水下中空结构物内爆试验方法研究

黄治新, 喻 敏, 杜志鹏, 李 营, 秦中华

(1. 武汉理工大学 交通学院，武汉 430063；2. 海军装备研究院，北京 102401 ；3.中国科学院高能物理研究所，北京 100049)

水下中空结构物内爆试验方法研究

黄治新1,2, 喻 敏1, 杜志鹏2, 李 营1,2, 秦中华3

(1. 武汉理工大学 交通学院，武汉 430063；2. 海军装备研究院，北京 102401 ；3.中国科学院高能物理研究所，北京 100049)

通过对直径3 m、长5 m的钢制压力罐内水域上方空气加压，进行0.5 MPa水域环境下的光电倍增管内爆试验。在压力罐内壁粘贴声阻抗较小的橡胶层，能有效减小钢制壁面反射冲击波对内爆试验结果的影响，通过压力罐视窗提供的大功率灯光，为高速摄像机提供光源。在压力罐中进行0.5 MPa水域环境下光电倍增管内爆试验得到了和理论研究一致的冲击波压力时域曲线，拍摄到清晰的光电倍增管内爆过程，该研究内容为水下中空结构物内爆提供了一种较好的试验方法。

压力罐;内爆;试验方法;冲击波;高速摄影

在深水环境下工作的中空结构物，外表面承受高静水压力载荷，当结构物壳体的应力超过屈服强度、屈曲强度或抗拉强度时会发生内爆[1]。内爆过程持续时间在毫秒量级，结构物壳体被压溃塌陷，流场静水压力转化为流体动能，水流压缩结构至最小限度时，会发生水锤型的冲击，水流动能转化为冲击波压力对周围结构造成破坏。

水下结构物内爆最典型事故是2001年日本“超级神冈”中微子实验站约7 000个光点倍增管连锁发生内爆；2014年美国深海科研潜艇“涅柔斯”号在执行深海10 000 m作业时发生内爆。随着基础物理领域科研探索、海洋领域的深海开发和海军装备的研发，中空结构物在深水环境下内爆机理，已经引起了国际广泛关注。

研究水下中空结构物内爆机理最直接有效的方法是开展相关结构物的内爆试验，用高速摄像机记录内爆过程的直观图像，压力传感器记录内爆冲击波压力时域特征，结合高速摄影和压力时域数据分析内爆机理。但是，开展水下结构物内爆试验存在很多技术难点。水下结构物的内爆大多发生在深水环境中，水下结构物和测量设备难以固定，深水环境缺少光线，高速摄像机无法拍摄到内爆过程，内爆产生的冲击波对高速摄像机有很强的破坏作用。因此，水下结构物的内爆试验研究是在有限水域中进行的。

DIWAN等[2]在0.69 MPa的静水压力罐中进行了两次光电倍增管内爆试验，测量了内爆过程中压力数值，拍摄了内爆过程高速摄像，但高速摄像清晰度不够。GISH等[3]在压力罐中进行了水下金属圆柱壳的内爆试验，对比了圆柱壳长度、直径和厚度对冲击波的影响。TURNER[4]进行了一系列的薄壁铝合金管的水下内爆试验，内爆后铝合金管呈现为平坦的双瓣压溃塌状态。PINTO等[5]在压力容器中进行了碳纤维增强环氧树脂复合材料管的水下内爆试验，研究了不同结构形式下的内爆冲击波压力特征，评估其破坏潜力。2007年美国水面作战中心[6](NSWC)提出未来潜艇外携设备可能发生内爆，产生冲击波对潜艇壳体造成破坏，并资助了水下圆柱壳内爆试验研究。在水声领域中为了方便、安全地获得标准的水声信号，近期研究采用玻璃容器内爆代替水下爆炸的方法[7]。虽然国外进行了关于水下中空结构物内爆试验，但对于水下结构物内爆的试验装置设计原理的相关研究却比较少。

本文根据应力波原理[8]，采用在大型钢制压力罐内壁贴低声阻抗橡胶层，减小反射冲击波对试验结果的影响；对压力罐中水域上方预留空气加压，使水域维持较高静压力；在压力罐壁开设有机玻璃视窗，从视窗口提供大功率灯光，为高速摄像机拍摄提供光线。用该试验方法进行0.5 MPa水域环境的光电倍增管内爆试验，测量得到内爆过程冲击波压力数据，拍摄内爆过程高速摄像。

1 试验

1.1 试验装置

水下结构物内爆试验装置是直径为3 m，长度为5 m，壁厚0.03 m的圆柱形钢制压力罐，内部设有工作平台和压力传感器，如图1所示。在压力罐内壁铺设厚度为0.03 m的橡胶，在顶部和两侧面开设有机玻璃视窗，有机玻璃厚度为0.05 m，通过有机玻璃视窗，为试验提供大功率光源，在侧面中间斜向上视窗位置安放高速摄像机，在顶部设有加水和加压阀，在封头的一端设有密封门，密封门可以开启，便于进入压力罐安装中空结构物，试验时保持密封。在进行内爆试验时，向压力罐内加水，保证试验过程中水深完全覆盖PCB压力传感器，并在水域上方预留一定体积的空气，向压力罐内空气加压，使水域静压力增大到水下结构物发生内爆时的深水环境压力。

