水介质对内爆炸冲击的抑制作用研究
发布时间：2020-10-24 02:17
自问世以来,反舰导弹的隐蔽性、命中精度和战斗部装药当量不断提高,逐渐成为水面舰艇的重要威胁。反舰导弹穿甲后会在舱室内部发生爆炸,所产生的能量会对舰船结构造成重大的毁伤。中小型水面舰艇由于自身的尺度与吨位限制不允许其设置大量的防护装甲结构,因此需要探索新型抗爆方式来提高舰艇的生命力。水介质具有资源丰富、吸热能力强且无毒无害的特点,其是否能够有效吸收爆炸能量、具有抑爆的功效引起了国内外学者的广泛关注和研究。因此,开展水介质对内爆炸冲击的抑制作用对国防装备建设具有重要的现实意义。本文围绕水介质的抑爆性能问题,开展了以下研究工作:(1)开展了水介质对内爆炸的抑爆效果的影响因素研究。采用AUTODYN-2D轴对称模型模拟了水墙抑制内爆炸的过程,并对相关影响因素进行了参数化分析。考虑的参数主要包括置水位置、炸药当量以及水量(即水墙厚度)。通过对比分析得到了冲击波压力峰值随各参数变化的变化规律,并给出了各参数对水介质的抑爆效果的影响。结果表明,压力峰值的消减比例随着药量的增加呈现先上升后下降的趋势。压力峰值的消减比例随着水墙厚度的增加而上升。当水墙厚度达到一定厚度后,压力峰值的消减比例随厚度的增加不再发生明显的变化。(2)开展了水介质对内爆炸的抑爆机理研究。从水滴入手,对水滴破碎和蒸发的相关问题进行了理论研究,得到了破碎能吸收、动能吸收以及热能吸收的理论表达式。开展了水介质抑制内爆炸的实验研究,通过高速摄影拍摄了爆炸的传播过程,对水介质与爆轰火焰的相互作用进行了分析,结合观察到的现象对水介质抑制内爆炸的机理进行了阐述。通过研究发现,水介质抑制爆炸的机理主要包括两个方面:能量吸收以及抑制爆炸反应,水介质可有效降低爆炸的强度。(3)开展了水介质对内爆炸的抑爆效果研究。采用数值仿真及实验两种方法进行了研究。数值仿真采用AUTODYN-3D模型进行研究,得到了有/无水袋条件下冲击波的超压峰值、准静态压力峰值以及比冲量,通过对比分析得到了水介质的抑爆效果。实验主要是对水介质抑制内爆炸的实验研究所得到的冲击波压力的结果进行处理和分析。最后,将仿真结果与实验结果进行对比研究。结果表明,水介质对超压峰值、准静态压力及比冲量都有明显的消减效果,其中对超压峰值的消减最为明显,最高可达71.2%。由此可以看出水介质具有明显的消波抑爆的效果。这些研究可为水介质抑制内爆炸问题提供理论依据和现实指导,同时也可为舰船新型防爆技术提供参考借鉴。
【学位单位】：武汉理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2016
【中图分类】：U674.7
【部分图文】：
1.1 研究背景与意义自问世以来，反舰导弹的隐蔽性、命中精度和战斗部装药当量不断提高。其中，专门针对大中型水面舰船的半穿甲爆破型反舰导弹能够掠海飞行，避开雷达的探测，击中舰船后能够穿透外板进入舱室并在其内部爆炸，造成舰船内部作战指挥舱、导弹垂发舱、弹库、燃油舱等重要和危险舱室发生爆炸与火灾，导致舰船丧失战斗力、船体浸水，严重时倾覆沉没[1-2]。1967 年第三次中东战争中，以色列“艾拉特”号驱逐舰的机舱和炉舱被埃及用两发“冥河”号反舰导弹先后击中，引起舰体严重倾斜和发生大火，并严重毁坏了该舰的动力装置和无线电收发系统，致使该舰漂浮在海上，基本丧失航行和作战能力，在其受到第三发导弹攻击后开始进水沉没。1982 年英阿马岛海战中，英军 5 艘最先进的 42 型驱逐舰中的 3 艘被击中，2 沉 1 伤，死伤 65 人，带来的军事和经济损失难以估计。图 1-1 是被“飞鱼”反舰导弹击中的英国“谢菲尔德”号导弹驱逐舰爆炸燃烧和倾覆沉没的照片。
图 1-2 细水雾抗爆实验模型及实验结果[5]在美国海军研究所（ONR）的赞助下，海军研究实验室（NRL）已经于 200年开展了系列的水雾消波实验[3]。印第安纳州的美国海军水面作战中心在尺寸为4.6m×4.6m×3.1m 的矩形舱室内进行了细水雾抗爆的实验研究[4]。舱室中心分别放置当量为 0.9kg（2 磅）和 3.2kg（7 磅）的 TNT。水雾通过高压喷头在爆炸前30s 注入舱室。实验表明水雾系统对准静态超压的减小量达到 30%~40%。随后美国海军水面作战中心进行了尺寸为6.1m×6.1m×4.9m的大尺寸舱室模型的细水雾抗爆实验[5]，如图 1-2 所示。炸药采用 22.7kg（50 磅）的 TNT 以及等效质量为 22.7kg（50 磅）的 Destex。水雾提前 60s 注入舱室内，其密度为 70g/m3，沙得平均直径（SMD）为 54 μ m（沙得平均直径是雾滴的表面积和体积之比与单位时间内雾区表面积和体积之比相等的雾滴直径[6]）。结果表明，TNT 和 Deste的冲量、初始爆炸波以及准静态压力分别减小了 40%、36%、35%和 43%、25%33%。可以看出，水雾装置对爆炸冲击波的消减具有很大的潜力。Holborn 等[7-8]利用流体动力学软件 FLACS 对具有不同浓度的氢-空气混合物
