水墙的主要减爆机制水墙对冲击波峰值压力具有明显的削减效果且随着水墙厚度的减小对峰值压力的削减效果逐渐增加水墙对峰值冲量的削减效果并不明显关键词 悬挂式矩形水墙爆炸冲击波水墙厚度削减效果分类号 .()().引言爆炸产生的冲击波对建筑物和民用基础设施构成了巨大威胁 为了减轻爆炸产生的危害必须制定有效的防爆措施 在爆炸物周围设置悬挂式矩形水墙是一种潜在方法 主要原因是水的价格低廉、来源广泛并且相关研究表明水介质能够减轻爆炸产生的冲击效果水介质有细水雾、水幕(水帘)、水体墙以及悬挂式水墙等多种使用形态它们的削波减爆机制与水介质的使用形态相关 细水雾通过动能、破碎能、显热、潜热(蒸发)种方式吸收爆炸产生的能量其中潜热吸能是细水雾削减爆炸冲击波的主要机第 卷 第 期 爆 破 器 材 .年 月 .收稿日期:第一作者:张波涛()男研究员主要从事爆炸力学和冲击动力学相关的研究:.通信作者:姜林()男博士副教授主要从事铝热剂燃烧和爆炸力学相关的研究:.制 等在密闭舱室中开展了细水雾对高能炸药 和 爆炸抑制效果的实验结果表明:细水雾使 和 的冲量、峰值压力和准静态压力分别降低了、和、陈鹏宇等在舰舱的缩比模型中开展了细水雾减爆实验研究对比分析了有水雾和无水雾工况下.和.舱内爆炸典型位置的峰值压力和准静态压力 结果表明:水雾的存在对舱内爆炸载荷的峰值压力和准静态压力均有明显的削弱效果 水幕(水帘)是指以一定的速度向特定方向运动的超过一定密度的一群液滴其减爆机制与细水雾相同 李钰阳和胡洋等开展了水幕衰减爆炸冲击波的数值仿真研究 结果表明:水幕对爆炸冲击波峰值压力和温度均有明显的减弱效果 然而使用细水雾、水幕(水帘)抑爆技术时需要综合考虑各种因素要保证喷出的液滴既能有效抑制爆炸威力又不能对结构设施造成二次损害这在工程应用中具有较大难度水体墙是以水为主体并用各种形式的容器储存、构建而成的防爆墙 与刚性墙不同的是水体墙在爆炸中被破坏因为爆炸波的部分能量被转化为水的动能这种现象被称为动量提取 由于加载的时间尺度太小水没有足够的时间进行分解和蒸发动量提取和冲击波的反射、绕射被认为是水体墙主要的减爆机制 等使用装满水的矩形塑料容器开展了水体墙减爆实验 研究发现:水体墙能够有效削减冲击波峰值压力并且削减效果与 等采用刚性墙数值仿真计算出的结果非常接近 这一发现表明水体墙的主要削减机制类似于刚性墙可以反射、绕射以及偏转爆炸冲击波 等进行了一系列小规模爆炸实验以评估水体墙对装甲车的防护效果 研究发现水体墙可以有效地减轻钢板变形 此外 等认为水体墙的主要减爆机制是动量提取目前对于悬挂式矩形水墙的研究非常有限悬挂式矩形水墙通常放置在爆炸物的一侧并与爆炸物保持一定的距离从而减轻水墙后方的爆炸载荷 等开展了水体墙以及悬挂式水墙对爆炸冲击波削减效果的实验 研究发现:水体墙和悬挂式水墙对峰值压力的削减均达到 以上其中设置悬挂式水墙时峰值压力的削减效果最佳可达到 等利用爆轰激波管研究了 厚的悬挂式水墙对冲击波的衰减效果发现设置水墙时爆炸冲击波峰值压力和冲量分别降低了和 然而在上述的研究中并没有关于悬挂式矩形水墙减爆机制的研究 由于测量和观察的困难目前尚不清楚悬挂式矩形水墙近场位置爆炸冲击波与水墙的相互作用过程且未能对水墙后方的压力时程曲线进行详细解释基于水平激波管搭建了冲击波与悬挂式矩形水墙相互作用的实验平台开展了马赫数 .和 .的入射冲击波分别与、和 厚的水墙相互作用的实验 通过高速纹影测试系统记录冲击波作用下水墙的运动过程研究水墙厚度对水墙破碎效果以及运动速度的影响 通过压力测试系统记录水墙后方的压力变化并结合纹影图对压力时间曲线进行详细分析 最后量化水墙厚度对冲击波峰值压力和峰值冲量的削减效果 以期为悬挂式矩形水墙防爆系统的设计提供参考 实验设计.