1 引言

随着水射流切割技术的发展，水射流切割技术逐渐被应用到炸药切割加工和爆炸物处理^[1-4]。炸药模拟件的水射流切割试验表明，只要射流参数选择适当，利用水射流切割炸药是可行的^[5]。以上研究中水射流都是通过机电加压系统来获得，这类设备体积较大，成本较高，不能普遍用于排爆领域。Alford^[6]在其专利中提出了一种半圆形聚能装药装置，该装置可以对水加速形成高速水射流，但没有给出装置的具体尺寸和水射流的形状、速度等；张世林^[7]提出了一种M形状的聚能装药结构并对其进行了仿真研究，结果表明采用该装药结构能够得到聚能水流，但是该装药结构所需要的炸药量较大，得到的水流速度过高，水流与炸药作用过程中有可能引爆爆炸物。

本研究针对如何快捷、简单地处理爆炸物，对半圆形聚能装药结构水射流成型过程进行了研究。利用炸药的聚能效应，将传统的金属药形罩替换成水，通过炸药的爆轰产物对水进行加速以形成一束高速水流，从而对爆炸物形成物理破坏。采用爆炸力学通用软件AUTODYN计算了不同炸药厚度下水射流的形成过程，得到了水射流形状随时间的变化，重点分析了炸药厚度对射流速度的影响。

2 水流形成过程的数值模拟 2.1 排爆装置的结构

排爆装置的三维结构如图 1所示，装置的高为80 mm，长为250 mm，宽为150 mm。该装置主要由三部分构成，一是上部的半圆形容器，二是中间的环形炸药，三是下部的凹形容器。半圆形容器半径为40 mm，之所以选择半径为40 mm，是因为当半径较大时，难以获得较窄的水射流。容器的壳体选用等壁厚的塑料材料，壳体厚度为2 mm。当半圆形容器直径确定后，影响射流速度的主要是炸药种类以及装药厚度。考虑到装药的方便和经济性，炸药选择TNT，而炸药的厚度通过数值模拟来确定。

使用时，半圆形容器和凹形容器里都注满水，半圆形容器里的水主要是作为能量传递的介质，以对爆炸物形成破坏。凹形容器中的水主要有两种作用：一是利用水的高比热，来抑制炸药爆炸产生的火焰和热量；二是在炸药爆炸初期，对爆轰产物的膨胀起到一定的限制作用，使得炸药能量更多的被半圆形容器里的水吸收。

2.2 水射流速度的选择

当高速水射流接触到凝聚炸药表面时，会在凝聚炸药中形成冲击波，冲击波大小与水流速度大小有关，水流速度越大，在炸药中形成的冲击波压力越大。根据动量定理，水射流与炸药作用中心的最大压力为^[8]：

$ {p_{\rm{H}}} = \frac{{{\rho _0}{c_0}{v_0}}}{{1 + ({\rho _0}{c_0}/{\rho _e}{c_e})}} $

(1)

式中, ρ₀为水射流的密度，kg·m^-3；c₀为水射流声速，m·s^-1；v₀水射流的速度，m·s^-1；ρ_e为炸药密度，kg·m^-3；c_e为炸药声速，m·s^-1。

一般压装炸药的冲击波感度在1.5 GPa以上^[9]，为了安全起见，必须保证水流与炸药作用时在炸药中产生的压力不超过1.5 GPa。常温下水的声速为1500 m·s^-1，典型炸药的密度为1700 kg·m^-3，声速为2800 m·s^-1，根据式(1)，计算得到水流速度应小于1315 m·s^-1。

考虑到在拆除汽车炸弹等爆炸物时，高速水流还需要穿过一定厚度的金属板，为了切割开金属板，水流与其作用时压力须大于500 MPa，对应的水流速度须大于370 m·s^-1。综合以上考虑，水流的最大速度应该小于1315 m·s^-1，以保证炸药不被冲击起爆，而水流的平均速度应该大于370 m·s^-1，以确保水流有足够的动能能够对爆炸物形成破坏。

2.3 计算模型

理论分析聚能水流的形成比较困难，本文采用AUTODYN软件对聚能水流的形成过程进行了二维模拟，计算的模型如图 2所示。图中H为装药厚度，R为装药半径。模型中炸药采用Euler单元，对于容器的壳体选用拉格朗日单元，水则采用ALE单元，起爆点位于半圆环形炸药的对称轴上。

