水下中空結(jié)構(gòu)物內(nèi)爆試驗方法研究

黃治新, 喻 敏, 杜志鵬, 李 營, 秦中華

(1. 武漢理工大學(xué) 交通學(xué)院，武漢 430063；2. 海軍裝備研究院，北京 102401 ；3.中國科學(xué)院高能物理研究所，北京 100049)

水下中空結(jié)構(gòu)物內(nèi)爆試驗方法研究

黃治新1,2, 喻 敏1, 杜志鵬2, 李 營1,2, 秦中華3

(1. 武漢理工大學(xué) 交通學(xué)院，武漢 430063；2. 海軍裝備研究院，北京 102401 ；3.中國科學(xué)院高能物理研究所，北京 100049)

通過對直徑3 m、長5 m的鋼制壓力罐內(nèi)水域上方空氣加壓，進行0.5 MPa水域環(huán)境下的光電倍增管內(nèi)爆試驗。在壓力罐內(nèi)壁粘貼聲阻抗較小的橡膠層，能有效減小鋼制壁面反射沖擊波對內(nèi)爆試驗結(jié)果的影響，通過壓力罐視窗提供的大功率燈光，為高速攝像機提供光源。在壓力罐中進行0.5 MPa水域環(huán)境下光電倍增管內(nèi)爆試驗得到了和理論研究一致的沖擊波壓力時域曲線，拍攝到清晰的光電倍增管內(nèi)爆過程，該研究內(nèi)容為水下中空結(jié)構(gòu)物內(nèi)爆提供了一種較好的試驗方法。

壓力罐;內(nèi)爆;試驗方法;沖擊波;高速攝影

在深水環(huán)境下工作的中空結(jié)構(gòu)物，外表面承受高靜水壓力載荷，當(dāng)結(jié)構(gòu)物殼體的應(yīng)力超過屈服強度、屈曲強度或抗拉強度時會發(fā)生內(nèi)爆[1]。內(nèi)爆過程持續(xù)時間在毫秒量級，結(jié)構(gòu)物殼體被壓潰塌陷，流場靜水壓力轉(zhuǎn)化為流體動能，水流壓縮結(jié)構(gòu)至最小限度時，會發(fā)生水錘型的沖擊，水流動能轉(zhuǎn)化為沖擊波壓力對周圍結(jié)構(gòu)造成破壞。

水下結(jié)構(gòu)物內(nèi)爆最典型事故是2001年日本“超級神岡”中微子實驗站約7 000個光點倍增管連鎖發(fā)生內(nèi)爆；2014年美國深?？蒲袧撏А澳崴埂碧栐趫?zhí)行深海10 000 m作業(yè)時發(fā)生內(nèi)爆。隨著基礎(chǔ)物理領(lǐng)域科研探索、海洋領(lǐng)域的深海開發(fā)和海軍裝備的研發(fā)，中空結(jié)構(gòu)物在深水環(huán)境下內(nèi)爆機理，已經(jīng)引起了國際廣泛關(guān)注。

研究水下中空結(jié)構(gòu)物內(nèi)爆機理最直接有效的方法是開展相關(guān)結(jié)構(gòu)物的內(nèi)爆試驗，用高速攝像機記錄內(nèi)爆過程的直觀圖像，壓力傳感器記錄內(nèi)爆沖擊波壓力時域特征，結(jié)合高速攝影和壓力時域數(shù)據(jù)分析內(nèi)爆機理。但是，開展水下結(jié)構(gòu)物內(nèi)爆試驗存在很多技術(shù)難點。水下結(jié)構(gòu)物的內(nèi)爆大多發(fā)生在深水環(huán)境中，水下結(jié)構(gòu)物和測量設(shè)備難以固定，深水環(huán)境缺少光線，高速攝像機無法拍攝到內(nèi)爆過程，內(nèi)爆產(chǎn)生的沖擊波對高速攝像機有很強的破壞作用。因此，水下結(jié)構(gòu)物的內(nèi)爆試驗研究是在有限水域中進行的。