实验平台采用长度.、内径 的水平激波管实验平台主要由冲击波发生系统和矩形水墙生成系统组成如图 所示 高压气瓶 高压段 膜片 低压段 法兰盘 矩形水墙发生装置 过滤器 水管 水泵 水箱 水墙图 冲击波与悬挂式矩形水墙相互作用的实验平台.冲击波发生系统主要包括高压气瓶、水平激波管和膜片 激波管由高压段(长.)和低压段(长.)组成 通过膜片将高压段和低压段分割开来 高压气瓶为高压段提供高压驱动力当高压段的压力超过膜片的极限时膜片就会破裂成孔同时生成的冲击波会向低压段传播 水墙生成系统由水墙发生装置、蓄水箱、水泵、过滤器和水管等组成可以生成连续不断的悬挂式矩形水墙图 为水墙发生装置主要材质为玻璃钢和 不锈钢总体尺寸 年 月 悬挂式矩形水墙对爆炸冲击波削减效果的实验研究 张波涛等 壁厚 水墙发生装置包括盛水箱、漏斗和导流板 个部分在漏斗出口处加装 长的导流板能够将湍流转捩为层流 水墙宽度约 距激波管口约 通过改变导流板间距可以改变水墙厚度 图 为生成的悬挂式矩形水墙 盛水箱 漏斗 导流板图 矩形水墙发生装置(单位:).(:)图 悬挂式矩形水墙(单位:).(:).测试系统高速纹影测试系统由激光光源、光源狭缝、刀口、反射镜以及高速摄影机等组成系统布局如图 所示 采用日本 公司生产的 型高速摄影机参数见表 两个主反射镜与 之间的距离为 主反射镜焦距为 激光光源通过 的狭缝和反射镜后在 和 之间形成平行光通过反射镜聚焦于刀口最后通过高速摄影机记录检测区域的图像 压力测试系统主要由压力传感器、信号放大器、数据采集器、计算机和配套的信号电缆组成系统布局如图 所示 受水墙附近的空间限制典型的铅笔式压力传感器不能在不破坏水面流动的情况下使用 美国 公司的 系列的压电式压力传感器测得的压力接近铅笔式压力传感器 因此使用此类型的压电式压力传感器代替铅笔式压力传感器 压力传感器、分别布置在距离激波管出口 主反射镜 激光光源 光源狭缝 反射镜 压力传感器 主反射镜 高速摄影机 刀口 反射镜 激波管 矩形水墙图 高速纹影测试系统.表 高速摄影机参数.分辨率曝光时间/快门速率/帧速率/(帧)./计算器 数据采集器 信号放大器 矩形水墙 激波管图 压力测试系统(单位:).(:)和 处用于确定入射冲击波马赫数 采用.厚的硬纸膜和.厚的 聚酯薄膜可获得相应马赫数的入射冲击波详细参数见表 压力传感器、分别布置在激波管正前方 和 处即水墙后方 和 处用于测量水墙后方的压力 采用江苏联能技术有限公司的 型信号放大器荷兰 公 司的型数据采集器选用的采样频表 冲击波马赫数.膜片材料冲击波速度/()入射冲击波马赫数 硬纸膜.聚酯薄膜.爆 破 器 材 第 卷第 期率 采集到的信号使用计算机保存.实验方案共开展了 组实验包括 组空白实验()和 组正式实验实验工况见表 表 实验工况.工况/.结果与分析.空白实验图 为无水墙时高速摄影机拍摄的冲击波(.)传播过程纹影图 为了便于记录规定冲击波刚到达激波管口时为 图 中:当 时到达激波管口的冲击波为平面波且波阵面较为平整但在靠近激波管管壁处冲击波的波阵面具有一定的弧度这是因为冲击波离开激波管口时发生了衍射 随着时间的推移衍射效果越来越明显弧形冲击波的占比也越来越大 在 .时波阵面的形状已经完全变成弧形 同时靠近激波管口处观察到涡环 涡环是冲击波后高速气流在激波管口处分离并卷起产生的 当 为.