CN108120816B - 一种模拟水下爆炸试验用水罐爆炸威力测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种模拟水下爆炸试验用炸药威力测试方法。其技术方案是：在如图的水下爆炸试验用炸药威力测试装置中，通过非接触式激光测量方法与理论计算相结合的方法，更为精确的获得了炸药爆炸威力测试中两个重要的参数：传感器与药柱距离，气泡的实际半径。本发明具有操作简单、高效安全、获得参数与实际相似度高，结果精确可靠等特点。
Description
所属技术领域
本发明属于水下爆炸试验技术领域。具体涉及一种模拟水下爆炸试验用水罐爆炸威力测试方法。
背景技术
随着水下资源的逐步开发，利用炸药水下爆破进行水下施工也不断增多，对炸药水下爆炸的威力研究成为一个重要课题。水下爆炸研究主要以试验为主，研究者对水池水箱等不同尺度水体进行水下爆炸试验，但试验测试获得参数仍存在一些问题。
例如测试中重要分析对象是不同距离传感器检测的压力信号，所以精确的传感器距离是分析规律的先决条件。在摆放传感器时，通常是以水面上固定的位置与炸药固定点的距离作为水下距离，可在试验中由于传感器无法刚性固定，传感器受水流、传输线、自身弯曲等影响，无法保证水下距离与水上距离保持一致。即使通过静置、悬挂重物减少水流和传输线影响，仍无法解决传感器自身弯曲问题(外力矫正会影响传感器使用性能)。在大尺寸水体远距离测试时，这个误差可以忽略，但当中小当量炸药(100g以下)水下爆炸时，测试距离一般小于1m，该误差无法满足精度要求，所以试验急需一种非接触式精确测量传感器距离的方法。
还有观测气泡形态时，通过照片确定气泡实际半径是分析的重要参数，目前常用的方法是简单三角关系确定。(朱锡等.水下爆炸气泡脉动特性的试验研究[J].哈尔滨工程大学学报，2007)具体如图二所示，通过OA与OF的距离计算气泡半径OD的距离。该方法简单地认为光线直接从镜头与气泡边缘相切，而实际上光线经过玻璃与水体时已发生折射，如图三所示。故图二的方法计算得到的气泡半径不够精确，误差较大。
发明内容
本发明旨在解决上述现有问题，提供一种测试结果精确、经济环保、操作简便、安全可靠的模拟水下爆炸试验用水罐爆炸威力测试装置。
为达到上述目的，本发明提供一种模拟水下爆炸试验用水罐爆炸测试威力装置，包括：爆炸水罐、净化装置、排水装置、光测系统、电测系统、照明装置；所述爆炸水罐为圆柱形结构。
爆炸水罐(1)位于地面上，爆炸水罐(1)内壁设有橡胶减震层(2)；爆炸水罐(1)底部一侧连接排水系统，另一侧连接净化装置；排水系统由排水管(3)、排水阀门(4)、排水沟(5)、排水池(6)构成；爆炸水罐(1)中部均布三个观察窗，分别为一个主观察窗(11)和两个副观察窗，主观察窗外设置光测系统，两个副观察窗设置照明装置；光测系统由高速摄像机(12)与计算机(13)构成；爆炸水罐(1)内有传感器固定十字架(16)，十字架中心下方为炸药固定端，十字架其他位置可固定传感器(18)，传感器连接外部的电测系统；电测系统由传感器(18)、信号调节仪(20)与数据采集仪(21)构成；炸药固定端与传感器(18)放置好后，通过激光测距仪(19)可确定其确切位置。
一种模拟水下爆炸试验用水罐爆炸测试威力装置，其特征在于：所述爆炸水罐(1)半径至少为1m，高度至少2m，容积至少为6m3，壁厚不小于1cm，可进行至少50gTNT当量的炸药水下试验。
一种模拟水下爆炸试验用水罐爆炸测试威力装置，其特征在于：所述净化装置包括连接管(7)，净水阀门(8)，净水池(9)，抽水泵(10)。
一种模拟水下爆炸试验用水罐爆炸测试威力装置，其特征在于：所述照明装置由功率为2000w左右的氙灯(14)与大功率电源(15)构成。
本发明提供的一种模拟水下爆炸试验用水罐爆炸测试威力装置可进行50gTNT当量的爆炸试验，该当量下各种类型的炸药均可以完全爆轰，可研究炸药类型更多；该装置可进行光测电测两种测试，研究角度更多，内容更充分；净化装置可使爆炸水体重复使用，排放的水体可减少环境污染，这样既降低试验成本，也绿色环保。
本发明的目的是给出一种非接触式精确测量传感器距离与确定气泡真实半径的方法；为实现上述目的，本发明在如图一的一种模拟水下爆炸试验用水罐爆炸威力测试装置中，采用的技术方案为：
(1)关闭排水阀门(4)和净水阀门(8)，打开水源，通过水管向爆炸水罐(1)中注水，直至水量约占罐容积的2/3，然后关闭水源，取出注水管。