图1 试验装置示意图Fig.1 Schematic diagram of thetest apparatus

1.2 试验原理

根据应力波理论，当入射弹性波扰动Δσ1到达两种声阻抗不同的介质接触界面时，分别向两种介质中传播反射扰动ΔσR和透射扰动ΔσT，如图2所示。介质的接触界面上两侧经反射、透射后质点速度相等，应力相等，入射扰动Δσ1、反射扰动ΔσR、透射扰动ΔσT之间的关系为：

(1)

Δσ1+ΔσR=ΔσT

(2)

式中:ρ0为介质0密度;c0为介质0中波速;ρ0c0为介质0的波阻抗;ρ1为介质1密度;c1为介质1波速;ρ1c1为介质1的波阻抗。

由式(1)、式(2)得：

ΔσT=TΔσ1，ΔσR=FΔσ1

(3)

T=2/(1+n)，F=(1-n)/(1+n)，

n=ρ0c0/ρ1c1

(4)

式中:T、F分别为透射因素和反射因素;n为波阻抗比。由式(3)和式(4)知，如果，n>1，则F<0，此时入射冲击波会在界面上向介质0反射稀疏波，并向介质1传入透射冲击波。

图2 弹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

以上分析均是以弹性波为例，需要说明的是波在两种介质交界面上的透、反射的规律从定性的角度讲对任何类型的波也都是成立的。

在压力罐内壁贴有3 cm厚度的橡胶层，橡胶密度ρ=930 kg/m3，冲击波在橡胶中的传播速度约为cr=0.046 km/s；水的密度ρ=1 000 kg/m3，冲击波在水中传播速度约为cw=1.48 km/s；钢的密度ρs=7 850 kg/m3，冲击波在钢中传播速度约为cs=5.19 km/s。在水和橡胶的交界面波阻抗比为：nw/r=35.6、nr/w=0.028 9；橡胶和钢壁的交界面阻抗比为：nr/s=(ρrcr)/(ρscs)=0.001。

假设内爆产生的冲击波传播方向和材料界面垂直，在水和橡胶界面会反射稀疏波，从水中透射进入橡胶中的冲击波ΔσT=0.054 6Δσ1，在橡胶和钢壁界面反射的冲击波ΔσR=0.998ΔσT=0.054 49Δσ1，从橡胶中透射进入水中的冲击波ΔσT0=0.106Δσ1。因此，添加橡胶层后，压力罐内壁橡胶层反射冲击波ΔσT0仅为入射冲击波ΔσT的0.106倍，反射冲击波压力值得到了大幅度降低。

水下中空结构物被压溃瞬间，会形成高速向压缩方向运动的水流，导致水域局部压力突然降低而形成空化现象。如果水域压力降低过多，则在压力罐中进行的水下结构物的内爆试验与深水下结构物的真实内爆过程有很大差别，会呈现水流流速降低，冲击波压力降低等结果。在压力罐中进行水下结构物内爆试验时，压力罐内水域环境压力应维持恒定。水域环境的压力是通过对压力罐中水域上方空气加压来实现的，在内爆水流压缩壳体流动过程中，气体体积会膨胀，当气体膨胀体积变化较小时，可以维持内爆过程中水域压力基本不变。

1.3 试验设计

在压力罐中开展光电倍增管内爆试验，验证该试验方法的可行性。试验中光电倍增管由玻璃外壳及内部电气结构组成。图3为光电倍增管玻璃外壳实物示意图，试验中玻璃外壳头部球体部分外径为0.508 m，尾部直径为0.1m，总高度约为0.7 m，厚度为0.004 m，玻璃壳内部真空度1.0×10-4Pa以上。计算得到，光电倍增管体积约为0.272 m3，则压力罐上方预留高压气体体积至少应为5.03 m3。

图3 光电倍增管玻璃外壳实物示意图Fig.3 Shell of the photo multiplies tube

图4 压力罐长度方向的截面视图Fig.4 Section view of the length direction of the pressure tank

图4为压力罐长度方向的截面视图，截面呈圆形，半径r=1.5 m，AB为压力罐中水平面，AB以上部分为空气。空气所占面积为扇形OAB与三角形OAB面积差，设圆心角为θ，则(θr2/2-sinθr2/2)l=5.03，l为压力罐长度。解得θ=1.854，rcos(θ/2)=0.9 m，则压力罐中水位高度最高为2.4 m，压力罐上方预留空气的高度为0.6 m。