时冲击波持续向右侧扩散最后超出视场范围 图 为无水墙时测点 和 的压力时间曲线 可以看出该曲线为典型的冲击波超压曲线为了便于比较将各工况的时间数据进行偏移使时间原点为测点 压力开始上升时刻 图 无水墙时不同测点的压力时间曲线.由图 可得到无水墙时测点 和 处的峰值压力并利用式()计算得到对应的峰值冲量结果如表 所示 ()()式中:为冲击波的冲量 为正压作用时间()为冲击波压力随时间变化的函数.冲击波与矩形水墙的相互作用.水墙运动过程分析 图为.的入射冲击波与厚度 图 无水墙时冲击波传播过程纹影图(.).(.)表 无水墙时测点 和 的峰值压力和峰值冲量.马赫数峰值压力/压力作用时间/峰值冲量/()峰值压力/压力作用时间/峰值冲量/().年 月 悬挂式矩形水墙对爆炸冲击波削减效果的实验研究 张波涛等 图 冲击波与水墙相互作用的纹影图(.).(.)的矩形水墙相互作用的纹影照片 高速摄影机的拍摄画面为二维投影图像 通过对图像进行分析和处理可以获得水墙在投影平面的位移曲线如图 所示 图 冲击波与水墙相互作用的位移曲线.结合图 和图 进行分析 可以看出冲击波作用下水墙运动过程可以分为以下 个阶段:)初始运动阶段即 .时冲击波的演变过程与无水墙时一致.时入射冲击波到达界面(由空气传播到水墙)并在水墙内部产生了一个微弱的透射波 由于水墙相对较薄、透射波强度较弱照片并未在水墙内部显示出透射波 此过程中水墙的运动形态并未发生变化)加速运动阶段即.时产生向管口方向运动的反射波这是阻抗失配引起的空气的声阻抗 /()比水的声阻抗./()低几个数量级冲击波的能量只有一小部分被传输到水墙中大部分被水墙反射这也是水墙内部形成的透射波比较微弱的原因 在此过程中水膜内部形成的透射波将会到达界面(由水墙传播到空气)并反射回拉伸波(稀疏波)界面 附近的水在此拉伸力的作用下会向空气中喷射水流产生 ()不稳定性现象.时反射波继续向管口方向运动同时波后的高速气流作用于水墙水墙发生破碎并形成水滴在界面 出现明显的小凸起且凸起集中在水墙的中间部分 这是受 ()不稳定性的影响当冲击波后高速气流(轻流体)作用于水墙(重流体)时水墙受到气动力的作用由于此时的气动力大于空气阻力水墙会向右侧加速运动)稳定运动阶段即.时冲击波后高速气流和涡环共同作用于水墙界面 的不稳定性现象更加明显中心凸起变得更大 此外在.时发现水墙后方出现个球形的冲击波 关于此现象最初有 个观点:其一是运动的水墙压缩空气形成的压缩波其二为二次反射波作用于水墙时产生的透射波 对于以上 个观点进行了如下分析:假设水墙后方的冲击波是运动的水膜压缩空气产生水墙后方仅能形成一个球面波显然此观点不正确二次反射波在.时与水墙发生相互作用产生的相应透射波也应在.后由此认为观点二也不正确 后经分析认为水墙后方的 个球形冲击波是绕射波冲击波与水墙相互作用的过程中反射波的波长不断增加当波长大于水墙宽度时会在水墙两侧形成绕射波 由于矩形水墙的中轴线与入射冲击波的中轴线 爆 破 器 材 第 卷第 期不完全重合入射冲击波到达水墙两侧的时间不同导致观察到 个绕射波 绕射波仅在水墙两侧运动因此对水墙后的流动并没有影响 此外在水墙后方还观察到微弱的压缩波 压缩波是由水墙后方的扰动空气产生的在波后高速气流和涡环的作用下水墙像一个快速运动的活塞压缩空气.时二次反射波、波后高速气流以及涡环共同作用于水墙并驱动水墙向后运动水膜的破碎程度加剧 在此过程中水墙受到的气动力与空气阻力相等做匀速运动运动速度达到最大约为/)减速运动阶段即.