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水下爆炸气泡的基本现象及规律 精选

已有 9062 次阅读 2011-5-23 20:37 |个人分类:学习心得|系统分类:科研笔记|关键词:水下爆炸,气泡| 气泡, 水下爆炸

炸药在水下爆炸时,爆轰波和产物膨胀引起冲击波在水介质中传播,称之为爆炸冲击波。而爆炸近区产物占据区域的周期性膨胀和收缩的衰减性振荡,称为气泡脉动。这些都是水下爆炸研究的重要方面,这里主要探讨水下爆炸气泡的运动过程及其中的重要现象。

1.气泡的运动

炸药在水下爆炸产生的气泡将展现出复杂的动态行为。爆轰结束时,气泡包含压力极高的气体,并开始迅速膨胀。这个膨胀持续进行直到气泡内压力远低于环境压力,这时气泡的体积比药包体积大很多倍,随后气泡开始收缩。随着气泡收缩,其内部压力再一次变大,直到气泡剧烈的回弹。这个膨胀-收缩-坍塌-回弹的过程将重复多次,如图1示。

1 典型的水下爆炸历程

Fig.1 Typical underwater explosion event

在离爆炸较远的地方,水中压力的变化也有一个类似的过程。炸药爆轰结束时,初始药包变为高压状态下的高温气团,并对周围的水产生力的作用。水的可压缩性使得作用在其上的压力以冲击波的形式向外传递,冲击波的传播引起水的局部运动以及压力的变化。随后冲击波随时间近似按指数规律衰减,压力曲线上出现一个较长的负压区,并持续到第一个气泡周期的末尾。然后,气泡壁的迅速坍塌和回弹产生一个较大的压力波,持续时间比冲击波长,但幅值较冲击波小。这个二次压力波就是我们熟知的第一次气泡脉冲,且含有几乎与冲击波相同的冲量[Cole 1948]。在这次脉冲过后,负压区再次出现,直到再次坍塌,这时将形成另一次气泡脉冲。这个过程可能持续多次,但由于气泡在每次最小时都存在由几种不同机制引起的能量损失,压力波的幅值和气泡周期是逐渐减小的。

1中还给出了气泡的迁移和变形运动。当气泡膨胀时,它受到与排开水重量成比例的浮力作用。这将导致膨胀中的气泡开始向上迁移,并获得一个线动量,由于浮力与附加质量以相同的速率增加,此时的迁移运动是缓慢的。然而,随着气泡开始收缩,附加质量随之减小,为了保持动量守恒,迁移速度必须增大来补偿动量的变化,而且速度增加的速率与附加质量减小的速率相关,从而气泡在每次坍塌时都出现一个向上跳跃的现象。另外,在每次坍塌过程中,气泡的形状将发生改变,气泡变形的具体性质与迁移运动引起的压力变化有关。

2.射流现象

气泡或孔洞在“流体”中的非球形坍塌将产生高速射流,参见Benjamin & Ellis (1966)Lauterborn & Bolle (1975)Plesset & Prosperetti (1977)Blake (1987)Best (1992)等人的研究。这种现象很普遍,比如气泡在固壁或自由面附近作轴对称坍塌、气泡在冲击波作用下的坍塌以及在紊流空泡流中都会产生射流现象。

 

 

 

2 振动边界附近气泡坍塌形成的射流[Blake 1999]

3 固壁附近气泡的坍塌[Plesset & Prosperetti 1977]

Fig.2 Jet penetrating bubble in the direction of an oscillating boundary

Fig.3 The collapse of a bubble near a solid wall

为便于简化,人们通常把射流分为两类来研究:一类是不考虑浮力的影响,气泡运动受到附近边界(自由面、刚性边界或弹性边界)的影响,导致非对称坍塌形成的射流,且射流的性质与边界性质、距离等因素有关,如图23所示;另一类是距边界较远,边界的影响可以忽略不计时,重力场中气泡上下表面压差不一致导致坍塌产生的向上喷射的射流,如图4所示。而在实际情况中,对于水下爆炸气泡来说,在大部分时间内气泡的体积都很大,因此,重力场和边界往往同时对气泡的运动产生重要影响,如图5所示的倾斜射流,这就使得射流的性质更为复杂。

4 重力场中远离边界处气泡的坍塌、射流和回弹过程[Benjamin & Ellis 1966]

Fig.4 Collapse, jet and rebound of bubble far from boundary under gravity field condition

射流的形成与气泡的非球形坍塌有着密切的联系。对于一个具有球形或类球形对称性的气泡,若不考虑静水压或周围压力梯度的影响,其形状在坍塌过程中是保持不变的,由于任意位置的坍塌都会阻止其对称部位的收缩,这种坍塌将不会产生射流。然而,实际情况中气泡的对称性完全可能由于周围边界产生的外力或小扰动的增长而破坏。如果一个坍塌的气泡具有非对称结构或在其表面上存在凹陷、凸起,从而不再保持对称结构,非对称性要么减弱要么增强,直到流场中产生奇异,形成尖点。由于这个原因,一个发展中的非对称性通常会导致气泡的某个部位产生满足奇异条件的射流。

5 重力场中边界附近水下爆炸气泡形成射流的过程[Wang & Khoo 2004]

Fig.5 Jet generated by an explosion bubble near a vertical wall under gravity field condition

3.总结
    根据基本现象及规律的叙述,水下爆炸可以用不同的时间尺度来区分,其中各个剧烈过程(冲击波的产生、气泡的膨胀和坍塌、迁移、射流)之间的时间间隔比这些过程的持续时间大1~2个量级。这些剧烈的过程中伴随着许多可能的能量转换机制(流体的动能和势能、气体的动能和势能、浮力产生的重力势能、表面张力产生的势能)和能量损失机制(流体中的声辐射、气体中的化学反应和分子弛豫、气泡表面上的热和质量输运)。其中冲击波过程以前一直是水下爆炸研究的主要对象,现在有大量的文献和研究成果,也有较成熟的算法,从冲击波的传播到与结构的相互作用,都有相应的数值模拟方法,也有大量的实验数据支持,而对于水下爆炸气泡的研究则仍处于不断发展之中。
 

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