通过对压力罐中预留的空气加压至0.5 MPa，来模拟光电倍增管在0.5 MPa水域环境下内爆过程，在距离光电倍增管球形结构中心上方0.41 m处，布设PCB压力传感器，测量内爆过程的压力时域值，在压力罐顶部和侧面视窗提供大功率灯光，在侧面斜向上位置安放高速摄影，拍摄内爆过程影像。大功率光源会使有机玻璃的温度急剧升高，对有机玻璃力学性能产生影响，试验过程中大功率光源持续时间不宜太长。试验中通过液压装置瞬间挤压光电倍增管表面，使光电倍增管表面出现裂纹，发生内爆。

2 试验结果及分析

2.1 试验结果

试验中高速摄像机拍摄得到光电倍增管内爆过程如图5所示。图5中分别为液压装置瞬间挤压光电倍增管后1 ms、6 ms、13 ms、15 ms的高速摄影影像。图5(a)为光电倍增管受液压装置挤压阶段，受挤压区域的玻璃出现阴影；图5(b)为光电倍增管裂纹传播阶段，玻璃外壳产生裂纹，向内凹陷；图5(c)为光电倍增管整体压溃形成冲击波阶段，破碎的玻璃加速向中心运动，水流撞击产生冲击波；图5(d)为冲击波传播与碎片飞散阶段，玻璃碎片从内爆中心向外四散，视窗玻璃上产生黑色的斑点，黑色斑点是冲击波到达橡胶层后反射稀疏波，在水中产生大量小气泡组成的空化区域。

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

(c) t=13 ms (d) t=14 ms图5 光电倍增管内爆过程高速摄像Fig.5 High-speed camera image of implosion process of photo multiplies tube

距离光电倍增管球体中心0.41 m处PCB压力传感，采用中间触发方式采集数据，触发阈值为2 MPa，触

发前后各采集5 s。图6为0.41 m处PCB压力传感器4.985～5.015 s的压力时域数据。冲击波压力峰值为14.13 MPa，在峰值后压力值呈现一定程度的震荡衰减，这是内爆冲击波与压力罐壁反射的冲击波叠加形成的。内爆冲击波以球面波形式向周围传播，内爆冲击波传播到0.41 m处压力传感器，再经压力罐壁面反射传播到0.41 m处压力传感器，经过的距离约为2.6 m，水中冲击波传播速度以1 500 m/s计算，则反射冲击波应约在1.7 ms后返回到压力传感器。在5.001 s以后，PCB传感器压力数值未达到1 MPa，可见橡胶层能够有效衰减反射冲击波，反射冲击波对内爆试验中压力值测量基本没有影响。

2.2 结果分析

根据不可压缩流体中球型容器内爆理论模型，可以根据容器半径R0、初始内部气体压力Pw、外部静水压力P0计算容器破碎过程中的气泡半径R和距离球心r处的水中压力p。

(5)

(6)

根据试验初始条件，容器内气体初始压力p0=0.001 Pa，静水压力pw=0.5 MPa，容器初始半径R0=0.25 m，容器内气体的比热比γ=1.33，水的密度ρ=1 000 kg/m3，水中声速取值c=1 500 m/s。计算得到容器破碎过程中的压力时域曲线、半径时域曲线，与实测值进行对比，如图7、图8所示。

图6 压力时域曲线Fig．6Pressure⁃timehistorycurve图7 压力理论与实测值对比Fig．7Comparisonoftheoryandmeasuredpressurevalues图8 球体半径理论与实测值对比Fig．8Comparisonoftheoryandmeasuredsphereradius

通过对比可以看出，内爆冲击波压力试验测量值与理论预测值吻合较好，理论预测峰值12.7 MPa，比试验实测原始压力峰值14.13 MPa偏小10%；冲击波脉宽试验值与理论值接近。球形容器的半径在与理论相差越来越大。这主要是因为试验中的球体半径是通过观察高速摄像的球冠处玻璃碎片位置粗略测算出来的，且理论模型是假设容器外壳瞬间同时破碎，容器内气体是呈球形收缩的，而试验情况是球体从挤压工装附近的赤道开始收缩，气体形状是蘑菇型的，如图9所示。在试验中随着球体的压溃，水会从裂缝中间进入球体内部，因此，随着时间的推移，容器内气体的半径与破碎的容器半径相比越来越小。

(a) (b)图9 理论与试验中球形容器破碎特性Fig.9 Theoretical and experimentalof spherical vessel breaking characteristics

3 结 论

通过对压力罐水域上方一定体积的空气加压，能够在压力罐中进行高静水压力下水下中空结构物的内爆试验研究；在大型压力罐内壁粘贴声阻抗较小的橡胶层，能有效减小钢制壁面反射冲击波对内爆试验结果的影响。通过该试验装置进行0.5 MPa深水静压环境下的光电倍增管内爆试验， 得到了和理论研究一致

的冲击波压力时域曲线，拍摄到清晰的光电倍增管内爆过程，为水下中空结构物内爆提供了一种可靠实用的试验方法。

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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

国家自然科学基金(10672181)

2015-11-09 修改稿收到日期：2016-01-11

黄治新 男，硕士，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