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1、第23卷 第3期爆炸与冲击Vol.23,No.32003年5月EXPLOSIONANDSHOCKWAVESMay,2003文章编号:100121455(2003)0320193207高速高粘度液体射流的穿甲效果X施红辉(中国科学院力学研究所非线性力学国家重点实验室,北京100080) 摘要:为了研究射流粘度对穿甲的影响,用火药炮实验装置产生了速度为1.5～2.0km/s的甘油射流,用曝光时间为180ns的可视化系统对高速甘油射流进行了流场显示。用甘油射流和水射流对4mm厚青铜板及3mm厚钢板进
2、行了穿甲实验,验证了液体的粘弹性增加了射流的穿甲效果。实验还发现甘油的穿甲效果对甘油的体积分数有着依存关系,当体积分数为90%时效果最佳。 关键词:流体力学;穿甲;高速液/固冲击;高粘度射流;甘油体积分数 中图分类号:O358;O384国标学科代码:130·2567文献标志码:A1 引 言[1～2] 高速液体射流在国防、环保及工业各领域内有着广泛的应用。施红辉用超高速水射流对金属[3～4]板进行了穿甲实验。从穿透效果来看,用成型炸药产生的超高速金属射流具有更强的威力。金属射流是典型的高粘度
3、非牛顿流体。到目前为止,用什么模型来描述金属射流,还没有定论。例如,经典[5][6]的成型炸药理论将射流当作理想流体。但是,J.P.Leyrat等在模拟用成型炸药产生超高速金属射[3]流时,使用了考虑材料弹塑性影响的Mie2Grüneisen公式。W.P.Walters归纳了各种金属射流的模型,包括了粘塑性模型。而涉及防止金属射流在飞行过程中分裂的问题时,如何使用粘塑性模型就显得[7]更加突出。这项研究工作直接关系到定量评价金属射流的穿甲效果以及它的高精度数值模拟。D.[8]B.Wallace研
4、究了微尺度(Á50～100μm)焊锡金属射流的稳定性问题。但是,其金属射流的粘度只有[9]8～37mPa·s,很难表现出非牛顿流体的特性。施红辉等在速度为600m/s的范围内,比较了水射流和甘油射流的速度。发现由于甘油的粘度几乎是水粘度的1000倍,粘性的影响使得甘油射流的速度低于水射流的速度。本文的工作试图表明,当射流速度大于1km/s时,甘油的粘性仍然发挥作用而且使得射流具有更好的穿甲效果。2 实验装置与方法 实验是在一台火药炮实验装置上进行的。图1为火药炮的示意图及射流速度测量系统。甘油
5、事先被密封在一个喷嘴装置里。火药室的炸药被引爆后,产生的高压气体加速放置在发射管内的图1高速粘弹性液体射流发生装置及射流速度测量系统Fig.1Experimentalfacilityforgeneratinghigh2speedviscoelasticjets高分子聚乙烯抛射体。抛射andthejetvelocitymeasurementsystem体内嵌埋着一颗小磁铁,当X收稿日期:2002207205;修回日期:2002209210基金项目:教育部留学回国人员科研启动基金项目;国家人事部归国
6、留学人员择优项目作者简介:施红辉(1962— ),男,博士,教授,博士生导师。©1994-2007ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.http://www.cnki.net194爆 炸 与 冲 击 第23卷 抛射体通过线圈时,诱导电流产生,所以用计数器可测得抛射体的速度。然后抛射体冲击喷嘴,将甘油推出喷嘴出口形成高速射流。在实验中,抛射体的速度维持在1.1km/s,使用
7、的喷嘴的出口直径全部为3mm。喷嘴的详细构造见文献[1～2,10]。射流的速度测量是通过射流遮断两束激光束时产生的光电压信号来实现的。激光先从一台12mV的He2Ne激光器发出,经由一个半图2粘弹性液体射流的可视化系统透镜和几个反光镜形成两束Fig.2Visualizationsystemofthehigh2speedjets平行的激光。一台示波器记录了射流遮断两束激光束时产生的光电压信号。 图2为流场可视化系统。先在喷嘴出口处制作一个用于摄影的暗室。在暗室上部安装氙气闪光灯,闪光时间为180
8、ns。在暗室侧面设置照相机,照相机的快门打开。在喷嘴出口处粘贴一根通电的炭棒,当射流切断炭棒时,电信号经由延迟装图3火药室结构及抛射体速度测量系统置、动力源触发闪光灯。图Fig.3Propellantchamberand3为火药室、加速管以及信theprojectilevelocitymeasurementsyatem号采集线圈的详细结构图。火药室的内径为30mm,抛射体与火药室之间用一片金属隔膜隔开。发射管的长度为1.1m,内径为15mm。线圈共有三个,各相距60mm。可以选择其中的任意两个进
