CN115508047B - 一种水下近场爆炸下水射流载荷关键参数测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水下近场爆炸下水射流载荷关键参数测量装置及方法，涉及载荷测量技术领域，包括观测水箱、测量模组以及置于水箱内的箱型浮体、多普勒光纤探针、阵列式壁压传感器和水下爆炸气泡；多普勒光纤探针用于测量水射流载荷撞击箱型浮体底板时正面测点位置的速度时程曲线；阵列式壁压传感器用于测量水射流载荷撞击箱型浮体底板时背面测点位置的压力时程曲线，且正面和背面测点位置均与水下爆炸气泡位置相对应；测量模组用于基于速度时程曲线计算得到水射流载荷撞击浮体前的速度，还用于基于压力时程曲线计算得到水射流载荷的直径。本发明装置采用间接测量方法获取气泡水射流载荷关键参数，解决了水射流载荷难以测量的国际性大难题。

Description

一种水下近场爆炸下水射流载荷关键参数测量装置及方法

技术领域

本发明涉及载荷测量技术领域，尤其是一种水下近场爆炸下水射流载荷关键参数测量装置及方法。

背景技术

水下近场爆炸下除产生传统的强冲击波载荷、空化载荷、气泡脉动载荷外，形成的爆轰产物在收缩过程中还可失稳形成强水射流载荷，该载荷速度快、能量集中、破坏强度大，可对舰船上的结构、设备等引起更为恶劣的毁伤破坏，引起舰船的致命性打击，研究水下近场爆炸下水射流载荷特性对舰船系统的毁伤评估及防护设计具有重要的意义。

爆轰产物(气泡)失稳引起的水射流载荷是近场水下爆炸的一种极具破坏力的载荷，由于水射流载荷形成时间短暂、水汽界面模糊、流场动态演化复杂，导致现有的电测手段、光测手段难以开展，致使水射流载荷特征参数的测量一直为当前水下爆炸测量技术的一大国际性难题。

发明内容

本发明人针对上述问题及技术需求，提出了一种水下近场爆炸下水射流载荷关键参数测量装置及方法，可用于测量不同药包类型、不同爆距下气泡失稳形成的水射流载荷的直径和速度，解决了现有测试中水射流载荷测试技术的大难题。

本发明的技术方案如下：

第一方面，本申请提供了一种水下近场爆炸下水射流载荷关键参数测量装置，包括观测水箱、测量模组以及置于观测水箱内的箱型浮体、多普勒光纤探针、阵列式壁压传感器和水下爆炸气泡；水下爆炸气泡置于箱型浮体的下方，在气泡失稳时形成水射流载荷；多普勒光纤探针伸入箱型浮体内部，并贴近浮体底板的正面测点设置，用于测量水射流载荷撞击箱型浮体底板时正面测点位置的速度时程曲线；阵列式壁压传感器对应设置在箱型浮体底板的各背面测点处，用于测量水射流载荷撞击箱型浮体底板时背面测点位置的压力时程曲线，其中正面测点和背面测点位置均与水下爆炸气泡位置相对应；多普勒光纤探针和阵列式壁压传感器分别连接测量模组，测量模组用于基于速度时程曲线计算得到水射流载荷撞击浮体前的速度，还用于基于压力时程曲线计算得到水射流载荷的直径。

其进一步的技术方案为，阵列式壁压传感器的测量范围不低于0.1×2×R_max，且各个壁压传感器的间距不大于8mm，其中R_max表示水下爆炸气泡演变过程中的最大半径。

其进一步的技术方案为，箱型浮体的特征包括长度L、宽度D、质量M、吃水H、密度ρ_steel和底板厚度h，各特征满足如下设计条件：

5mm≤h≤10mm；

其中，ρ_water表示水的密度；R_max表示水下爆炸气泡演变过程中的最大半径。

其进一步的技术方案为，箱型浮体采用能悬浮水面的钢制结构。

其进一步的技术方案为，观测水箱的主体材料为有机玻璃，厚度不低于15mm；水箱边界交接处采用钢板强化，有机玻璃与钢板通过铆接连接。

其进一步的技术方案为，测量装置还包括与测量模组连接的两个摄像机，用于测量水下爆炸过程中气泡的演变过程，分别布置于观测水箱的侧面和底部方位；其中，位于侧面方位的摄像机用于获取水射流载荷形成的时刻，位于底部方位的摄像机用于记录水射流载荷初始形成过程中的尺寸。

