切缝药包爆炸波动流场的高速激光纹影分析

切缝药包爆炸波动流场的高速激光纹影分析

切缝剂包的定向破裂效应是显著的，切缝剂包的结构起着非常重要的作用。一直以来,切缝药包爆炸致裂岩石机理的研究较多。早在20世纪70年代,马里兰大学WLFourney等就提出了在炮孔中使用轴向切缝的管状药包在岩体中形成定向裂缝的方法,他们开展了带有间隙套管的装药控制爆破的一系列实验,这些实验证明了在爆破过程中能够获得断裂控制的效果。文献对切缝药包岩石中定向断裂爆破采用不同本构模型进行了数值模拟。杨仁树等对切缝药包在岩石中爆炸后产生的裂纹断面进行了微观实验,得到了该药包爆炸致裂断面的微观特征;采用动态焦散线方法测得切缝药包爆炸岩石裂纹尖端的动力学过程。姜琳琳、罗勇等对岩石中定向断裂爆破机理进行了深入的研究。岳中文等对切缝管内空气间隔装药岩石中爆炸超动态应变测试进行了实验研究。然而,对于切缝药包本身爆炸波动行为的研究仅仅是根据炸药爆轰理论做一些浅显的推测,而没有深入系统地开展切缝药包爆炸波动行为的实验研究。本文开展的实验弥补了上述不足。从切缝药包本身的结构研究其爆炸波动行为,切缝药包爆炸波动场参数的变化直接决定了固体介质的断裂效果。实验采用高速纹影摄像技术捕捉切缝药包切缝处爆轰波阵面传播过程中的细微结构特征。纹影仪结合高速摄像技术能记录爆炸波阵面与切缝管结构相互作用过程中流场结构的瞬时动态演化过程。本研究运用高速纹影的方法和数值模拟切缝药包爆炸整个流场相结合,对切缝药包爆炸波动态演化机理进行了探讨。1高速裂纹投影实验系统高速纹影实验系统主要由两部分组成:高速相机和激光纹影仪。1.1定性观察和数据测量的结合高速摄像技术是用来研究人眼不可分辨的高速瞬变现象的运动规律,揭示其运动的本质。既要利用高的摄影速度获得事件发生变化过程的清晰图像(定性观察),必要时又要给出事件运动的诸如速度、位置和姿态等的数据参数(定量测量)。实验系统中所用高速相机为美国Photron公司生产的FastcamSA5摄像机,该相机前置镜头为NIKON系列镜头,相机内存为16G,实验时将高速相机的拍摄速度设置为100000fps,也就是每秒拍摄100000幅照片。1.2纹影仪基本光学原理Schlieren方法由英国自然哲学科学家RobertHooke于1672年发明,是利用介质中密度的变化来显示声场的,此方法与其他方法相比,有以下优点:(1)可以显示出直观的图像;(2)接收设备不必置入声场(因而对声场无影响);(3)应用频率范围较广。纹影基本原理为:若在曝光时间内流场各处是均匀的,则照明光通过流场时,在光学系统像面上的照度是均匀的。若流场中局部小区域因介质密度的变化而使折射率发生变化,则光线通过该局部区域时将发生偏转。利用位于纹影光阑处的刀口切去部分光线后,偏离刀口的光线在像面上的照度将比不偏转时更亮些,偏向刀口的光线照度变得更暗些。当刀口方向垂直于流场变化的轴线时,则在流场附近的对称密度梯度就会在像面上形成对称的照度图像;当刀口方向平行于流场变化的轴线时,则同样的密度梯度就会在像面上形成反对称的照度图像,即对称流场的一侧照度减小而另一侧照度增加。图1为纹影仪的基本光学原理,线光源S发出的光由透镜L1成像在狭缝R处,狭缝的作用是将光源S的像整形。狭缝R放在透镜M1的前焦平面上,2个全同的透镜M1和M2将线光源R成像在M2的后焦平面上,在该焦平面处放置刀口K。流场T处于透镜M1和M2中间,流场T通过成像物镜L2成像到照相底片Ph处。