Schwer 和 Kailasanath[9]仿真研究了非密闭空间内，细水雾对 TNT 爆炸冲击波的消减作用。对于低温冲击波，由于细水雾蒸发量小而且蒸发后会增加气液混合相的密度，消波作用并不明显。距离越近，水雾消波的效果越不明显，而且水滴质量分布和水滴尺寸对消波效果的影响不大。随后，Schwer 和Kailasanath[10]仿真研究了封闭区域内，水雾对球形爆炸冲击波及准静态压力的影响。结果表明，水雾对二次反应的抑制作用不大，因为水雾被冲击波推向了区域边界而二次反应仍发生在内部区域。虽然水雾对二次反应的抑制作用有限，但所有的冲击波超压都得到了有效的消减，包括初始冲击波压力及准静态压力。Boeck 等[11]实验研究了封闭容器内，水雾对氢气气体爆炸的影响。氢气爆炸主要分为四个阶段，包括慢速火焰、加速火焰、转化至爆炸以及爆炸。水雾的喷入降低了超压，并且延迟了火焰转化至爆炸的时间。当水雾质量比为0.11~0.12kg/m3时，峰值超压明显减小。其减小量相当于减少了燃烧区域 0.6%体积的氢气或者减少了爆炸区 1~2%的氢气。
【参考文献】
本文编号：2853877
【学位单位】：武汉理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2016
【中图分类】：U674.7
【部分图文】：
1.1 研究背景与意义自问世以来，反舰导弹的隐蔽性、命中精度和战斗部装药当量不断提高。其中，专门针对大中型水面舰船的半穿甲爆破型反舰导弹能够掠海飞行，避开雷达的探测，击中舰船后能够穿透外板进入舱室并在其内部爆炸，造成舰船内部作战指挥舱、导弹垂发舱、弹库、燃油舱等重要和危险舱室发生爆炸与火灾，导致舰船丧失战斗力、船体浸水，严重时倾覆沉没[1-2]。1967 年第三次中东战争中，以色列“艾拉特”号驱逐舰的机舱和炉舱被埃及用两发“冥河”号反舰导弹先后击中，引起舰体严重倾斜和发生大火，并严重毁坏了该舰的动力装置和无线电收发系统，致使该舰漂浮在海上，基本丧失航行和作战能力，在其受到第三发导弹攻击后开始进水沉没。1982 年英阿马岛海战中，英军 5 艘最先进的 42 型驱逐舰中的 3 艘被击中，2 沉 1 伤，死伤 65 人，带来的军事和经济损失难以估计。图 1-1 是被“飞鱼”反舰导弹击中的英国“谢菲尔德”号导弹驱逐舰爆炸燃烧和倾覆沉没的照片。
图 1-2 细水雾抗爆实验模型及实验结果[5]在美国海军研究所（ONR）的赞助下，海军研究实验室（NRL）已经于 200年开展了系列的水雾消波实验[3]。印第安纳州的美国海军水面作战中心在尺寸为4.6m×4.6m×3.1m 的矩形舱室内进行了细水雾抗爆的实验研究[4]。舱室中心分别放置当量为 0.9kg（2 磅）和 3.2kg（7 磅）的 TNT。水雾通过高压喷头在爆炸前30s 注入舱室。实验表明水雾系统对准静态超压的减小量达到 30%~40%。随后美国海军水面作战中心进行了尺寸为6.1m×6.1m×4.9m的大尺寸舱室模型的细水雾抗爆实验[5]，如图 1-2 所示。炸药采用 22.7kg（50 磅）的 TNT 以及等效质量为 22.7kg（50 磅）的 Destex。水雾提前 60s 注入舱室内，其密度为 70g/m3，沙得平均直径（SMD）为 54 μ m（沙得平均直径是雾滴的表面积和体积之比与单位时间内雾区表面积和体积之比相等的雾滴直径[6]）。结果表明，TNT 和 Deste的冲量、初始爆炸波以及准静态压力分别减小了 40%、36%、35%和 43%、25%33%。可以看出，水雾装置对爆炸冲击波的消减具有很大的潜力。Holborn 等[7-8]利用流体动力学软件 FLACS 对具有不同浓度的氢-空气混合物
Schwer 和 Kailasanath[9]仿真研究了非密闭空间内，细水雾对 TNT 爆炸冲击波的消减作用。对于低温冲击波，由于细水雾蒸发量小而且蒸发后会增加气液混合相的密度，消波作用并不明显。距离越近，水雾消波的效果越不明显，而且水滴质量分布和水滴尺寸对消波效果的影响不大。随后，Schwer 和Kailasanath[10]仿真研究了封闭区域内，水雾对球形爆炸冲击波及准静态压力的影响。结果表明，水雾对二次反应的抑制作用不大，因为水雾被冲击波推向了区域边界而二次反应仍发生在内部区域。虽然水雾对二次反应的抑制作用有限，但所有的冲击波超压都得到了有效的消减，包括初始冲击波压力及准静态压力。Boeck 等[11]实验研究了封闭容器内，水雾对氢气气体爆炸的影响。氢气爆炸主要分为四个阶段，包括慢速火焰、加速火焰、转化至爆炸以及爆炸。水雾的喷入降低了超压，并且延迟了火焰转化至爆炸的时间。当水雾质量比为0.11~0.12kg/m3时，峰值超压明显减小。其减小量相当于减少了燃烧区域 0.6%体积的氢气或者减少了爆炸区 1~2%的氢气。
【参考文献】
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本文编号：2853877
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