DIWAN等[2]在0.69 MPa的靜水壓力罐中進行了兩次光電倍增管內(nèi)爆試驗，測量了內(nèi)爆過程中壓力數(shù)值，拍攝了內(nèi)爆過程高速攝像，但高速攝像清晰度不夠。GISH等[3]在壓力罐中進行了水下金屬圓柱殼的內(nèi)爆試驗，對比了圓柱殼長度、直徑和厚度對沖擊波的影響。TURNER[4]進行了一系列的薄壁鋁合金管的水下內(nèi)爆試驗，內(nèi)爆后鋁合金管呈現(xiàn)為平坦的雙瓣壓潰塌狀態(tài)。PINTO等[5]在壓力容器中進行了碳纖維增強環(huán)氧樹脂復(fù)合材料管的水下內(nèi)爆試驗，研究了不同結(jié)構(gòu)形式下的內(nèi)爆沖擊波壓力特征，評估其破壞潛力。2007年美國水面作戰(zhàn)中心[6](NSWC)提出未來潛艇外攜設(shè)備可能發(fā)生內(nèi)爆，產(chǎn)生沖擊波對潛艇殼體造成破壞，并資助了水下圓柱殼內(nèi)爆試驗研究。在水聲領(lǐng)域中為了方便、安全地獲得標(biāo)準(zhǔn)的水聲信號，近期研究采用玻璃容器內(nèi)爆代替水下爆炸的方法[7]。雖然國外進行了關(guān)于水下中空結(jié)構(gòu)物內(nèi)爆試驗，但對于水下結(jié)構(gòu)物內(nèi)爆的試驗裝置設(shè)計原理的相關(guān)研究卻比較少。

本文根據(jù)應(yīng)力波原理[8]，采用在大型鋼制壓力罐內(nèi)壁貼低聲阻抗橡膠層，減小反射沖擊波對試驗結(jié)果的影響；對壓力罐中水域上方預(yù)留空氣加壓，使水域維持較高靜壓力；在壓力罐壁開設(shè)有機玻璃視窗，從視窗口提供大功率燈光，為高速攝像機拍攝提供光線。用該試驗方法進行0.5 MPa水域環(huán)境的光電倍增管內(nèi)爆試驗，測量得到內(nèi)爆過程沖擊波壓力數(shù)據(jù)，拍攝內(nèi)爆過程高速攝像。

1 試驗

1.1 試驗裝置

水下結(jié)構(gòu)物內(nèi)爆試驗裝置是直徑為3 m，長度為5 m，壁厚0.03 m的圓柱形鋼制壓力罐，內(nèi)部設(shè)有工作平臺和壓力傳感器，如圖1所示。在壓力罐內(nèi)壁鋪設(shè)厚度為0.03 m的橡膠，在頂部和兩側(cè)面開設(shè)有機玻璃視窗，有機玻璃厚度為0.05 m，通過有機玻璃視窗，為試驗提供大功率光源，在側(cè)面中間斜向上視窗位置安放高速攝像機，在頂部設(shè)有加水和加壓閥，在封頭的一端設(shè)有密封門，密封門可以開啟，便于進入壓力罐安裝中空結(jié)構(gòu)物，試驗時保持密封。在進行內(nèi)爆試驗時，向壓力罐內(nèi)加水，保證試驗過程中水深完全覆蓋PCB壓力傳感器，并在水域上方預(yù)留一定體積的空氣，向壓力罐內(nèi)空氣加壓，使水域靜壓力增大到水下結(jié)構(gòu)物發(fā)生內(nèi)爆時的深水環(huán)境壓力。

圖1 試驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of thetest apparatus

1.2 試驗原理

根據(jù)應(yīng)力波理論，當(dāng)入射彈性波擾動Δσ1到達兩種聲阻抗不同的介質(zhì)接觸界面時，分別向兩種介質(zhì)中傳播反射擾動ΔσR和透射擾動ΔσT，如圖2所示。介質(zhì)的接觸界面上兩側(cè)經(jīng)反射、透射后質(zhì)點速度相等，應(yīng)力相等，入射擾動Δσ1、反射擾動ΔσR、透射擾動ΔσT之間的關(guān)系為：

(1)

Δσ1+ΔσR=ΔσT

(2)

