利用气泡脉动周期估计水下爆炸当量和深度的方法研究

水下爆炸当量和深度估计是全面禁止核试验条约(CTBT)国际监测系统(IMS)水声监测的一项重要任务。为有效估计海域内爆炸事件的当量和深度,在使用气泡脉动周期半经验公式的基础上,综合利用水下爆炸气泡脉动第一次、第二次周期比值与气泡半径、深度的关系信息,估计了近、远场的水下爆炸当量和深度,对不同当量、爆炸深度的近场水下爆炸分析结果为:100 g TNT、7 m爆炸深度条件下,估计当量均值约118 g、估计深度均值约7.96 m;100 g TNT、25 m爆炸深度条件下,估计当量均值约76 g,估计深度均值约21.4 m;1 kg TNT、50 m爆炸深度条件下,估计当量均值约1.23 kg、估计深度均值约44 m。上述分析结果表明:采用的联合估计方法对深度的估计要比对当量的估计更为准确。进一步分析可知:对于50 m爆炸深度、100 g TNT小当量的爆炸信号来说,该方法未能给出估计结果,这表明该方法估计水下爆炸当量是在爆炸深度上受限的。最后对IMS水声台站记录的远场水下爆炸事件进行了分析,其当量、深度估计结果与参考文献一致,这说明该方法同样适应于对远场爆炸信号的估计。

刚性池壁和试验支架对水中爆炸气泡脉动周期的影响

分析了有限水域中气泡的运动状态与无限水域中的差异及刚性池壁对气泡脉动的影响。通过水中爆炸试验,测得了距刚性池壁不同距离处Pentolite的气泡脉动周期。在有试验支架和无试验支架两种条件下,测量了Pentolite和两种RDX基含铝炸药的气泡脉动周期。结果表明,随爆心距刚性池壁距离的减小,气泡周期逐渐变大;试验支架的影响也会使气泡周期变大。

一种预估无限水域爆炸气泡脉动周期方法

为真实评估水中爆炸气泡能、准确计算气泡脉动周期,根据水中爆炸已有研究成果和相似理论提出了水中爆炸气泡脉动周期的预估方法。通过3次TNT海中爆炸标定试验,得到TNT炸药气泡脉动周期预估公式,用该公式算得水中TNT爆炸的气泡脉动周期值与实测值的误差为小于1.34%;通过3次Al/RDX/TNT海中爆炸标定试验,得到Al/RDX/TNT炸药气泡脉动周期预估公式,用该公式算得水中Al/RDX/TNT炸药的气泡脉动周期值与实测值的误差为小于1.45%。气泡脉动周期与炸药当量1/3次方成正比,与大气压力折算深度及爆炸深度之和的5/6次方成反比;气泡脉动周期受炸药种类严重影响。炸药的化学特征与脉动周期计算公式具有强关联。采用海中标定的方法,能够精确预估水中爆炸气泡脉动周期,预估值与实测值的误差为小于2.54%,适用于炸药水中爆炸的气泡脉动周期估算。

炸药水下爆炸气泡脉动周期工程计算方法

在前人水下爆炸实验研究的基础上,引入柱形和球形装药的修正因子,建立了炸药水下爆炸气泡脉动周期的工程计算方法,揭示了炸药爆热与水下爆炸气泡脉动周期的关系,通过实验进行了验证,其计算误差小于5%,实现了不同炸药、不同装药结构水下爆炸气泡脉动周期准确的计算。该计算方法的建立为水下炸药配方设计、水中炸药性能评估提供重要的科学依据。

水下爆炸气泡脉动周期的简便计算方法

将爆轰产物状态方程与气泡运动方程相结合,提出了一种水下爆炸气泡脉动周期的数值计算方法,能够快速计算不同炸药水下爆炸的气泡脉动周期。结果表明:采用JWL状态方程与采用γ律状态方程的气泡周期计算方法相比,前者计算TNT炸药水下爆炸气泡脉动周期的误差更小,计算误差小于3%;通过对比RS211炸药水下爆炸实验结果,进一步验证了该数值计算方法对含铝炸药水下爆炸气泡脉动周期的计算同样具有良好的适用性。

