外界条件对中空结构物内爆冲击波的影响

孟令存 闫明 杜志鹏 张磊

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外界条件对中空结构物内爆冲击波的影响

    作者简介: 孟令存(1994-),男,硕士研究生,主要从事光电倍增管内爆研究. E-mail:1605733924@qq.com;
    通讯作者: 闫明, yanming7802@163.com
  • 中图分类号: O381; U663.85

Influence of External Conditions on Implosion Shock Wave of Hollow Structure

    Corresponding author: YAN Ming, yanming7802@163.com ;
  • CLC number: O381; U663.85

  • 摘要: 在深水中工作的中空结构物承受巨大的静水压,突然被压溃时会发生内爆,产生冲击波,对周围结构造成损伤。针对内爆冲击波受静水压力、真空体积影响机理不清的问题,开展了光电倍增管水下内爆试验,验证了ABAQUS中CEL耦合计算方法满足光电倍增管内爆模拟精度的要求,并通过数值模拟分析了外界静水压、中空结构物的真空体积对内爆冲击波的影响规律。结果表明:随着静水压、真空体积的增加,冲击波压力峰值呈线性增加,且距离内爆中心越远,冲击波峰值增加越缓慢;冲击波脉宽随静水压力的增加基本保持不变,随真空半径的增加缓慢降低。
  • 图 1  PMT实物

    Figure 1.  Picture of actual PMT

    图 2  压力罐示意图

    Figure 2.  Schematic of the pressure tank

    图 3  PMT内爆过程

    Figure 3.  Implosion process of PMT

    图 4  PMT内爆仿真模型

    Figure 4.  Implosion simulation model of PMT

    图 5  水域流场变化过程

    Figure 5.  Change process of flow field in the water

    图 6  内爆压力对比曲线

    Figure 6.  Comparison curves of implosion pressure

    图 7  内爆简化模型

    Figure 7.  Simplified model of implosion

    图 8  内爆水流涌入过程

    Figure 8.  Water influx of implosion

    图 9  压力时程曲线

    Figure 9.  Curves of pressure varied with time

    图 10  冲击波压力峰值和脉宽随测点距离变化曲线

    Figure 10.  Curves of shock wave peak and pulse width with measuring point distance

    图 11  冲击波压力峰值和脉宽随静水压变化曲线

    Figure 11.  Curves of shock wave peak and pulse width with hydrostatic pressure

    图 12  不同真空球体半径的冲击波压力时域曲线

    Figure 12.  Curves of shock wave pressure with time under different vacuum sphere radii

    图 13  冲击波压力峰值和脉宽随真空半径变化曲线

    Figure 13.  Curves of shock wave peak and pulse width with vacuum radius

    表 1  试验和模拟得到的冲击波压力峰值对比

    Table 1.  Comparison of tested and simulated shock wave pressure peaks

    Measuring point
    Pressure peak/MPaError/%
    TestSimulation
    F114.6311.2822.90
    F2 7.68 5.5327.90
    F3 6.18 5.5310.51
    F4 3.19 2.4921.90
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    表 2  拟合系数值

    Table 2.  Fitting coefficient values

    Hydrostatic pressure/MPaab
    0.34.216−1.067
    0.44.957−1.096
    0.55.761−1.084
    0.66.488−1.079
    0.77.001−1.107
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    表 3  拟合系数值

    Table 3.  Fitting coefficient values

    Measuring point distance/mcd
    0.2534.0758.631
    0.3523.7716.004
    0.4517.4344.770
    0.5514.0263.932
    0.6511.4093.338
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    表 4  拟合系数值

    Table 4.  Fitting coefficient values

    Measuring point distance/mmn
    0.25147.97−11.125
    0.35100.68−7.623
    0.4574.26−5.351
    0.5558.72−3.998
    0.6547.55−3.045
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-10-24
  • 录用日期:  2019-11-09
  • 网络出版日期:  2020-03-25
  • 刊出日期:  2020-08-05

外界条件对中空结构物内爆冲击波的影响

    作者简介:孟令存(1994-),男,硕士研究生,主要从事光电倍增管内爆研究. E-mail:1605733924@qq.com
    通讯作者: 闫明, yanming7802@163.com
  • 1. 沈阳工业大学机械工程学院,辽宁 沈阳 110870
  • 2. 海军研究院,北京 100161