纹影仪光源采用激光光源,该光源具有单色性好、方向性强、光亮度极高和相干性极好的优点,可排除波长变化对折射率及其导数的影响。2切缝药包爆爆冲波动实验系统实验用装药结构设计如下:切缝管材质为不锈钢,切缝药包设计2种结构。一种为双缝耦合装药,外直径14mm,内径6mm,壁厚4mm,切缝宽度2.5mm;另一种装药尺寸为双缝不耦合装药,外直径14mm,内径8mm,壁厚3mm,切缝宽度2.5mm,不耦合系数(切缝管内径与药包直径的比值)为1.3。装药为二硝基重氮酚,药包长度为10cm,有效装药长度8cm。所选炸药为起爆药(DDNP),对火花敏感度很高,起爆时,用扭绞的漆包线高压放电起爆切缝药包,起爆点置于药包中心。切缝药包爆轰波动实验系统如图2所示,由纹影系统外加高速相机组成,纹影系统中光源采用激光光源,产生平行流场的2个凹面镜的焦距都为2.5m,主要元件还有控制刀口和聚焦透镜。切缝药包放置在纹影系统的反射镜的平行流场中,在平行流场中置一防护木箱,防护切缝药包爆炸碎片或爆生气体冲击破坏周围仪器设备。在刀口末端放置FastcamSA5高速摄像机。3切缝药包的流场设置两种药包为:双缝/耦合药包(也称为耦合切缝药包)和双缝/内不耦合药包(也称为内不耦合切缝药包)。每种药包在高速纹影平行流场中设置为2种放置方式:一种是切缝药包轴向垂直于纹影系统平行流场(记为I型),I型药包的切缝位于纹影图中上下方向;另一种是切缝药包轴向平行于纹影系统流场(记为II型),II型药包的切缝位于纹影图中左右方向。第1种放置方式能够形象地看出切缝药包截面整个爆轰波传播过程,但是不能反映纵向切缝处的爆轰波阵面的波动过程。第2种放置方式能够弥补第1种放置方式观测上的不足。3.1切缝药包爆炸波的垂直分布图3中所标时间为名义时间,仅仅以爆炸波传播到切缝处开始计时。由于凝聚炸药内部爆轰的传播无法用纹影仪观测,因此没有计算炸药爆炸波在切缝管内部的传播和膨胀时间。图3所示为双缝耦合装药的切缝药包的高速纹影记录。切缝药包轴向垂直于纹影系统的平行流场,这种放置方式能够直接观察切缝处爆轰波阵面的形状和传播过程。在爆炸的初始阶段,爆轰从起爆点开始传播,30μs时整个切缝管内的炸药完全发生反应,起爆端处的爆炸波已经传播出切缝管一段距离,在20~40μs,爆炸波分布形状犹如“芭蕉扇”形。在40μs时,已能够观察到前沿激波与爆生气体的分界面,2个切缝处的前沿激波阵面迅速地沿着各自的切缝方向扩展。从50μs开始,能够非常明显地观察到激波阵面,冲击波向两端绕流的波阵面很清晰,在60μs时,两切缝方向的冲击波彼此向对方沿着切缝管外壁绕流。在210μs时这种波逐渐弱化,随后消失。另一种放置方式能够很清晰地表现出来。80μs时两切缝方向的爆炸波阵面接近于平行,爆生气体紧随其后,切缝管壁绕流部分的冲击波形成“橄榄形”逐渐膨胀。从90~270μs爆生气体运动缓慢,在切缝处爆轰波传播的很长一段时间内,切缝药包两端部一直都没有波的传播。100μs时两端堵塞物质受内部气体的膨胀开始冲出,从整个过程来看,其速度很慢。在所观测的范围内,堵塞物质一直沿切缝管轴向直线运动,左端部相对于右端部的速度快些。在后面的时间段,初始爆炸波传播到防护木箱内壁发生的反射波阵面可以清晰地观察到其形状。爆炸波在遇到障碍物之前,这个空间对于小药量的切缝药包足够大,爆炸波从切缝处传播,经过一段时间的飞散后,冲击波阵面与爆生气体完全脱离,这个时间发生在110μs之后。最终占据某个极限比容,此时相应爆炸产物的剩余压力等于周围介质的压力(大气压力)。