式中:ρ0為介質(zhì)0密度;c0為介質(zhì)0中波速;ρ0c0為介質(zhì)0的波阻抗;ρ1為介質(zhì)1密度;c1為介質(zhì)1波速;ρ1c1為介質(zhì)1的波阻抗。

由式(1)、式(2)得：

ΔσT=TΔσ1，ΔσR=FΔσ1

(3)

T=2/(1+n)，F(xiàn)=(1-n)/(1+n)，

n=ρ0c0/ρ1c1

(4)

式中:T、F分別為透射因素和反射因素;n為波阻抗比。由式(3)和式(4)知，如果，n>1，則F<0，此時入射沖擊波會在界面上向介質(zhì)0反射稀疏波，并向介質(zhì)1傳入透射沖擊波。

圖2 彈性波在不同材料中的透射和反射Fig.2 Transmission and reflection of elastic waves in different materials

以上分析均是以彈性波為例，需要說明的是波在兩種介質(zhì)交界面上的透、反射的規(guī)律從定性的角度講對任何類型的波也都是成立的。

在壓力罐內(nèi)壁貼有3 cm厚度的橡膠層，橡膠密度ρ=930 kg/m3，沖擊波在橡膠中的傳播速度約為cr=0.046 km/s；水的密度ρ=1 000 kg/m3，沖擊波在水中傳播速度約為cw=1.48 km/s；鋼的密度ρs=7 850 kg/m3，沖擊波在鋼中傳播速度約為cs=5.19 km/s。在水和橡膠的交界面波阻抗比為：nw/r=35.6、nr/w=0.028 9；橡膠和鋼壁的交界面阻抗比為：nr/s=(ρrcr)/(ρscs)=0.001。

假設(shè)內(nèi)爆產(chǎn)生的沖擊波傳播方向和材料界面垂直，在水和橡膠界面會反射稀疏波，從水中透射進入橡膠中的沖擊波ΔσT=0.054 6Δσ1，在橡膠和鋼壁界面反射的沖擊波ΔσR=0.998ΔσT=0.054 49Δσ1，從橡膠中透射進入水中的沖擊波ΔσT0=0.106Δσ1。因此，添加橡膠層后，壓力罐內(nèi)壁橡膠層反射沖擊波ΔσT0僅為入射沖擊波ΔσT的0.106倍，反射沖擊波壓力值得到了大幅度降低。

水下中空結(jié)構(gòu)物被壓潰瞬間，會形成高速向壓縮方向運動的水流，導(dǎo)致水域局部壓力突然降低而形成空化現(xiàn)象。如果水域壓力降低過多，則在壓力罐中進行的水下結(jié)構(gòu)物的內(nèi)爆試驗與深水下結(jié)構(gòu)物的真實內(nèi)爆過程有很大差別，會呈現(xiàn)水流流速降低，沖擊波壓力降低等結(jié)果。在壓力罐中進行水下結(jié)構(gòu)物內(nèi)爆試驗時，壓力罐內(nèi)水域環(huán)境壓力應(yīng)維持恒定。水域環(huán)境的壓力是通過對壓力罐中水域上方空氣加壓來實現(xiàn)的，在內(nèi)爆水流壓縮殼體流動過程中，氣體體積會膨脹，當(dāng)氣體膨脹體積變化較小時，可以維持內(nèi)爆過程中水域壓力基本不變。

1.3 試驗設(shè)計

在壓力罐中開展光電倍增管內(nèi)爆試驗，驗證該試驗方法的可行性。試驗中光電倍增管由玻璃外殼及內(nèi)部電氣結(jié)構(gòu)組成。圖3為光電倍增管玻璃外殼實物示意圖，試驗中玻璃外殼頭部球體部分外徑為0.508 m，尾部直徑為0.1m，總高度約為0.7 m，厚度為0.004 m，玻璃殼內(nèi)部真空度1.0×10-4Pa以上。計算得到，光電倍增管體積約為0.272 m3，則壓力罐上方預(yù)留高壓氣體體積至少應(yīng)為5.03 m3。