摘要: 在深水中工作的中空结构物承受巨大的静水压,突然被压溃时会发生内爆,产生冲击波,对周围结构造成损伤。针对内爆冲击波受静水压力、真空体积影响机理不清的问题,开展了光电倍增管水下内爆试验,验证了ABAQUS中CEL耦合计算方法满足光电倍增管内爆模拟精度的要求,并通过数值模拟分析了外界静水压、中空结构物的真空体积对内爆冲击波的影响规律。结果表明:随着静水压、真空体积的增加,冲击波压力峰值呈线性增加,且距离内爆中心越远,冲击波峰值增加越缓慢;冲击波脉宽随静水压力的增加基本保持不变,随真空半径的增加缓慢降低。

English Abstract

  • 中空结构物在深水环境下工作时,表面将会承受高静水压力,当中空结构物突然被压溃,高压水流向压溃中心汇聚相撞,形成内爆(Implosion)[1-2],产生内爆冲击波,对周围物体造成破坏。2014年美国深海科研潜艇在深海工作时,中空结构的外部工作设备在静水压下被压溃引发内爆,对潜艇壳体造成损伤,使其“遇难”。在中微子探测领域[3-4],由玻璃制成的具有中空结构的光电倍增管(Photomultiplier tube,PMT)是中微子探测的核心部件,工作在深水环境时容易发生内爆。2001年,日本“超级神冈”中微子试验站发生PMT连锁爆炸事故,炸毁近8 000个PMT,直接经济损失达3 000万美元[5]。除此之外,其他水下工作设备如管道、照明灯、摄像机等都有可能发生内爆,因此内爆机理研究具有重要意义。

    国内外学者针对水下内爆问题开展了诸多研究。美国海军作战中心(NSWC)[6]在装有水的压力罐中进行了圆柱壳的水下内爆实验,得到了铝制圆柱壳的内爆冲击波压力曲线,并结合仿真研究了圆柱壳的内爆冲击波压力曲线的主要特征;Diwan等[7]在压力罐中对PMT进行了2次水下内爆试验,得到了PMT内爆发生过程及内爆冲击波压力曲线,并利用任意拉格朗日欧拉(ALE)方法对PMT内爆进行了仿真,得到的仿真结果与试验结果吻合较好;杜志鹏等[8]将水下爆炸气泡动力学与水下内爆相结合,基于能量守恒关系,推导出不可压缩流体中球形容器内爆理论模型;黄治新等[9]根据应力波原理,提出了利用大型压力罐进行内爆试验的方法,并通过此方法测得了PMT内爆冲击波。

    上述研究主要针对特定结构的圆柱壳、PMT进行试验和数值模拟研究,没有考虑静水压、真空体积对中空结构物内爆的影响。本研究拟开展PMT水下内爆试验,以验证ABAQUS软件CEL耦合计算方法模拟水下内爆的准确性,并通过有限元模拟方式探究外界静水压力、真空体积对内爆冲击波的影响规律,为深入分析中空结构物的水下内爆提供参考。

    • PMT实物见图1,其形状如灯泡,总高度0.700 m,头部球体直径0.508 m,尾部圆柱直径0.100 m;其外壳材料为玻璃,厚度为5 mm,内部真空度为10−4 Pa。PMT水下内爆试验装置为直径3 m、长度5 m、壁厚30 mm的圆柱形钢制压力罐,其示意图见图2。压力罐侧面设有透明视窗,用于照明并放置高速摄影设备,可清晰地记录内爆全过程;压力罐内部设有工作平台,工作平台上放置液压式挤压装置,用于安装和引爆PMT。受试验装置尺寸限制,将压力罐装入水时,无法模拟PMT在50 m水深的工作环境,为此利用外置空压机对压力罐内施加0.5 MPa压力进行模拟。通常情况下,采用水中压力值代表冲击波压力,故在试验过程中主要测量水中压力值。试验前,压力罐内共布置4个PCB动水压传感器,测点F1位于PMT正上方,距PMT中心0.41 m;测点F2位于PMT赤道平面靠近压力罐入口处,距PMT中心0.55 m;测点F3、测点F4位于PMT赤道平面远离压力罐入口处,分别距PMT中心0.55和1.35 m。试验时,液压装置挤压PMT发生内爆,试验成功测得PMT水下内爆过程和压力数据。

