一种水下爆炸冲击波计算评估方法

技术领域

本发明涉及新能源勘探开采技术，具体涉及一种水下爆炸冲击波计算评估方法。

背景技术

炸药在水下接触爆炸中声源功率大、作功能力强，因此其被广泛地运用于水下可燃冰、页岩气等新能源的勘探开采。此外水下接触爆炸对舰船、潜艇的破坏程度较高，因此炸药在海战中也扮演着重要的角色，但是在水下接触爆炸中冲击波的近场压力峰值、冲量以及比冲击波能较高，因此难以通过有效的测量及计算评估方法对水下爆炸冲击波开展研究。

目前对于接触爆炸的载荷研究集中于空爆工况中，通常开展铅柱压缩或弹道摆试验以对炸药猛度进行评估，目前已取得许多成果，然而由于载荷加载介质不同，炸药在水中的载荷输出与传播机理存在着明显的不同。

张显丕在《装药水下接触爆炸驱动能力测量技术研究》一文中基于空爆的测试原理建立了装药水下接触爆炸驱动能力的测量系统，通过对炸药水中接触爆炸中、近场作功能力开展了试验研究，获得了炸药的冲量输出特性；秦健在《几种炸药水下爆炸能量损失特性分析研究》一文中通过水下冲击波压力传感器对远场爆炸冲击波能开展研究，并通过沿程损失经验系数计算初始冲击波能，但以上两篇文献均属于唯象研究。对于炸药水下接触爆炸，是通过近场的冲击波作用于周围介质或结构，然而针对水下近场冲击波的载荷特性理论研究、评估计算方法还未见诸报道，难以明晰水下接触爆炸载荷演变与输出特性。

发明内容

本发明提出了一种水下爆炸冲击波计算评估方法，通过水下爆炸气泡运动与冲击波的关联机制将临界状态和水下爆炸冲击波相联系，以计算和评估水下爆炸冲击波的能量、计算水下爆炸冲击波压力峰值和冲量，为水下接触爆炸载荷演变与输出特性研究提供理论依据。

实现本发明的技术解决方案为：一种水下爆炸冲击波计算评估方法，步骤如下：

步骤1、水下炸药爆炸产生水下爆炸气泡和冲击波，利用空气动力学理论和特征线方法建立水下爆炸气泡膨胀运动与冲击波之间的关联机制，即水下爆炸气泡在加速膨胀截止时刻t

水下爆炸气泡在加速膨胀截止时刻t

转入步骤2。

步骤2、假设临界膨胀加速度a

步骤3、基于特征线理论并根据得到的水下爆炸气泡的临界状态参数，对冲击波的初始位置，即形成与建立位置R

步骤4、基于热力学第一定律提出了水下爆炸气泡膨胀功W(V)与水下爆炸气泡压力p

式中ρ

转入步骤5。

步骤5、根据功能原理得出水下爆炸气泡在加速膨胀阶段所做的加速膨胀功W(V

步骤6、根据初始冲击波能量e

步骤7、根据初始冲击波能量e

步骤8、在获得初始冲击波能量e

步骤9、将临界状态与黎曼变量相结合，并根据得到的冲击波的初始压力峰值p

步骤10、在建立了冲击波传播过程的压力峰值p

步骤11、在获得了冲击波传播过程的峰值压力p

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：

(1)本发明基于空气动力学理论和特征线方法建立水下爆炸气泡和冲击波的关联机制，认为水下爆炸气泡在加速膨胀截止时刻处于临界状态。不同于有限元、有限差分法等数值仿真方法通过求解双曲线方程计算求解冲击波能量，本发明首次通过Rayleigh-Plesset气泡动力学方程对临界状态进行求解而后通过临界状态对冲击波能量进行计算和评估，相同工况下可缩减时间近百倍，无需数值仿真建模过程，具有便捷高效的特点。

(2)本发明根据功能原理首次提出了考虑爆轰产物动能和水介质动能的初始冲击波能的计算方法；首次将临界状态与黎曼变量相结合，根据热力学第二定律首次提出了考虑了冲击波2传播过程能量损失的冲击波传播过程能量、冲击波压力峰值和冲量的计算方法。对比实验结果，通过该方法获得的冲击波能量、压力峰值和冲量与试验误差不超过15％，因此与现有技术相比本发明具有计算准确的特点。

附图说明

图1为本发明的流程图。

图2为本发明的水下爆炸气泡膨胀运动与冲击波之间的关联机制的示意图。

图3为本发明的水下爆炸气泡膨胀运动特性的示意图。

图4为本发明的临界状态能量分配的示意图。

图5为本发明的水下爆炸冲击波时空分布的示意图。

图6为本发明的水下爆炸冲击波计算评估方法仿真效果图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围指内。

下面将结合本设计实例对具体实施方式、以及本次发明的技术难点、发明点进行进一步介绍。

本发明所述的一种水下爆炸冲击波计算评估方法，通过水下爆炸气泡膨胀运动与冲击波之间关联机制将临界状态和冲击波相联系，相比于目前的数值仿真软件，相同工况下该求解过程时间可缩减近百倍，无需数值仿真建模过程，求解方法便捷、高效、准确，通过该方法获得的冲击波能量、压力峰值和冲量与试验误差不超过15％。