圖3 光電倍增管玻璃外殼實物示意圖Fig.3 Shell of the photo multiplies tube

圖4 壓力罐長度方向的截面視圖Fig.4 Section view of the length direction of the pressure tank

圖4為壓力罐長度方向的截面視圖，截面呈圓形，半徑r=1.5 m，AB為壓力罐中水平面，AB以上部分為空氣?？諝馑济娣e為扇形OAB與三角形OAB面積差，設(shè)圓心角為θ，則(θr2/2-sinθr2/2)l=5.03，l為壓力罐長度。解得θ=1.854，rcos(θ/2)=0.9 m，則壓力罐中水位高度最高為2.4 m，壓力罐上方預(yù)留空氣的高度為0.6 m。

通過對壓力罐中預(yù)留的空氣加壓至0.5 MPa，來模擬光電倍增管在0.5 MPa水域環(huán)境下內(nèi)爆過程，在距離光電倍增管球形結(jié)構(gòu)中心上方0.41 m處，布設(shè)PCB壓力傳感器，測量內(nèi)爆過程的壓力時域值，在壓力罐頂部和側(cè)面視窗提供大功率燈光，在側(cè)面斜向上位置安放高速攝影，拍攝內(nèi)爆過程影像。大功率光源會使有機玻璃的溫度急劇升高，對有機玻璃力學(xué)性能產(chǎn)生影響，試驗過程中大功率光源持續(xù)時間不宜太長。試驗中通過液壓裝置瞬間擠壓光電倍增管表面，使光電倍增管表面出現(xiàn)裂紋，發(fā)生內(nèi)爆。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 試驗結(jié)果

試驗中高速攝像機拍攝得到光電倍增管內(nèi)爆過程如圖5所示。圖5中分別為液壓裝置瞬間擠壓光電倍增管后1 ms、6 ms、13 ms、15 ms的高速攝影影像。圖5(a)為光電倍增管受液壓裝置擠壓階段，受擠壓區(qū)域的玻璃出現(xiàn)陰影；圖5(b)為光電倍增管裂紋傳播階段，玻璃外殼產(chǎn)生裂紋，向內(nèi)凹陷；圖5(c)為光電倍增管整體壓潰形成沖擊波階段，破碎的玻璃加速向中心運動，水流撞擊產(chǎn)生沖擊波；圖5(d)為沖擊波傳播與碎片飛散階段，玻璃碎片從內(nèi)爆中心向外四散，視窗玻璃上產(chǎn)生黑色的斑點，黑色斑點是沖擊波到達橡膠層后反射稀疏波，在水中產(chǎn)生大量小氣泡組成的空化區(qū)域。

(a) t=1 ms (b) t=6 ms

(c) t=13 ms (d) t=14 ms圖5 光電倍增管內(nèi)爆過程高速攝像Fig.5 High-speed camera image of implosion process of photo multiplies tube

距離光電倍增管球體中心0.41 m處PCB壓力傳感，采用中間觸發(fā)方式采集數(shù)據(jù)，觸發(fā)閾值為2 MPa，觸

發(fā)前后各采集5 s。圖6為0.41 m處PCB壓力傳感器4.985～5.015 s的壓力時域數(shù)據(jù)。沖擊波壓力峰值為14.13 MPa，在峰值后壓力值呈現(xiàn)一定程度的震蕩衰減，這是內(nèi)爆沖擊波與壓力罐壁反射的沖擊波疊加形成的。內(nèi)爆沖擊波以球面波形式向周圍傳播，內(nèi)爆沖擊波傳播到0.41 m處壓力傳感器，再經(jīng)壓力罐壁面反射傳播到0.41 m處壓力傳感器，經(jīng)過的距離約為2.6 m，水中沖擊波傳播速度以1 500 m/s計算，則反射沖擊波應(yīng)約在1.7 ms后返回到壓力傳感器。在5.001 s以后，PCB傳感器壓力數(shù)值未達到1 MPa，可見橡膠層能夠有效衰減反射沖擊波，反射沖擊波對內(nèi)爆試驗中壓力值測量基本沒有影響。