深水压力下乳化炸药的气泡脉动周期

为了研究深水压力下乳化炸药的气泡脉动规律,通过可调节深水压力大小的水下爆炸测试系统,研究乳化炸药在3、5、7 g和0.0、0.1、0.3、05、0.7 MPa下的气泡脉动周期变化规律。首先利用测试系统开展8号雷管的气泡脉动规律研究,对比得出实验测量值与经典公式计算值的平均误差分别为3.5%和1.106%,证明了研制的系统可用于测试深水压力下雷管(炸药)脉动气泡周期。对比深水压力下乳化炸药气泡脉动周期实验测量值与理论值,得出误差方差最大为20.16,最小为11.276,表明经典理论公式并不适用于计算乳化炸药的气泡脉动周期。对乳化炸药在不同爆炸深度下的气泡脉动进行数据处理,得到了气泡脉动周期T和药量m与压力p之间的关系,并通过实验验证理论计算与实测值的误差,5 g与7 g药量下平均误差分别为0.71%和-0.51%。

周期性气泡群耦合导致的多极子共振研究

含气泡水中声传播是复杂介质中声传播的经典和热点问题,数值模拟和有限元仿真是研究这类问题的主要方法。文章利用COMSOL Multiphysics多物理场有限元仿真软件构建声波在含气泡水中的传播模型,讨论了不同半径单气泡、横向周期性气泡群、纵向周期性气泡群以及方阵型气泡群对平面声波传播的影响。研究表明:单气泡只能实现一阶单极子共振;横向周期性气泡群能实现高阶单极子、偶极子共振以及高阶非简并耦合全透射;纵向周期性气泡群能实现高阶单极子共振及高阶简并耦合全透射,不能实现偶极子共振;方阵气泡群能实现高阶单极子、偶极子共振以及高阶简并、高阶非简并耦合全透射。

含铝炸药深水爆炸冲击波和气泡脉动的数值模拟

为了研究CL-20基和HMX基及其含铝炸药深水爆炸过程,选取LX-14、LX-19、PAX-30和PAX-29 4种炸药,采用AUTODYN数值计算软件,计算其深水爆炸过程的各项参数。计算结果表明:CL-20基炸药水下爆炸性能优于HMX基炸药;铝粉的加入可以大幅度提高冲击波峰值压力、气泡脉动周期及气泡最大半径,而二次压力波峰值压力略有降低。计算TNT深水爆炸过程的参数,并与试验值相对比,误差小于5%,说明球对称一维方法可以很好地模拟炸药深水爆炸过程。最后,计算得到4种炸药的峰值压力均符合水下爆炸相似律,拟合得到4种炸药峰值压力相似常数。

加热表面材质对核态沸腾换热影响的流-热耦合数值研究

不同材质的加热表面因其热物性参数存在差异,在沸腾过程中会表现出不同的热响应特性,对气泡成核、生长脱离也有一定影响。为深入探究加热表面热物性对单气泡沸腾过程中加热表面热响应与气泡动力学行为之间相互作用的影响机理,基于开源软件OpenFOAM,通过对微液层内传热传质过程进行分析,建立了包含传热、相变和流动的流-热耦合模拟框架。首先对铜、铝和硅表面上不同尺寸的汽化核心进行了单气泡沸腾模拟,结果表明,随着导热性能的提升,加热表面过热度下降,气泡等待周期缩短,同时随着汽化核心尺寸的减小,加热表面热物性对气泡等待周期的影响逐渐减弱。另外,对于覆有石墨烯涂层的铜表面,石墨烯涂层的存在增强了沸腾表面热量的横向扩散,由于基底材料向上传递热量的速度慢,同时加热表面因液层蒸发带走热量多,导致汽化核心处过热度恢复较慢,出现了更低的表面过热度和更长的气泡等待周期。