结合图1～图4，本发明所述的一种水下爆炸冲击波计算评估方法，步骤如下：

步骤1、水下炸药爆炸产生水下爆炸气泡1和冲击波2，利用空气动力学理论和特征线方法建立水下爆炸气泡1膨胀运动与冲击波2之间的关联机制，即水下爆炸气泡1在加速膨胀截止时刻t

水下炸药完成爆轰后，爆轰产物处于高温、高压状态，驱动水介质向外膨胀运动，气泡壁3先加速后减速，在加速膨胀阶段，形成了一簇压缩波，压缩波沿径向传播并向前汇聚，最前沿的扰动波由弱扰动波演变为有限振幅波而后再到近似间断的冲击波2，水下爆炸气泡1对冲击波2的支持作用在加速膨胀截止时刻t

结合图2～3，本发明首次提出水下爆炸气泡1在加速膨胀截止时刻t

转入步骤2。

步骤2、假设临界膨胀加速度a

式中a

水下爆炸气泡1压力p

式中A、B

根据JWL状态方程，临界比容比V

转入步骤3。

步骤3、结合图2，本发明首次提出基于特征线理论并根据得到的水下爆炸气泡1的临界状态参数，对冲击波2的初始位置(即形成与建立位置)R

S3-1、根据水介质Tait状态方程计算得到水下爆炸气泡1的临界压力p

式中n为Tait水介质状态方程指数，B为Tait水介质状态方程常数，ρ

S3-2、结合c

D

临界扰动波波速D

S3-3、根据初始扰动波波速D

D

式中c

S3-4、获得冲击波2的初始位置R

求解得到的冲击波2的初始位置R

转入步骤4。

步骤4、为了计算与评估冲击波能量，本发明基于热力学第一定律提出了水下爆炸气泡1膨胀功W(V)与水下爆炸气泡1压力p

式中ρ

转入步骤4。

步骤5、结合图4，本发明根据功能原理创造性地认为水下爆炸气泡1在加速膨胀阶段所做的加速膨胀功W(V

根据爆轰产物速度分布的Gurney模型和水介质不可压缩的近似假设，并根据本发明提出的冲击波2的初始位置R

式中ρ

最终计算初始冲击波能量e

转入步骤5。

步骤6、根据初始冲击波能量e

e

式中α、β为常数项，该评估方法体现了临界比容比V

转入步骤6。

步骤7、根据初始冲击波能量e

式中γ、

转入步骤7。

步骤8、结合图2、图5，在获得初始冲击波能量e

β

式中Ω

转入步骤8。

步骤9、本发明首次将临界状态与黎曼变量相结合，并根据得到的冲击波2的初始压力峰值p

S9-1、求解黎曼变量σ：

式中c为介质声速，ρ

S9-2、本发明首次将临界状态与黎曼变量σ相结合，提出冲击波2波头波速U(R)的计算方法：

S9-3、根据冲击波2波头波速U(R)，计算冲击波2波头到达任意位置R的时刻t

式中a

S9-4、与冲击波2波头波速U(R)的计算方法相同，对于冲击波2到达任意位置R处的稀疏波时刻t

式中延迟时间τ定义为任意位置R处的稀疏波时刻t

τ＝t

S9-5、根据延迟时间τ，本发明首次基于状态和黎曼变量σ计算冲击波2传播过程的压力峰值p

式中a(τ)为对应延迟时间τ的水下爆炸气泡半径，Ω(τ)为对应延迟时间τ的动焓，其表达式如下：

式中V(τ)、p(τ)和a

根据Rayleigh-Plesset气泡动力学方程求解V(τ)、p(τ)和a

转入步骤9。

步骤10、在建立了冲击波2传播过程的压力峰值p

S10-1、根据热力学第二定律分析冲击波2传播过程的能量损失Δq：

Δq＝c

式中c

根据冲击波2波阵面的Rankine-Hugoniot关系，计算

式中，e

将式(26)、式(27)联立即可求解冲击波2传播过程的能量损失Δq：

式中c

S10-2、对冲击波2扫掠过的水介质体积进行积分，获得冲击波2传播过程的能量损失E

S10-3、得到冲击波2传播过程的能量e

e

转入步骤11。

步骤11、在获得了冲击波2传播过程的峰值压力p

式中θ为衰减常数，其关系式如下：

θ＝-(t

式中冲击波2衰减时间t

根据冲量定义，将式(31)对时间t积分，再根据冲击波2冲量定义其积分上限为6.7θ，得到冲击波冲量I

如图6所示，实施例1，根据冲击波计算评估方法对160g炸药进行计算，获得冲击波能量、冲击波峰值压力以及冲击波冲量，对比试验结果最大相对误差不超过15％，求解时间仅为60s，验证方法了可行性。