2.2 結(jié)果分析

根據(jù)不可壓縮流體中球型容器內(nèi)爆理論模型，可以根據(jù)容器半徑R0、初始內(nèi)部氣體壓力Pw、外部靜水壓力P0計算容器破碎過程中的氣泡半徑R和距離球心r處的水中壓力p。

(5)

(6)

根據(jù)試驗初始條件，容器內(nèi)氣體初始壓力p0=0.001 Pa，靜水壓力pw=0.5 MPa，容器初始半徑R0=0.25 m，容器內(nèi)氣體的比熱比γ=1.33，水的密度ρ=1 000 kg/m3，水中聲速取值c=1 500 m/s。計算得到容器破碎過程中的壓力時域曲線、半徑時域曲線，與實測值進行對比，如圖7、圖8所示。

圖6 壓力時域曲線Fig．6Pressure?timehistorycurve圖7 壓力理論與實測值對比Fig．7Comparisonoftheoryandmeasuredpressurevalues圖8 球體半徑理論與實測值對比Fig．8Comparisonoftheoryandmeasuredsphereradius

通過對比可以看出，內(nèi)爆沖擊波壓力試驗測量值與理論預(yù)測值吻合較好，理論預(yù)測峰值12.7 MPa，比試驗實測原始壓力峰值14.13 MPa偏小10%；沖擊波脈寬試驗值與理論值接近。球形容器的半徑在與理論相差越來越大。這主要是因為試驗中的球體半徑是通過觀察高速攝像的球冠處玻璃碎片位置粗略測算出來的，且理論模型是假設(shè)容器外殼瞬間同時破碎，容器內(nèi)氣體是呈球形收縮的，而試驗情況是球體從擠壓工裝附近的赤道開始收縮，氣體形狀是蘑菇型的，如圖9所示。在試驗中隨著球體的壓潰，水會從裂縫中間進入球體內(nèi)部，因此，隨著時間的推移，容器內(nèi)氣體的半徑與破碎的容器半徑相比越來越小。

(a) (b)圖9 理論與試驗中球形容器破碎特性Fig.9 Theoretical and experimentalof spherical vessel breaking characteristics

3 結(jié) 論

通過對壓力罐水域上方一定體積的空氣加壓，能夠在壓力罐中進行高靜水壓力下水下中空結(jié)構(gòu)物的內(nèi)爆試驗研究；在大型壓力罐內(nèi)壁粘貼聲阻抗較小的橡膠層，能有效減小鋼制壁面反射沖擊波對內(nèi)爆試驗結(jié)果的影響。通過該試驗裝置進行0.5 MPa深水靜壓環(huán)境下的光電倍增管內(nèi)爆試驗， 得到了和理論研究一致

的沖擊波壓力時域曲線，拍攝到清晰的光電倍增管內(nèi)爆過程，為水下中空結(jié)構(gòu)物內(nèi)爆提供了一種可靠實用的試驗方法。

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Implosion test method for underwater hollow structures

HUANG Zhixin1,2, YU Min1, DU Zhipeng2, LI Ying1,2, QIN Zhonghua3

(1. School of Transportation Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China;2. Naval Academy of Armament, Beijing 102401, China;3. Institute of High Energy Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

By compressing air above water in a pressure tank, a photo multiplies tube underwater implosion test was conducted at 0.5 MPa hydrostatic pressure. The pressure tank was made of steel with its diameter of 3 m and its length of 5 m, and its inner wall was stuck with a layer of low acoustic impedance rubber material to reduce effectively the influences of the reflection shock wave at the inner wall surface on the implosion test results. By providing high-power lighting through the PMMA window of the pressure tank, a high-speed camera recorded the implosion test process clearly. It was shown that the pressure curve in time domain of shock wave in the underwater implosion test agrees well with that of theoretical study. The study results provided a good implosion test method for underwater hollow structures.

pressure tank; implosion; test method; shock wave; high-speed camera

國家自然科學(xué)基金(10672181)

2015-11-09 修改稿收到日期：2016-01-11

黃治新 男，碩士，1990年生

喻敏 女，博士，副教授，1977年生 E-mail:Dilysyuwy@163.com

TH212；TH213.3

A

10.13465/j.cnki.jvs.2017.03.005