(2)将传感器(18)连接调试好后，将其放入水中合适高度，并固定在爆炸水罐内部十字架(16)上，使用激光测距仪(19)通过副观察窗测量距离，确定传感器在水中实际位置。传感器距离具体的测量与计算方法如图二所示。
(3)在爆炸水罐中心垂入合适长度标尺，在副观察窗启动氙灯(14)，在主观察窗(11)调整高速摄像机(12)图像，使标尺在图像中达到最清晰程度，保存标尺照片后，取出标尺。
(4)放入药柱(17)进行试验前，通过激光测距仪(19)测量药柱与高速摄像机镜头的距离，高速摄像机镜头与主观察窗的距离，再进行试验。
(5)每次试验结束后，观察爆炸水罐中的水质，若无法满足摄影条件，关闭氙灯(14)，打开净水阀门(8)，将水排入净水池(9)中，关闭净水阀门(8)，加入净水剂净化。净化完成后，通过抽水泵(10)将水导入爆炸水罐，再进行试验。
(6)爆炸试验结束后，打开排水阀门(4)，将水排放到排水池(6)中，对试验电测数据和光测照片进行处理分析。气泡真实半径的计算方法如图四所示。
一种模拟水下爆炸试验用水罐爆炸威力测试方法，其特征在于：步骤二所述传感器距离测量与计算方法。
一种模拟水下爆炸试验用水罐爆炸威力测试方法，其特征在于：步骤六所述气泡真实半径的计算方法。
传感器距离测量与计算方法的具体步骤为：
(21)、在预设传感器位置和十字架中心分别垂入传感器与炸药替代块，使两者的高度与观察窗视野中心高度相同(炸药替代块水中不分解，密度要大于水，尺寸与炸药块一致)。
(22)、在爆炸水罐观察窗外与传感器等高位置确定两个不同的观测点，利用激光测距仪测量观测点与炸药替代块的距离，前后调节观测点位置，使两观测点到炸药替代块的测量距离相等，距离均为R。
(23)、使用量角器测量传感器与炸药替代块的连线和一个观测点与炸药替代块的连线之间的夹角θ，使用激光测距仪分别测量两个观测点到传感器的距离a、b。测量结束后取出炸药替代块。
(24)、按照下面方法计算传感器距离。
抽象以上实际问题为数学问题，如图二所示，已知O点为圆心，ABC三点为半径为R圆上三等分测量点，X为固定十字架上的待测位置，OA与OX的夹角为θ，测量AX距离为a，BX距离为b，CX距离为c，计算OX的距离x。
通过点A可以得到X的值可能为：
通过点B可以得到X的值可能为：
对比X1至X4值，相同的数值即为X。
气泡真实半径的计算方法具体步骤为：
(61)、将爆炸水罐注水，在十字架中心垂入标尺，搭设好光测系统，调试光测系统与标尺位置，使主观察窗内标尺竖直，且刻度清晰可见。调整好后保存该照片。
(62)、使用激光测距仪测量：高速摄像机镜头与主观察窗的距离、主观察窗的玻璃厚度。
(63)、药柱布置好后，爆炸试验前，测量主观察窗与药柱中心垂直平面的距离。
(64)、爆炸试验后，选取气泡半径达到最大的照片，根据步骤(61)得到照片比例关系，获得高速摄影拍摄气泡的图片半径L。
(65)、按照下面方法计算气泡的真实半径R。
抽象以上实际问题为数学问题，如图四所示，高速摄像机拍摄气泡的图片半径(即图中OF长度)L，高速摄像机镜头与主观察窗距离为h1，空气的折射率m1，主观察窗玻璃厚度h2，有机玻璃折射率m2，主观察窗与药柱中心垂直平面距离为h3，水折射率m3，计算拍摄气泡的真实半径R。
设光线在空气玻璃界面入射角为θ1，折射角θ2，玻璃水界面折射角为θ3，
h1 tan θ1+h2 tan θ2+h3 tan θ3＝L
m1sinθ1＝m2sinθ2
m1sinθ1＝m3sinθ3
R＝Lcosθ3
计算可得R。
附图说明
下面结合附图和实例对本发明专利作进一步说明。
图一是一种模拟水下爆炸试验用水罐爆炸威力测试装置。
图二是一种模拟水下爆炸试验用水罐爆炸威力测试的传感器距离测量与计算方法。
图三是文献中一种气泡半径测量的方法。
图四是本专利提出的一种模拟水下爆炸试验用水罐爆炸威力测试的气泡真实半径的计算方法。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步描述，并非对其保护范围的限制。
实施例一
已知R＝1m，θ＝45°，测量a＝0.850m，b＝1.334m
计算可得X1＝1.179m，X2＝0.235m，X3＝1.179m，X4＝0.661m，故X＝1.179m。
实施例2：
已知m1＝1，m2＝1.49，m3＝1.33，测量h1＝0.200m，h2＝0.100m，h3＝1.025m，拍摄气泡的图片半径L＝0.347m。
计算可得sinθ1＝0.3285，R＝0.300m，图二方法计算得到半径为0.336m，对比发现图二方法的误差为12％。
