水锤效应国外的发展历史和研究现状

对于高速破片撞击装有液体的容器所带来的水锤叠加效应还需要人们进行大量实验来进一步研究。


1、国外对于水锤效应的发现和研究都比较早。早在上个世纪70年代,美国军方就已经开展了对于水锤效应的研究,当时由于刚发现这一现象,美国的戴顿大学、美国海军研究生院以及加利福尼亚科技有限公司都对这一现象极其重视并开始致力于这方面的研究[3]。美国早期的研究对于水锤效应只划分为三个阶段:冲击阶段,拖曳阶段以及空腔阶段[4][22][23]。美国海军研究生院为了研究此效应建造了射击试验场,试验设备有22mm口径步枪和立方充液箱体。此试验发现水锤效应的产生包含四个阶段:第一阶段为冲击阶段,高速体刚射穿充满液体的容器时,冲击能量传递给液体,产生弧形的压力震荡波,最先导致冲击位置附近结构的破坏;第二阶段为阻滞阶段,高速体穿过液体时受阻减速,自身动能转化为液体的动能,液体会沿着高速体射击路径往外移动形成一个辐射状的压力区域,此阶段液体被逐渐加速,故不会形成集聚的压力峰值;第三阶段为空穴阶段,上个阶段液体沿射击路径向外扩张,形成液体空腔,空腔会随着高速体的移动慢慢膨胀再坍塌,坍塌时会产生巨大的压力峰值;第四阶段为穿出阶段,高速体穿过先前由震荡阶段和后续液体载荷形成的压力墙后射出[5][21]。

1988年,E.A.Lundstorm对水锤效应进行了理论分析,并测得不同速度、不同入射角度的子弹穿透油箱时的压力和壁板应变数据,证实了其理论分析的可用性[6]。

1989年,E.A.Lundstorm等进行了23和30mm的高爆燃烧弹穿透钢制水箱的试验,获定了四个位置的流体压力时程。C.E.Sparks等进行了12.7mm子弹穿透油箱的试验,测定了数点流体压力,并用高速摄影机记录了下了子弹的轨迹[6]。

2008年,D.Varas等用直径12.5mm的钢制球弹分别以600和900m/s的速度击穿6063-T5铝管,铝管分别含有60%和75%的水,研究空气层对水锤效应的影响[6]。

2、水锤效应国内的发展历史和现状

目前我国国内对水锤效应的研究还处于方兴未艾的阶段。我国国内研究条件相对简陋,试验经费也相对较少,所以我国研究人员主要致力于设计可重复利用的的容器[7][17]。国内外对水锤效应的试验研究装置基本类似,由子弹发射装置、充液箱体、箱体支架及防护装置、高速摄像头、测速仪、高速压力传感器和应变片组成[8]。如今国外通常采用的是大型非线性动力学有限元分析来进行水锤效应的数值模拟。

李亚智等在研究水锤现象并进行数值模拟时发现,带水箱体的应力和应变水平比空燃料箱有显著提高[8]。

在研究方法上,陈亮等运用光滑粒子流体动力学方法分析了破片对复合材料容器造成的水锤效应,找出水锤效应下复合材料容器壁上的薄弱区域[9][20]。

而且以往大部分人们研究的都是300-900m/s的单一破片所形成的水锤效应[10][18],对于高速破片撞击油箱和多破片撞击油箱所形成的水锤效应还未深入研究和发表文献,因此对于高速破片撞击装有液体的容器所带来的水锤叠加效应还需要人们进行大量实验来进一步研究。