第二方面，本申请还提供了一种水下近场爆炸下水射流载荷关键参数测量方法，该测量方法基于第一方面提供的测量装置实现，包括如下步骤：

测量模组获取阵列式壁压传感器在各背面测点测量得到的气泡射流阶段的压力时程曲线，以及获取多普勒光纤探针在正面测点测量得到的气泡射流阶段的速度时程曲线；

基于压力时程曲线计算得到水射流载荷的直径，基于速度时程曲线计算得到水射流载荷撞击浮体前的速度。

其进一步的技术方案为，基于压力时程曲线计算得到水射流载荷的直径，包括：

比较各背面测点对应的压力时程曲线的起始上升阶段，从中挑选出起始上升阶段一致的背面测点，计算选中的背面测点所形成的圆形区域的直径视为水射流载荷的直径。

其进一步的技术方案为，基于速度时程曲线计算得到水射流载荷撞击浮体前的速度，包括：

提取正面测点对应的速度时程曲线中的最大速度，依据箱型浮体底板材料的塑性强度和底板厚度，反演推算得到水射流载荷撞击浮体时的水流速度视为水射流载荷撞击浮体前的速度，表达式为：

其中，v_max为速度时程曲线的速度峰值，ξ为与箱型浮体底板材料的塑性强度相关的参数，ρ_steel为箱型浮体的密度，h为箱型浮体的底板厚度。

本发明的有益技术效果是：

1)本装置采用间接测量方法获取气泡水射流载荷关键参数，测量方法为比较阵列式壁压传感器在各测点测量的压力时程曲线起始上升阶段，挑选上升一致的测点并根据测点围成的圆形区域直径即可确定水射流载荷直径参数，通过多普勒光纤探针测量的测点速度峰值反演推算出水射流载荷的速度参数，解决了现有的电测手段、光测手段难以开展水射流载荷测量的大难题；

2)本装置操作方便，利用率高，可用于测量不同药包类型、不同距径比下的水射流载荷直径、速度等参数。

附图说明

图1是本申请提供的水射流载荷关键参数测量装置示意图。

图2是本申请提供的箱型浮体底板背面测点的排布示意图。

图3是本申请提供的各背面测点对应的压力时程曲线示意图。

附图标记说明：

1-观测水箱、2-箱型浮体、3-多普勒光纤探针(DPS)、4-阵列式壁压传感器、5-水下爆炸气泡、6-侧面摄像机、7-底部摄像机、8-固定支架。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。

如图1所示，本申请实施例提供了一种水下近场爆炸下水射流载荷关键参数测量装置，包括观测水箱1、测量模组以及置于观测水箱1内的箱型浮体2、多普勒光纤探针3(DPS)、阵列式壁压传感器4和水下爆炸气泡5。水下爆炸气泡5置于箱型浮体2的下方，本例优选设置在箱型浮体2的正下方，在气泡失稳时形成水射流载荷。具体的：

观测水箱1的主体材料为高强有机玻璃，有机玻璃厚度不低于15mm。水箱的边界交接处采用钢板强化，有机玻璃与钢板通过铆接连接。

可选的，设置有机玻璃观测水箱的四周及底部通透，则测量装置还包括与测量模组连接的两个高速摄像机，用于测量水下爆炸过程中气泡的演变过程。两个高速摄像机分别布置于观测水箱1的侧面和底部方位。其中，位于侧面方位的摄像机6用于获取水射流载荷形成的时刻，位于底部方位的摄像机7用于记录水射流载荷初始形成过程中的尺寸。