水墙持续向后运动在空气阻力的作用下水滴发生二次破碎并形成细水雾水墙表面出现了局部雾化现象且随着时间的推移水墙逐渐超出纹影仪的可视范围 在此过程中水墙受到的气动力小于水膜受到的空气阻力开始做减速运动.水墙厚度对水墙运动过程的影响图、图 和图 为 .和 .的冲击波分别与不同厚度的水墙相互作用的纹影图 不仅可观察到反射波、绕射波、微弱的压缩波还可观察到水墙的变形、破碎以及雾化的全过程研究还发现当入射冲击波马赫数一定时随着水墙厚度的增加水墙变形和破碎的效果逐渐减弱主要表现在:水墙越厚液滴的扩散范围越小且抛撒距离逐渐减小 图()为冲击波与矩形水墙相互作用的位移情况 水墙均经历了初始运动阶段、加速运动阶段和稳定运动阶段且水膜运动到测点 和 处时均处于稳定运动阶段 由于高速摄影机所记录的 ()()()图 冲击波分别与不同厚度水墙相互作用的纹影图(.).(.)年 月 悬挂式矩形水墙对爆炸冲击波削减效果的实验研究 张波涛等 ()()图 冲击波分别与不同厚度水墙相互作用的纹影图(.).(.)()位移 ()速度图 冲击波与水墙相互作用的位移和速度.照片范围有限并不是所有工况下的水墙都能够被观察到减速运动阶段 图()为水墙稳定运动阶段的速度 随着水墙厚度的增加水墙的运动速度逐渐减小 这是因为随着水墙厚度的增加空气阻力会逐渐增大进而造成水墙运动速度减小.压力时间曲线.压力时间曲线分析测点 和 处 .的入射冲击波与 的矩形水墙相互作用时的压力时间曲线见图()和图()可以看出测点 和 的压力曲线上升时间分别为 和 而典型冲击波超压曲线的上升时间应为 这说明冲击波作用于矩形水墙时水墙后方不会产生冲击波 在图 中水墙后方并未观察到透射波而且绕射波仅在水墙两侧运动对水墙后的流动并没有影响 分析认为矩形水墙后方的压力变化与冲击波的反射、透射以及绕射现象无关图()和图()中 时测点 和 的压力曲线变化趋势基本一致 结合图 仅对测点 的压力变化进行分析 可以发现压力时间曲线具有 个作用阶段 .为压力作用的第一阶段 该阶段压力的持续时间为.而水墙运动到测点 所用的时间约为.(图 中.)两者的相对误差约为 爆 破 器 材 第 卷第 期 由此认为该阶段的压力变化是水墙向后运动过程中产生的压缩波引起的 而压缩波的强度又取决于水墙的运动速度因此第一阶段的压力变化取决于水墙的运动速度.为压力作用的第二阶段 很显然该阶段的压力变化是水墙冲击造成的水墙在冲击波后高速气流的作用下加速至一定的速度具有较大的动量(即动量提取效应)水墙运动到测点 时(图 中.)引起该阶段的压力变化这说明第二阶段的压力变化取决于受冲击水墙所具有的动能.峰值压力和峰值冲量图 为 .和 .的冲击波分别与、和 厚的水墙相互作用的压力时间曲线 可以看出压力时间曲线均具有压缩波作用阶段和水墙冲击阶段 将压缩波作用阶段与水墙冲击阶段进行对比发现水墙冲击阶段产生的峰值压力均高于压缩波作用阶段冲量变化也主要由水墙冲击引起 由此可见水墙后方的压力变化主要取决于水墙的冲击作用 这说明水墙近场位置动量提取为悬挂式矩形水墙的主要减爆机制表 为有水墙时测点 和 的峰值压力和峰值冲量 其中峰值压力为水墙冲击阶段产生峰值冲量为压缩波作用阶段和水墙冲击阶段叠加产生可利用式()计算得到 由表 可知当冲击波马赫数相同时峰值压力随水墙厚度的增加而增加这是因为当水墙厚度增加时尽管水墙的运动速度会减小但质量成倍增加(水墙的质量与厚度成正比关系)进而导致受冲击水墙具有的动能增加该阶段的压力峰值也随之增加 纹影图也可做出详细的解释当水墙运动到测点 和 位置时随着水墙厚度的增加水墙的破碎程度逐渐减弱这表明水墙破碎时耗散的能量逐渐减少因而产生的峰值压力更大 测点 和 处峰值冲量的变化规律与峰值压力的变化规律基本相同均随水墙厚度的增加而增加.