2.4 材料状态方程

对于水采用多项式状态方程，水的状态方程与其压缩状态有关，当水压缩时(μ＞0)，状态方程为：

$ p = {A_1}\mu + {A_2}{\mu ^2} + {A_3}{\mu ^3} + \left( {{B_0} + {B_1}\mu } \right){\rho _0}e $

(2)

当水膨胀时(μ＜0)，状态方程为

$ p = {T_1}\mu + {T_2}{\mu ^2} + {B_0}{\rho _0}e $

(3)

式中, p为水压，kPa；μ为压缩比；μ=ρ/ρ₀-1；e为水的比内能，J·kg^-1；ρ₀为水的初始密度；ρ₀=1 g·cm^-3，A₁=2.2×10⁶ kPa，A₂=9.54×10⁶ kPa, A₃=1.457×10⁷ kPa，B₁=B₂=0.28, T₁=2.2×10⁶, T₂=0。

炸药用Jones-Wilkins-Lee(JWL)状态方程：

$ p = A(1 - \frac{\omega }{{{R_1}V}}){\rm{exp}}\left( { - {R_1}V} \right){\rm{ }} + B(1 - \frac{\omega }{{{R_2}V}}){\rm{exp}}\left( { - {R_2}V} \right) + \frac{{\omega e}}{V} $

(4)

式中, p为爆轰产物压力，GPa；V为炸药气体产物气体体积与炸药初始体积之比；e为单位体积炸药的内能，J·mm^-3；A, B, R₁, R₂, ω为需要标定的常数，对于TNT有ρ₀=1.63 g·cm^-3，A=371.2 GPa，B=3.23 GPa，R₁=4.15，R₂=0.95，e=6.993 J·mm^-3。

壳体材料选用冲击雨果尼奥状态方程^[10]：

$ D = a + bu $

(5)

式中, D为材料中的冲击波速度，mm·μs^-1；a，b为常数；u为质点速度，mm·μs^-1；a=2.26 mm·μs^-1，b=1.816，材料的格留乃逊系数Γ=0.75，初始密度ρ₀=1.181 g·cm^-3。

3 结果与讨论 3.1 射流的形成过程与形状

炸药起爆后，爆轰波沿着圆弧迅速向两侧传播，在t=9 μs时炸药已经爆轰反应完毕。较薄的容器壳体被迅速压碎，水在冲击波和爆轰产物的冲击和推动作用下，开始被压缩、变形。图 3是不同炸药厚度情况下水射流的形成过程，在t=30 μs时形成了两股初始水流，此时水流还比较粗，随后两股初始水流沿着中心对称面汇聚，在t=60 μs时，炸药厚度H=3 mm和4 mm的水射流汇聚还未完成，而H=6 mm和8 mm的水射流已经由两束合为一束。在t=60 μs时刻炸药爆轰产物对水的加速作用已经完成，此时水射流的平均速度保持不变。但是由于沿水流长度方向还存在着速度梯度，越靠近头部水速度越高，因此水射流被进一步拉长变得更加“锋利”。

图 4是水射流长度随时间的变化，最开始炸药没有引爆前，水为半圆形，其长度等于其半径为4 cm。由图 4可以看出, 在同一时刻炸药的厚度越厚，最后得到的水射流越长。

3.2 炸药厚度对射流速度的影响

炸药质量对射流速度有着重要影响，该装置中炸药质量与炸药厚度近似成正比。不同厚度炸药情况下，t=90 μs时刻计算得到的射流平均速度和射流头部速度见表 1。由表 1可以看出，随着炸药厚度增加，射流头部速度和平均速度也随之增加。这是由于炸药厚度越厚，单位质量水射流获得的能量越多。当炸药的厚度为4~6 mm时，射流的速度满足前文理论计算的排爆要求，即头部射流速度小于1315 m·s^-1，平均速度大于370 m·s^-1。

图 5为t=90 μs时水流速度云图，虽然头部射流速度不相同，但是射流速度都是从头部到底部逐渐减小。射流速度相差很大，头部射流速度在1000 m·s^-1左右，而底部射流速度仅为10 m·s^-1左右。

4 结论

(1) 对环形聚能装药水射流成型过程进行了数值仿真，仿真结果表明该装药结构能够按照设想形成水射流。

(2) 半圆形容器的直径确定后，影响水射流形状的主要是炸药厚度，炸药厚度越厚，水射流的形状越细长，水流的头部速度与平均速度越大。

(3) 本研究的装置结构，当炸药厚度为4~6 mm时，水射流的头部速度范围为861~1182 m·s^-1间，射流平均速度范围为393~571 m·s^-1，射流的速度满足理论计算的排爆要求。