箱型浮体2为能悬浮水面的钢制薄壁结构，主要特征包括长度L、宽度D、质量M、吃水H、密度ρ_steel和底板厚度h，各特征需满足如下设计条件：

5mm≤h≤10mm；

其中，ρ_water表示水的密度；R_max表示水下爆炸气泡演变过程中的最大半径。

多普勒光纤探针3通过固定支架8伸入箱型浮体2内部，并贴近浮体底板的正面测点设置，用于测量水射流载荷撞击箱型浮体底板时正面测点位置的速度时程曲线，以间接测量水射流载荷撞击浮体结构前的速度。

阵列式壁压传感器4对应设置在箱型浮体底板的各背面测点处，即一个壁压传感器对应一个背面测点设置，用于测量水射流载荷撞击箱型浮体底板时背面测点位置的压力时程曲线。具体的，阵列式壁压传感器4的测量范围不低于0.1×2×R_max，即背面测点位置的铺设范围不低于0.1×2×R_max。且各个壁压传感器的间距不大于8mm。

其中正面测点与水下爆炸气泡位置相对应，背面测点位置与水下爆炸气泡位置和直径相对应。在本实施例中，正面测点位置选取为水射流作用于底板的正中心区域，背面测点范围为以气泡正中心为中心、以0.1×2×R_max为长宽的区域，如图2所示。

多普勒光纤探针3和阵列式壁压传感器4分别连接测量模组(图中未示出)，测量模组用于基于速度时程曲线计算得到水射流载荷撞击浮体前的速度，还用于基于压力时程曲线计算得到水射流载荷的直径。

本申请实施例还提供了一种水下近场爆炸下水射流载荷关键参数测量方法，基于上文给出的测量装置实现，具体包括如下步骤：

步骤1：测量模组获取阵列式壁压传感器在各背面测点测量得到的气泡射流阶段的压力时程曲线，以及获取多普勒光纤探针在正面测点测量得到的气泡射流阶段的速度时程曲线。

步骤2：基于压力时程曲线计算得到水射流载荷的直径，具体包括：

比较各背面测点对应的压力时程曲线的起始上升阶段，从中挑选出起始上升阶段一致的背面测点，计算选中的背面测点所形成的圆形区域的直径视为水射流载荷的直径。

结合图2、图3所示，测点1、测点2、测点3在初始时刻(0.0025ms范围以内)上升阶段基本一致，由于水射流为水柱形，其作用在浮体底板上呈现为圆形区域，因此计算测点1～测点3(即a、b、c三个测点)所围成的圆形区域的直径即可视为水射流载荷的直径。

步骤3：基于速度时程曲线计算得到水射流载荷撞击浮体前的速度，具体包括：

提取正面测点对应的速度时程曲线中的最大速度，依据箱型浮体底板材料的塑性强度和底板厚度，反演推算得到水射流载荷撞击浮体时的水流速度视为水射流载荷撞击浮体前的速度，表达式为：

其中，v_max为速度时程曲线的速度峰值，ξ为与箱型浮体底板材料的塑性强度相关的参数，ρ_steel为箱型浮体的密度，h为箱型浮体的底板厚度。

综上所述，本装置采用间接测量方法获取气泡水射流载荷关键参数，解决了现有的电测手段、光测手段难以开展水射流载荷测量的大难题；且装置操作方便，利用率高，可用于测量不同药包类型、不同距径比下的水射流载荷直径、速度等参数。