      图  1  PMT实物

      Figure 1.  Picture of actual PMT

      图  2  压力罐示意图

      Figure 2.  Schematic of the pressure tank

    • 完成PMT内爆试验后,根据高速摄影所记录的影像,对内爆过程进行详细分析。将PMT水下内爆发生时间点记为零时刻(t = 0 ms),图3为PMT发生内爆典型特征时刻的图像。可以看出,PMT内爆过程可分为4个典型阶段:(1)挤压阶段(−16.00~−14.00 ms),挤压装置挤压PMT使玻璃外壳产生微小变形,挤压装置附近玻璃外壳亮点缩小;(2)裂纹传播阶段(−14.00~−8.00 ms),PMT玻璃外壳在−12.33 ms产生初始裂纹,−8.00 ms裂纹迅速传播至整个球面;(3)整体压溃阶段(−8.00~0 ms),PMT玻璃外壳在0 ms完全被压溃,碎片迅速向中心运动,各方向水流发生碰撞,产生内爆冲击波;(4)冲击波传播阶段(0 ms以后),玻璃碎片迅速向外飞散,冲击波以近似声速向外传播,图像出现黑色斑点,这是因为冲击波到达罐壁时发生反射,反射波与入射波发生叠加产生了空化气泡。上述阶段划分充分展现了PMT水下内爆发生过程及内爆冲击波的产生过程,对水下内爆数值模拟具有一定的指导意义。

      图  3  PMT内爆过程

      Figure 3.  Implosion process of PMT

    • 基于PMT水下内爆的试验结果,对PMT水下内爆进行数值模拟。由试验结果可知,在PMT内爆过程中,从裂纹产生到内爆发生共经历了14 ms,具有瞬时性;此外,考虑到PMT所处的环境,在内爆发生过程中还会存在流体与玻璃之间的耦合作用。根据上述分析,可利用有限元软件ABAQUS中的CEL算法对PMT水下内爆进行数值模拟。

      图4为PMT内爆有限元模型中部截面图,整个球体水域采用欧拉单元(EC3D8R),中间网格密度大,外部网格密度小,以减小计算时间。红色部分的欧拉单元赋予水材料属性,水采用Grüneisen状态方程描述,密度为1.0 g/cm3,波速为1 480 m/s,黏度为1×10–3 Pa·s,在水域中利用初始应力场施加0.5 MPa的初始静压力,且在水域外边界设置冲击波无反射、流体自由流入和流出的边界条件,以模拟无限水域。蓝色部分的欧拉网格赋予真空材料属性。红色部分与蓝色部分交界处为PMT玻璃外壳,采用六面体拉格朗日单元(C3D8R),材料参数如下:密度为2 230 kg/m3,弹性模量为2.77 GPa,泊松比为0.376,断裂极限为40 MPa,玻璃失效位移为0.1 µm。在模型中输出与试验相同测点的压力值,用于后期数据的相互验证及对比分析。数值模拟开始时,对PMT外表面局部区域施加瞬时压力,以模拟液压装置对PMT的挤压,使得PMT破碎,从而发生水下内爆。

      图  4  PMT内爆仿真模型

      Figure 4.  Implosion simulation model of PMT

      欧拉网格具有与材料完全隔离的特性,根据网格内材料的占比不同,会呈现不同的网格颜色。当网格呈红色时,欧拉网格中水的占比为100%,即水填满整个网格;当网格呈蓝色时,水的占比为零,即没有水填充到网格。图5为数值模拟得到的流场运动过程。当PMT受到挤压时,局部发生破碎,水流从挤压位置涌入PMT内,导致PMT的玻璃外壳全部压溃,各方向水流迅速向PMT中心处汇聚并发生碰撞,产生冲击波。整个PMT内爆过程共经历13.6 ms,与高速摄像拍摄的内爆过程及发生内爆的时间相近,说明采用CEL耦合计算方法能够准确地模拟PMT发生内爆时水域流场变化过程。

      图  5  水域流场变化过程

      Figure 5.  Change process of flow field in the water

    • 为进一步验证PMT内爆数值模拟方法的正确性,对数值模拟和试验的压力测点数据进行对比分析。由于试验中使用的是动压传感器,无法测出水中的初始静压力,所以将试验中的压力值均增加0.5 MPa,以模拟所受的静水压作用。进一步调整试验压力值的起始位置,使试验与数值模拟压力峰值相对应。图6为各测点的内爆冲击波压力对比曲线,可以看出:无论是试验还是数值模拟,内爆冲击波压力峰值均较高,脉宽较小。数值模拟的压力曲线在零时刻附近出现振荡,这是由数值模拟过程中测点处的能量平衡引起的。在未达到压力峰值的曲线段,数值模拟与试验中均出现微弱压力降,这是由PMT玻璃外壳完全破碎后水流内涌存在速度势导致的。达到压力峰值后,数值模拟曲线快速恢复到平衡位置,而试验曲线出现振荡式衰减,这是由于数值模拟中设置了无反射边界的水域条件,而试验中由于压力罐尺寸的限制,罐壁对冲击波具有一定的反射作用。总体而言,数值模拟得到的内爆冲击波脉宽、峰值与试验结果吻合较好。