削减效果表 为测点 和 处的峰值压力削减率和峰值冲量削减率 削减率为正表示水墙对冲击波峰值压力(峰值冲量)具有削减效果削减率为负则表示水墙具有增强效果 峰值压力削减率 ()峰值冲量削减率 ()(.)()(.)()(.)()(.)图 冲击波与不同厚度的水墙相互作用的压力时间曲线.年 月 悬挂式矩形水墙对爆炸冲击波削减效果的实验研究 张波涛等 表 测点 和 处的峰值压力和峰值冲量.马赫数厚度/峰值压力/压力作用时间/峰值冲量/()峰值压力/压力作用时间/峰值冲量/().表 削减率./.()式中:为无水墙时的峰值压力 为有水墙时的峰值压力为无水墙时的峰值冲量 为有水墙时的峰值冲量表 中水墙在测点 和 处均对冲击波峰值压力具有明显的削减效果 水墙越薄对峰值压力的削减效果越显著 峰值压力的最大削减率为.但 .的冲击波作用于 和 厚的水墙时反而会对峰值压力有增大效果此外还发现在测点 处仅 厚的水墙对峰值冲量有削减效果在测点 处水墙对.的冲击波具有明显的削减效果且水墙越薄对峰值冲量的削减效果越明显最大削减率达到.由此可见水墙对峰值冲量的削减效果受目标与水墙间距的影响当目标距离水墙太近时并不能达到削减峰值冲量的效果 结论利用水平激波管搭建冲击波与悬挂式矩形水墙相互作用的实验平台 开展 .和 .的入射冲击波分别与、和 厚水墙相互作用的实验 通过高速纹影测试系统记录冲击波作用下水墙的运动过程 通过压力测试系统记录水墙后方 和 处的压力变化 研究表明:)在水墙近场位置冲击波作用下水墙具有初期运动阶段、加速运动阶段、稳定运动阶段和减速运动阶段水墙冲击作用大多发生在稳定运动阶段并且此阶段运动速度达到最大)水墙越薄水墙的变形和破碎效果越显著水墙的稳定运动速度越大)将压力时间曲线与纹影图相结合进行分析在水墙近场位置水墙后方的压力变化与冲击波的反射、透射以及绕射现象无关主要取决于水墙产生的冲击作用即动量提取为悬挂式矩形水墙的主要减爆机制)水墙越厚冲击波作用于水墙时产生的峰值压力和峰值冲量越大)矩形水墙对冲击波峰值压力具有明显的削减效果随着水墙厚度的减小对峰值压力的削减效果逐渐增加最大削减率为.但冲击波马赫数较小、水墙厚度较大时水墙对峰值压力反而有增强效果 水墙对峰值冲量的削减效果并不明显且受目标与水墙间距的影响参 考 文 献 宁建国 王成 马天宝.爆炸与冲击动力学.北京:国防工业出版社.:.爆 破 器 材 第 卷第 期 邵先锋 赵捍东 朱福林 等.爆炸冲击波作用于便携式防爆墙的绕射规律.爆破器材 ():.():.崔小杰 张孙嘉 张国伟.基于 的复合防护结构数值模拟.爆破器材 ():.():.():./:.:.叶经方 董刚 解立峰.管道内水雾对冲击波衰减作用的实验研究.爆破器材 ():.():.(/):.陈鹏宇 侯海量 刘贵兵 等.水雾对舱内装药爆炸载荷的耗散效能试验研究.兵工学报 ():.():.胡翔.细水雾对冲击波的削弱作用研究.武汉:武汉理工大学.:.张国栋 侯海量 刘贵兵 等.舰船舱室水雾抑爆技术研究进展.舰船科学技术 ():.():.李钰阳.通道内水幕帘减弱冲击波强度问题的数值研究.哈尔滨:哈尔滨工程大学.:.胡洋 李士军 李奇.水幕衰减爆炸冲击波数值研究.舰船科学技术 ():.():.():.:.:.:.:.():.徐启明.低马赫数激波与燃料相互作用实验研究.南京:南京理工大学.:.():.():.年 月 悬挂式矩形水墙对爆炸冲击波削减效果的实验研究 张波涛等