以上所述的仅是本申请的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种水下近场爆炸下水射流载荷关键参数测量装置，其特征在于，包括观测水箱、测量模组以及置于所述观测水箱内的箱型浮体、多普勒光纤探针、阵列式壁压传感器和水下爆炸气泡；所述水下爆炸气泡置于箱型浮体的下方，在气泡失稳时形成水射流载荷；所述多普勒光纤探针伸入箱型浮体内部，并贴近浮体底板的正面测点设置，用于测量水射流载荷撞击箱型浮体底板时正面测点位置的速度时程曲线；所述阵列式壁压传感器对应设置在箱型浮体底板的各背面测点处，用于测量水射流载荷撞击箱型浮体底板时背面测点位置的压力时程曲线，其中正面测点和背面测点位置均与水下爆炸气泡位置相对应；多普勒光纤探针和阵列式壁压传感器分别连接所述测量模组，所述测量模组用于基于速度时程曲线计算得到水射流载荷撞击浮体前的速度，包括：提取正面测点对应的速度时程曲线中的最大速度，依据箱型浮体底板材料的塑性强度和底板厚度，反演推算得到水射流载荷撞击浮体时的水流速度视为水射流载荷撞击浮体前的速度，表达式为：

其中，v_max为速度时程曲线的速度峰值，ξ为与箱型浮体底板材料的塑性强度相关的参数，ρ_steel为箱型浮体的密度，h为箱型浮体的底板厚度；

所述测量模组还用于基于压力时程曲线计算得到水射流载荷的直径，包括：比较各背面测点对应的压力时程曲线的起始上升阶段，从中挑选出起始上升阶段一致的背面测点，计算选中的背面测点所形成的圆形区域的直径视为水射流载荷的直径。

2.根据权利要求1所述的水下近场爆炸下水射流载荷关键参数测量装置，其特征在于，所述阵列式壁压传感器的测量范围不低于0.1×2×R_max，且各个壁压传感器的间距不大于8mm，其中R_max表示水下爆炸气泡演变过程中的最大半径。

3.根据权利要求1所述的水下近场爆炸下水射流载荷关键参数测量装置，其特征在于，所述箱型浮体的特征包括长度L、宽度D、质量M、吃水H、密度ρ_steel和底板厚度h，各特征满足如下设计条件：

5mm≤h≤10mm；

其中，ρ_water表示水的密度；R_max表示水下爆炸气泡演变过程中的最大半径。

4.根据权利要求1所述的水下近场爆炸下水射流载荷关键参数测量装置，其特征在于，所述箱型浮体采用能悬浮水面的钢制结构。

5.根据权利要求1所述的水下近场爆炸下水射流载荷关键参数测量装置，其特征在于，所述观测水箱的主体材料为有机玻璃，厚度不低于15mm；水箱边界交接处采用钢板强化，有机玻璃与钢板通过铆接连接。

6.根据权利要求1所述的水下近场爆炸下水射流载荷关键参数测量装置，其特征在于，所述测量装置还包括与测量模组连接的两个摄像机，用于测量水下爆炸过程中气泡的演变过程，分别布置于观测水箱的侧面和底部方位；其中，位于侧面方位的摄像机用于获取水射流载荷形成的时刻，位于底部方位的摄像机用于记录水射流载荷初始形成过程中的尺寸。

7.一种水下近场爆炸下水射流载荷关键参数测量方法，其特征在于，所述测量方法基于如权利要求1-6任一所述的测量装置实现，所述测量方法包括：

测量模组获取阵列式壁压传感器在各背面测点测量得到的气泡射流阶段的压力时程曲线，以及获取多普勒光纤探针在正面测点测量得到的气泡射流阶段的速度时程曲线；

基于压力时程曲线计算得到水射流载荷的直径，包括：

比较各背面测点对应的压力时程曲线的起始上升阶段，从中挑选出起始上升阶段一致的背面测点，计算选中的背面测点所形成的圆形区域的直径视为水射流载荷的直径；

基于速度时程曲线计算得到水射流载荷撞击浮体前的速度，包括：

提取正面测点对应的速度时程曲线中的最大速度，依据箱型浮体底板材料的塑性强度和底板厚度，反演推算得到水射流载荷撞击浮体时的水流速度视为水射流载荷撞击浮体前的速度，表达式为：

其中，v_max为速度时程曲线的速度峰值，ξ为与箱型浮体底板材料的塑性强度相关的参数，ρ_steel为箱型浮体的密度，h为箱型浮体的底板厚度。

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