      图  6  内爆压力对比曲线

      Figure 6.  Comparison curves of implosion pressure

      进一步对试验与数值模拟得到的压力峰值进行对比,结果列于表1。各测点峰值中,模拟峰值普遍小于试验峰值,这是由于数值模拟中玻璃材料本构方程与实际存在差异,致使玻璃的破碎速率不同,从而对内爆冲击波压力峰值产生一定的影响;此外,模拟时模型网格大小对结果精度也有一定的影响,使得冲击波压力峰值降低,但整体平均误差为20.8%,满足实际工程需求。选取内爆试验压力测点F1的压力数据进行积分,得到比冲量峰值为2 700 Pa·s,该能量相当于50 g标准TNT炸药按Geers & Hunter水下爆炸理论公式计算所得的能量。

      Measuring point
      Pressure peak/MPaError/%
      TestSimulation
      F114.6311.2822.90
      F2 7.68 5.5327.90
      F3 6.18 5.5310.51
      F4 3.19 2.4921.90

      表 1  试验和模拟得到的冲击波压力峰值对比

      Table 1.  Comparison of tested and simulated shock wave pressure peaks

    • 在PMT水下内爆数值模拟方法正确建立的基础上,利用数值模拟对内爆冲击波的影响因素进行研究。为了方便建模,采用体积等效的方式将PMT等效为直径0.5 m的真空球体。

    • 水下内爆发生时PMT玻璃外壳瞬间破碎,水流急速碰撞产生冲击波。为了简化计算,仅建立水域及真空球体区域模型。图7为建立的有限元简化模型。外部水域直径为5 m,内部真空球体直径为0.5 m;共设置5个压力测点,编号为S1S5,分别距球心0.25、0.35、0.45、0.55、0.65 m;简化模型的材料本构、边界条件、载荷等计算参数保持不变;根据PMT的实际工作环境,共设置了静水压分别为0.3、0.4、0.5、0.6及0.7 MPa的5种内爆工况进行数值模拟。

      图  7  内爆简化模型

      Figure 7.  Simplified model of implosion

      图8显示了0.5 MPa静水压作用下水域流场的变化过程。可以看出:计算开始时,水流迅速向中心流动,初始阶段,水流速度由零开始进行加速,水流总体运动较慢;随着时间的延长,水流获得了较大的运动速度,向中心加快运动,经历10.25 ms后,水流发生碰撞产生内爆冲击波。

      图  8  内爆水流涌入过程

      Figure 8.  Water influx of implosion

      进一步对测点的压力情况进行分析,图9为真空球体在5种工况下,水流高速碰撞产生冲击波,各测点的冲击波压力时程曲线。可以看出:各工况下压力曲线的变化趋势大致相同,首先在短时间内达到内爆冲击波峰值,随后压力值出现了不同程度的振荡,最后均稳定为零压力,且各测点的振荡形式相似;同一静水压下,随着测点距离的增大,内爆冲击波压力峰值显著减小。比较各工况下同一测点测得的冲击波压力峰值对应的时间可知,随着静水压力的增加,内爆发生的时刻提前。

      图  9  压力时程曲线

      Figure 9.  Curves of pressure varied with time

      图9中的冲击波压力峰值进行分析,以测点距离为横坐标,各测点冲击波压力峰值为纵坐标,绘制出各静水压下冲击波压力峰值随测点距离的变化规律,如图10(a)所示。分析发现,同一静水压下,冲击波压力峰值pm随测点距离x的变化规律可用指数函数pm = axb进行拟合,拟合结果如表2所示。冲击波峰值衰减指数b在−1.067~−1.107范围,同比炸药的水下爆炸冲击波传播衰减指数(1.18)偏小。以冲击波压力峰值的10%对应的两个时刻之间的差值定义为内爆冲击波脉宽,选取0.3 MPa静水压下各测点脉宽进行讨论,脉宽随测点距离变化曲线如图10(b)所示,脉宽随距离的增大缓慢增大。