小当量炸药深水爆炸气泡脉动模拟实验

为在实验室内开展深水爆炸气泡脉动规律研究,通过增加水面大气压强来模拟水中静水压的方法,建立可模拟深水环境的爆炸容器。开展不同模拟水深条件下的3种当量炸药的水下爆炸实验,得到了气泡脉动过程图像,验证小当量深水爆炸模拟实验与自由场实验的等效性,分析气泡脉动周期与最大半径同模拟水深的关系。实验结果表明:容器壁面反射效应对气泡脉动过程的影响可以忽略不计,模拟实验可等效为自由场实验;深水爆炸气泡脉动周期及最大半径随流体静力深度增加的衰减系数分别为-0.83和-0.364。

计及浮力影响的竖直刚性边界附近气泡溃灭动力学特性实验研究

气泡的运动形式往往受到边界条件的显著影响,近边界气泡在第一次溃灭后依然具有一定的能量,其运动射流仍可造成结构的损伤。因此,开展相关气泡实验可为近场水下爆炸射流方向的判定与气泡二次脉动带来的舰船毁伤提供参考。为揭示气泡与竖直壁面的相互作用规律,采用实验效果理想的电火花气泡发生装置在减压条件下生成气泡,并使用高速摄像机捕获气泡的膨胀,坍塌,回弹,再次坍塌和迁移过程,对气泡的第二次脉动进行了分析。实验结果显示气泡对两个参数敏感:初始气泡中心到竖直壁面的无量纲距离γw和表示浮力影响的无量纲参数δ。实验揭示了竖直壁面附近气泡的动力学特性,得到壁面效应、气泡的非对称性坍塌和气泡中心迁移随两个敏感参数的变化规律,为相关理论和数值研究提供支持;测量了不同情况下气泡坍塌的角度,发现了明显的变化趋势,利用射流角度的可控性,对清洁刚性表面引入了一种新的思路。

微孔曝气最优气泡群的确定方法

综合考虑气泡尺寸、气泡分布、气泡生命周期等对微孔曝气水体DO的影响效果,存在着使曝气效果达到最佳的最优气泡群。本研究提出了微孔曝气最优气泡群的确定方法,并采用最大气泡群常数终值来表征该气泡群。试验结果表明,采用最优气泡群与气泡群常数终值确定的最优曝气器及最优曝气量与清水曝气试验的结果相吻合,同时与采用传统曝气系统性能指标评价的结论也一致。

典型含铝炸药深水爆炸气泡脉动特性研究

炸药在水下爆炸的能量主要以冲击波和气泡能的形式释放,深水的高压环境会对水下爆炸气泡脉动载荷产生很大的影响。结合气泡运动方程与爆轰产物状态方程,对含铝炸药RS211深水爆炸气泡脉动参数进行计算,获得了水深100~2000 m的气泡脉动过程。分析结果表明:2种装药量的气泡脉动参数随水深的变化一致,气泡最大半径与脉动周期均随着炸药入水深度的增加而减小,且随着深度的增加,静水压力的影响越来越小;气泡脉动峰值压力与水深成线性关系;气泡能随着入水深度的增加逐渐减小,说明静水压力的变化会影响到炸药水下爆炸能量的输出特性。

水下爆炸载荷特性数值计算方法

为了更好地研究水下爆炸冲击载荷,通过数值模拟的方式模拟水下爆炸过程中产生的爆炸冲击波和气泡脉动2种原生载荷。运用有限元软件AUTODYN建立一维炸药-水域模型模拟炸药爆炸产生的爆炸载荷,通过对比经验公式对有限元模型可靠性进行验证,计算结果与经验公式误差不超过15%。同时研究了爆距、炸药当量和水深等变量对水下爆炸冲击波以及气泡脉动的影响。