将图3中I与II的纹影图形结合起来,能够更加详细地理解切缝药包的爆轰波动过程。切缝管在纹影流场中不同的放置方式,可以多角度地观察切缝药包爆轰波动过程。图3中I所展示的过程为爆轰波动的侧面,根据纹影测试原理,爆轰波阵面并没有详细展示出来。这与切缝药包在平行流场中的放置方式有关。图3中II放置的切缝药包在初始阶段的爆轰波阵面与流场中的光线是平行的。但是沿着切缝药包轴向可以形象地看出切缝处爆炸波产生的过程。在30μs时,爆炸波在2个切缝处呈现“纺锤”形分布。可以初步看出亮色的前沿激波与紧随其后的爆生气体分界面。由于药包直径小,爆轰波动很快从2个缝的方向绕流到彼此的区域。这种特殊的装药结构犹如2个爆源波动相互扰动。爆炸波在自由场中逐渐膨胀,70μs时垂直切缝方向上亮色部分非常明显,爆生气体与前沿冲击波开始分离。但是切缝方向爆生气体与冲击波阵面仍然向各自方向同步传播,存在分离的趋势。90μs时,前沿冲击波阵面在切缝药包周围形成一个包络轮廓线将内部爆生气体围住,随后两者完全分离,爆生气体速度变慢,切缝处2个爆生气体的分布形态极其相似,可以称之为“爆生气体孪生态”,这种孪生态在爆炸波动的整个阶段形态相对稳定。从爆生气体孪生态上下两端部能够清晰观察到2个“W”形波阵面,这是由2个切缝处的爆炸波在垂直切缝方向上扰流波交互作用产生的,并且紧随初始前沿冲击波。3.2切缝处爆炸波与爆生气体孪生态运动的关系这里只列出了切缝药包轴向平行于纹影系统的平行流场图,另一种放置方式的图片与双缝/耦合药包爆炸波的传播大致相同。从图4可以看出,由于切缝管内空气不耦合系数的存在,爆轰产物的快速膨胀,犹如一个活塞一样驱动切缝管内壁和装药的空气间隙形成前驱冲击波,爆炸波动衰减较快,爆炸波从切缝处传播出来时,在同等时间段内,与双缝/耦合装药爆炸波动相比,波阵面分布范围较小,前沿波阵面波动幅度小。很明显,双缝不耦合装药在40μs时的爆炸波阵面大致相当于双缝/耦合装药在30μs时爆炸波阵面。但与之不同的是,前沿激波阵面与爆生气体分离较快。和双缝/耦合装药一样,前沿冲击波阵面在切缝药包周围形成一个包络轮廓面将内部爆生气体包围住,爆生气体运动速度缓慢。切缝药包2个切缝处的前沿激波包络面和紧随其后的爆生气体也形成爆生气体孪生态的布局。从图4还可以看到,在前沿激波阵面与爆生气体之间存在一个弱波动,也就是二次波动,因为爆生气体具有很强的压力,爆生气体孪生态运动过程中,压缩周围的空气,产生二次弱激波,这种波动很快就消失了,在随后的传播过程中,爆生气体孪生态从外边缘逐层飞散。200μs之后,前沿激波的传播离开了高速纹影视场。4不耦合切缝药包的速度特性由切缝药包高速纹影实验结果,可以得到2种切缝药包爆炸前沿激波阵面速度,如图5所示。由图5(a)可知,这种切缝药包切缝方向爆炸波波阵面的速度一直处于优势状态,切缝方向的波阵面速度相比底部轴向、起爆端轴向以及垂直切缝方向的速度要快,仅仅只有在切缝管内部爆轰波传播的初始阶段大于切缝方向的波阵面传播速度,内部爆轰波阵面速度达1200m/s左右(所用炸药为散装装药,未做压实处理,所以爆速很低)。切缝方向的爆炸波阵面速度的变化趋势很有规律,整个时间段内,前沿冲击波阵面的速度是衰减的。在初始阶段(10~30μs),前沿冲击波波动速度由小增大,然后再减小,随后衰减的加速度逐渐变缓,30~70μs,波阵面速度变化曲线呈上凸型,70μs之后衰减为一个稳定的速度平台,90μs之后继续加速衰减。