      Hydrostatic pressure/MPaab
      0.34.216−1.067
      0.44.957−1.096
      0.55.761−1.084
      0.66.488−1.079
      0.77.001−1.107

      表 2  拟合系数值

      Table 2.  Fitting coefficient values

      图  10  冲击波压力峰值和脉宽随测点距离变化曲线

      Figure 10.  Curves of shock wave peak and pulse width with measuring point distance

      为准确分析静水压对内爆冲击波的影响规律,以静水压为横坐标,测点的冲击波压力峰值为纵坐标,对图9中各工况下不同测点冲击波压力峰值重新进行统计,如图11(a)所示。可以看出,对于同一测点,冲击波峰值压力pm随外界静水压力ph呈线性增长趋势,可用函数pm = cph + d对其进行线性拟合,所得拟合系数值如表3所示,斜率c随测点距离的增大而减小,即距离内爆中心越远,冲击波压力峰值变化越平缓。选取各静水压下0.25 m处测点脉宽进行讨论,脉宽随静水压变化曲线如图11(b)所示,脉宽随静水压力的增加基本保持不变。

      Measuring point distance/mcd
      0.2534.0758.631
      0.3523.7716.004
      0.4517.4344.770
      0.5514.0263.932
      0.6511.4093.338

      表 3  拟合系数值

      Table 3.  Fitting coefficient values

      图  11  冲击波压力峰值和脉宽随静水压变化曲线

      Figure 11.  Curves of shock wave peak and pulse width with hydrostatic pressure

    • 将静水压设为0.5 MPa,选取与2.1节相同的压力测点,真空球体半径依次修改为0.15、0.20、0.25、0.30及0.35 m,进行5种工况下的内爆数值模拟,研究真空体积对内爆冲击波压力峰值的影响规律。图12为不同工况各测点的内爆冲击波压力曲线。从图12可以看出:真空球体半径越大,内爆发生的时刻延后,冲击波峰值越大。

      图  12  不同真空球体半径的冲击波压力时域曲线

      Figure 12.  Curves of shock wave pressure with time under different vacuum sphere radii

      图12中的冲击波压力峰值数据进行统计,以真空球体半径为横坐标,冲击波压力峰值为纵坐标,绘制图像如图13(a)所示。

      图  13  冲击波压力峰值和脉宽随真空半径变化曲线

      Figure 13.  Curves of shock wave peak and pulse width with vacuum radius

      图13(a)可以看出,冲击波压力峰值pm随真空球体半径r呈线性变化。利用pm = mr + n进行线性拟合,拟合系数值列于表4。分析可得,当距内爆中心位置一定时,冲击波压力峰值随真空体积的增大呈线性增大,且距离内爆中心越近的位置增长越快。选取各工况下0.25 m处测点进行脉宽讨论,脉宽随真空半径变化曲线如图13(b)所示,脉宽随真空半径的增大缓慢降低。

      Measuring point distance/mmn
      0.25147.97−11.125
      0.35100.68−7.623
      0.4574.26−5.351
      0.5558.72−3.998
      0.6547.55−3.045

      表 4  拟合系数值

      Table 4.  Fitting coefficient values

    • (1)对比PMT内爆试验与数值模拟结果可知,ABAQUS的CEL数值模拟方法在模拟水下内爆发生过程、水域流场变化过程、冲击波压力峰值和脉宽等方面具有较高的模拟精度,能够准确、全面地模拟PMT内爆的物理过程。

      (2)通过对不同静水压力下的内爆进行数值模拟,得到了静水压力对内爆的影响规律:内爆发生的时刻随静水压力的增加而提前;内爆产生的冲击波压力峰值随测点距离增大呈指数衰减,且衰减系数比水下炸药爆炸冲击波衰减系数小;同一位置的内爆冲击波压力峰值随静水压力增加呈线性增长趋势,且距离内爆中心越远,冲击波压力峰值增长越缓慢;冲击波脉宽随静水压力的增加基本保持不变。

      (3)通过对不同真空体积的内爆进行模拟,得到了真空体积对内爆的影响规律:内爆发生时刻随着真空体积的增大而延后;同一位置的内爆冲击波峰值随真空球体体积的增大呈线性增长,且距离内爆中心越近,冲击波峰值变化越快;冲击波脉宽随真空半径的增大缓慢降低。

参考文献 (9)

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