Claims (2)
1.一种模拟水下爆炸试验用水罐爆炸威力测试方法，其特征在于:所述方法采用模拟水下爆炸试验用水罐爆炸测试威力装置实现，该装置包括：爆炸水罐、净化装置、排水装置、光测系统、电测系统、照明装置；爆炸水罐(1)位于地面上，爆炸水罐(1)内壁设有橡胶减震层(2)；爆炸水罐(1)底部一侧连接排水装置，另一侧连接净化装置；排水装置由排水管(3)、排水阀门(4)、排水沟(5)、排水池(6)构成；爆炸水罐(1)中部均布三个观察窗，分别为一个主观察窗(11)和两个副观察窗，主观察窗外设置光测系统，两个副观察窗设置照明装置；光测系统由高速摄像机(12)与计算机(13)构成；爆炸水罐(1)内有传感器固定十字架(16)，十字架中心下方为炸药固定端，十字架其他位置能够固定传感器(18)，传感器连接外部的电测系统；电测系统由传感器(18)、信号调节仪(20)与数据采集仪(21)构成；所述净化装置包括连接管(7)，净水阀门(8)，净水池(9)，抽水泵(10)；所述照明装置由功率为2000w左右的氙灯(14)与大功率电源(15)构成；所述方法包括：
步骤一、关闭排水阀门(4)和净水阀门(8)，打开水源，通过水管向爆炸水罐(1)中注水，直至水量约占罐容积的2/3，然后关闭水源，取出注水管；
步骤二、将传感器(18)连接调试好后，将其放入水中合适高度，并固定在爆炸水罐内部十字架(16)上，使用激光测距仪(19)通过副观察窗测量距离，确定传感器在水中实际位置；
步骤三、在爆炸水罐中心垂入合适长度标尺，在副观察窗启动氙灯(14)，在主观察窗(11)调整高速摄像机(12)图像，使标尺在图像中达到最清晰程度，保存标尺照片后，取出标尺；
步骤四、放入药柱(17)进行试验前，通过激光测距仪(19)测量药柱与高速摄像机镜头的距离、高速摄像机镜头与主观察窗的距离，再进行试验；
步骤五、每次试验结束后，观察爆炸水罐中的水质，若无法满足摄影条件，关闭氙灯(14)，打开净水阀门(8)，将水排入净水池(9)中，关闭净水阀门(8)，加入净水剂净化，净化完成后，通过抽水泵(10)将水导入爆炸水罐，再进行试验；
步骤六、爆炸试验结束后，打开排水阀门(4)，将水排放到排水池(6)中；对试验电测数据和光测照片进行处理分析；
所述步骤二中确定传感器在水中实际位置的操作包括：
(21)、在预设传感器位置和十字架中心分别垂入传感器与炸药替代块，使两者的高度与观察窗视野中心高度相同；
(22)、在爆炸水罐的主观察窗外与传感器等高位置确定两个不同的观测点，利用激光测距仪测量观测点与炸药替代块的距离，前后调节观测点位置，使两观测点到炸药替代块的测量距离相等，距离均为R；
(23)、使用量角器测量传感器与炸药替代块的连线和一个观测点与炸药替代块的连线之间的夹角θ，使用激光测距仪分别测量两个观测点到传感器的距离a、b，测量结束后取出炸药替代块；
(24)、按照下面方法计算传感器距离X：
对比X1至X4值，相同的数值即为X；
X1、X2是利用一个观测点计算得到的两个值，X3、X4是利用另一个观测点计算得到的两个值；
所述步骤六中的对试验电测数据和光测照片进行处理分析的操作包括：
(61)、将爆炸水罐注水，在十字架中心垂入标尺，搭设好光测系统，调试光测系统与标尺位置，使主观察窗内标尺竖直，且刻度清晰可见；调整好后保存该照片；
(62)、使用激光测距仪测量：高速摄像机镜头与主观察窗的距离、主观察窗的玻璃厚度；
(63)、药柱布置好后，爆炸试验前，测量主观察窗与药柱中心垂直平面的距离；
(64)、爆炸试验后，选取气泡半径达到最大的照片，根据步骤(61)得到照片比例关系，获得高速摄影拍摄气泡的图片半径L；
(65)、按照下面方法计算气泡的真实半径R：
高速摄影拍摄气泡的图片半径L，高速摄像机镜头与主观察窗距离为h1，空气的折射率m1，主观察窗玻璃厚度h2，有机玻璃折射率m2，主观察窗与药柱中心垂直平面距离为h3，水折射率m3，计算拍摄气泡的真实半径R；
设光线在空气玻璃界面入射角为θ1，折射角θ2，玻璃水界面折射角为θ3，
h1tanθ1+h2tanθ2+h3tanθ3＝L
m1sinθ1＝m2sinθ2
m1sinθ1＝m3sinθ3
R＝Lcosθ3
计算得R。
2.如权利要求1所述一种模拟水下爆炸试验用水罐爆炸威力测试方法，其特征在于：所述炸药替代块水中不分解，密度大于水，尺寸与炸药块一致。
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