爆炸气泡帷幕对水下爆炸能量的衰减机理与性能研究

It is an important research subject to search for an effective underwater explosion safety protection method in mechanics of explosion. Based on the traditional bubble curtain damping technology, the property of fiber cable's underwater explosion which generates prismatical bubble pulsation is used, the explosion of fiber cable grid structure producing bubble curtain is constructed, and the new idea that energy will be dissipated through the explosion bubble curtain can be put forward, which will confirm that the effect that the energy dissipation produced through the explosion bubble curtain on the total energy of shock wave and impulse attenuation is good. The result of the research will have far-reaching applications prospects in underwater explosion protective field. This subject will be carried out as follows:Firstly, the factors that impact explosion bubble curtain kinematic parameters will be studied to ascertain the forming mechanism and microscopic features of explosion bubble curtain. Secondly, combining the technology of underwater high-speed photography, pressure test, numerical simulation and theoretical analysis method the study of the underwater explosion energy attenuation properties will be carried out to reveal the load transfer mechanism and the mechanism of reducing vibration of the explosion bubble curtain under impact load, in addition, to create an explosion bubble curtain energy dissipation model. Thirdly, evaluating indicators of integral properties of specific impulse and specific energy of shock wave will be established, practical engineering explosion bubble curtain energy dissipation experiment will be carried out and practical engineering application of explosion bubble curtain energy dissipation formulas and design methods will be proposed to guide the underwater blasting safety protection.The research results are of great significance in promoting the explosion bubble curtain damping technology development and improving underwater explosion safety protection level.

寻求有效的水下爆炸安全防护方法是爆炸力学学科的重要研究课题。在传统气泡帷幕减震技术基础上，利用纤维爆炸索水下爆炸产生柱状气泡脉动的特性，构建纤维爆炸索网栅结构爆炸产生气泡帷幕，提出爆炸气泡帷幕削能新理念，预研证实其对冲击波总能量和冲量衰减效果好，在水下爆炸安全防护领域将有深远的应用前景。课题首先研究影响爆炸气泡帷幕运动特性参数的因素，探明爆炸气泡帷幕的形成机理和微观特征；结合水下高速摄像、压力测试实验、数值模拟和理论分析方法研究爆炸气泡帷幕削能特性，揭示爆炸气泡帷幕在冲击荷载作用下的荷载传递机制和减震机理,建立爆炸气泡帷幕削能模型；建立考虑积分特性的比冲量和冲击波比能等冲击因子指标评价削能效果，开展实践工程的爆炸气泡帷幕削能实验，提出适合工程应用的爆炸气泡帷幕实用削能公式和设计方法，指导水下爆炸安全防护。研究成果对于推动爆炸气泡帷幕减震技术的发展，提高水下爆炸安全防护水平具有重要意义。

为了寻求有效的水下爆炸安全防护方法，对纤维爆炸索的制备和性能、纤维爆炸索水下爆炸气泡脉动特性及压力信号、爆炸气泡帷幕对水中冲击波能量的衰减特性展开了研究。已经取得的研究成果如下:(1) 提出一种新的低能量导爆索轧制工艺方案，对纤维爆炸索进行了性能测试，得出了纤维爆炸索在高温条件和机械撞击下是安全的；(2) 对纤维爆炸索复杂环境下传爆可靠性进行了研究，并对纤维爆炸索弯曲传爆进行了数值模拟，发现：导爆索直径越大，爆炸威力越大，越易传爆；索间传爆时能量输入端连接采取能量集中方式，导爆索连接部位须是干燥的，否则会造成传爆中断；（3）通过实验，分别得到了竖向放置单根、水平放置单根、竖向放置两根、水平放置两根低能量导爆索气泡脉动图像，并获得了脉动过程中气泡直径随时间变化的规律；（4）采用小波分析和HHT变换两种方法分别分析了纤维爆炸索和纤维爆炸索网栅两种结构的水下爆炸特点，发现冲击波压力信号能量主要集中在低频段，包含的频率成分比较丰富；(5) 对纤维爆炸索网栅超压信号Hilbert变换，发现Hilbert变换能够满足纤维爆炸索网栅水下爆炸信号的分析要求，纤维爆炸索网栅水下爆炸信号频率成分也比较丰富，能量主要集中在0-50KHz的频带范围内；（6）提出了利用纤维爆炸索网栅结构水下爆炸产生的爆炸气泡帷幕对水下爆炸能量和冲击波进行削减的“以爆制爆”实验，结果证明这种方法对各频段的冲击波能量衰减效果明显，绝大部分频段的能量衰减都在50%以上；（7）提出了爆炸气泡帷幕衰减水中冲击波能量设置原则：合理设计爆炸气泡帷幕发生装置；合理设置爆炸气泡帷幕与爆源的距离，选择微差爆破时间；多层、大面积布设。同时在相关领域开展了大量基础研究工作，包括纤维爆炸索水下爆炸水声特性，纤维爆炸索水下爆炸能量分布特点，基于PVDF 的爆炸场近场压力测试方法，扩爆装置的改造与置备，还开展了应用于聚能射孔拉裂岩石和光面爆破的实验。.综上所述，本项目揭示爆炸气泡帷幕的运动特征，获得爆炸气泡帷幕的性能特点，研究中提出的爆炸气泡帷幕法能够有效衰减水中冲击波能量，利用纤维爆炸索水下爆炸产生的气泡构成气泡帷幕进行水下爆炸能量衰减达到以“爆”制“爆”的目的，为水下爆炸安全防护提供了新的方法和理念，是具发展前景的水下爆炸安全防护方法。