水中爆炸的殉爆试验方法

为了研究弹药水中爆炸的安全性,依据水中爆炸的特点,建立了一种利用冲击波峰值压力和气泡周期判断水中殉爆的试验方法,可以确定炸药的殉爆距离、殉爆安全距离以及被发装药的殉爆反应程度,通过水中爆炸试验进行了验证。结果表明:主发装药为带壳1.5 mm铝壳的GUHL-1装药、被发装药为带壳1.0 mm铝壳的RS211装药时,殉爆距离L100约为60 mm,殉爆安全距离L0约为120 mm。根据水中爆炸的冲击波压力和气泡周期可以可靠地判断被发装药是否发生殉爆,并可以定量估算被发装药的反应程度。

南海北部海域油气资源调查技术及其应用研究——震源子波检测及模拟分析

在野外采集中考察气枪的稳定性以及室内进行确定性子波反褶积处理,都要求能够获得气枪阵列的实时远场子波。从震源子波检测方法出发,阐述了近场子波采集、幅值转换及记录流程,并列举出实测近场子波时需要考虑解决的问题;接着介绍了震源远场子波的获取方法和主要途径;震源近场子波及远场子波的实测方案,检测震源子波所需的仪器设备和采集技术方法。文中分析了气枪子波的气泡干扰问题,虚反射与后续气泡震荡间的关系以及吸收衰减对子波的影响,并根据实测远场子波,对齐氏和范氏两种气体模型进行了模拟效果对比,结果表明:采用范氏气体模型所模拟的子波与实际子波更为吻合,模拟出的气枪的子波波形、振幅大小、气泡周期上,与业界通用的Nucleus软件的模拟结果吻合较好,在后续的使用中将继续优化。

水下爆炸能量测试中炸药入水深度的确定

研究了炸药试样入水深度和气泡脉动周期的关系 ,并对测定的气泡脉动周期与计算值进行了比较 。

有限水域中煤矿工业炸药爆炸能量的测试研究

经过大量试验 ,研究了有限水域中 10 g煤矿工业炸药爆炸能量的测试方法 ,文中修正系数消除了固有边界效应对气泡能的影响 ,并解决了装药完全爆轰和约束壳体能耗修正问题 .测试结果与大水池 1kg炸药的爆炸能量具有可比性 ,5种炸药的比冲击波能、比气泡能和总能量与Trautz铅 扩孔实测值有内在联系 ,线性相关系数分别达到 0 993,0 92 5和 0 975。

基于LB方法的管内流动沸腾传热模拟

为研究竖直管内流动沸腾的传热情况及气泡行为学,采用格子玻尔兹曼(LB)方法,利用改进后的伪势模型和热模型分别模拟流动和传热过程。为验证模型的合理性,对模拟结果与经验关系式进行了定量对比。之后对气泡行为对沸腾传热系数的影响进行了研究,结果表明,随着气泡的核化、生长、滑移和脱离,传热系数呈现周期性波动。最后考察了重力加速度对气泡行为和沸腾传热的影响,重力越大,气泡生长周期越短,沸腾传热系数越大。

高铝含量铝箔膜炸药与铝粉炸药水下爆炸性能的对比分析

为研究铝箔膜炸药的爆炸性能,将铝箔膜与RDX炸药均匀混合并压制成型,得到高铝含量的铝箔膜炸药,与铝粉炸药形成对比,进行水下爆炸实验。通过实验测得两种炸药在不同距离处的冲击波压力时程,分析冲击波压力峰值、冲量、比冲击波能、气泡脉动周期、比气泡能和总能量等主要参数的差异。研究表明:铝箔膜炸药压力峰值的衰减速率低于铝粉炸药,冲量和比冲击波能与铝粉炸药相当;由于铝箔膜的比表面积比铝粉小,纯度相对较高,气泡脉动周期相对较长,因此铝箔膜炸药的比气泡能乃至总能量均略高于铝粉炸药。