垂直切缝方向的冲击波是由切缝方向的爆炸波绕流形成的,在整个传播阶段速度相对较慢,而且衰减缓慢。70μs之后稳定在200m/s左右。切缝药包2个端部的爆炸波阵面传播速度衰减剧烈,在切缝管内传播速度很大,在切缝管外侧向稀疏波和切缝方向的侧向膨胀波相互作用下,其波阵面速度迅速减少。两者的速度最后衰减到200m/s以下。图5(b)为双缝/不耦合切缝药包各方向波阵面速度变化。可以看出,切缝药包内不耦合介质的存在,严重削弱了切缝方向的波阵面的速度,在10~30μs,切缝方向的前沿冲击波阵面速度大于垂直切缝方向的波阵面速度。在30~100μs的时间段内,切缝方向的前沿冲击波波阵面速度与垂直切缝方向前沿冲击波阵面速度相差很小,在前半阶段甚至重合。速度范围在200~400m/s,轴向2个相反方向上的爆炸波阵面速度变化与双缝/耦合装药的情形大致相同。结合2种药包的速度变化(图5),可以得出:不耦合系数严重影响切缝处爆炸波的传播。在10~50μs的时间段内,也就是在切缝药包切缝方向近区,其波阵面波动速度相差500m/s。2种情况的切缝药包装药,仅仅是波阵面移动速度的快慢,但是这种波动速度却反映出波阵面强度的弱化,波阵面与空气作用的间断面逐渐衰减,速度决定猛度,猛度反映冲量的变化,这就直接决定了优势爆生气体在切缝方向积聚并冲击固体介质。这种对岩石局部作用的高强度的应力集中直接导致了固体介质的定向破坏。5爆速密度变化运用高速纹影无法对固体炸药内部爆轰波动进行观测,采用数值模拟的方法对切缝药包爆轰波动全场域进行研究。建模时,切缝管材质和高速纹影实验所用切缝管材质相同,结构尺寸相同。在爆轰强动载作用下,切缝管产生大变形,在算法选择上,切缝管选用任意拉格朗日欧拉(ALE)算法,从而避免网格畸变造成终止计算。炸药和药包周围的空气采用欧拉(Euler)算法。ALE和Euler以流固耦合方式运算。空气采用γ律理想气体状态方程,空气密度为1.225g/cm3,γ=1.4,参考温度288.2K,比热为717.6J·kg/K。炸药采用JWL状态方程,炸药密度为1.77g/cm3,A=617.05GPa,B=16.926GPa,R1=4.4,R2=1.2,ω=0.25,A,B,R1,R2,ω是材料常数。爆速为8300m/s,比内能EC-J=10100MJ/m3,PC-J=33.5GPa。这里需要说明的是炸药选用太安(PETN)炸药,与纹影实验中所用炸药(DDNP)不同,炸药爆速有差别,状态方程参数也不同,所以数值模拟结果中时间上存在差异。但数值模拟切缝药包爆炸波动形态与纹影实验结果基本吻合。图6为切缝药包爆轰波动密度等位线,这里只列出0.2~12.4μs时间段的密度变化。初始阶段炸药爆炸,爆源中心密度最大,达到1.736g/cm3。爆生气体膨胀,与切缝管内空气相互作用,爆生气体的压力施加于周围的空气,使空气介质的密度发生急剧的变化,在0.2~0.4μs,自爆源中心向外形成密度梯度场,密度值从内向外依次降低。当爆炸波传播至切缝管内壁,切缝管内部爆生气体发生重新分布,靠近切缝管内壁的气体密度大于爆源中心处的密度。1.2μs时切缝处气体介质密度增大,其密度大小反映了此处的压力大小,也反映了波动作用强度。爆生气体在切缝管内部膨胀的同时,在切缝处泄压,但是爆生气体对管壁膨胀的压力贡献大于向切缝处的压力输运。切缝药包内部爆轰波动场的畸变,使各处的压力重新分布。在爆炸初期(几个微秒内),在切缝方向上,爆生气体与爆轰波波阵面没有分离,切缝处释放的爆炸波压力随着爆生气体在切缝处积聚而增大。在7