液體的爆炸拋撒特征＊

任曉冰，李 磊，嚴(yán)曉芳，陸曉霞，王金生，王海燕

（清華大學(xué)航天航空學(xué)院，北京100190）

1 引 言

在液體爆炸拋撒特征的研究中，主要有中心裝藥起爆、容器殼體破碎和液體的噴射、分散、破碎等過程。在實(shí)驗(yàn)研究方面，1989年M.Samirant等［1］在實(shí)驗(yàn)中用閃光X 射線照相得到1張液體爆炸拋撒過程圖像，被認(rèn)為是填充液體在爆炸產(chǎn)物氣體的膨脹推動(dòng)下所形成的液體環(huán)。而R.T.Zabelka等［2］在1969年的研究中，得到另1種爆炸拋撒形態(tài)的圖像，這是由爆炸中心向四周噴射射流的流動(dòng)圖像。在理論研究方面，1990年D.R.Gardner［3］提出了徑向膨脹的薄膜線性不穩(wěn)定模型，并應(yīng)用到其計(jì)算近場(chǎng)階段的數(shù)值模擬中，即流場(chǎng)由3層流體組成，內(nèi)部為爆炸產(chǎn)物氣體，外部為空氣，中間為連續(xù)的液體環(huán)，液體的初次破碎過程是爆炸產(chǎn)物氣體推動(dòng)液體環(huán)逐漸膨脹變薄時(shí)，由液體環(huán)的內(nèi)外界面不穩(wěn)定增長(zhǎng)所導(dǎo)致。1997年薛社生［4］也認(rèn)為首先是不可壓連續(xù)液體環(huán)的膨脹加速過程，當(dāng)速度達(dá)到極限時(shí)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，給出了破裂模型。2001年丁玨［5］提出了液體瞬間破碎模型，認(rèn)為液體環(huán)在膨脹過程中會(huì)越來越薄，當(dāng)其內(nèi)聚力小于外部擾動(dòng)所施加的力時(shí)，液體環(huán)就發(fā)生破碎。李雷等［6］設(shè)計(jì)了水平約束的爆炸拋撒裝置，直接將雷管插入水中進(jìn)行爆炸拋撒，利用高速攝影儀進(jìn)行拍攝，得到了前沿針刺狀液體的變化過程；也通過激光誘導(dǎo)熒光對(duì)通過觀察窗口的液體進(jìn)行拍攝，拍攝得到的圖像顯示了拋撒過程中液體的不均勻性，但由于觀察窗口較小，距爆炸中心較遠(yuǎn)，拍攝到的圖像顯示的是殼體破碎后液體噴出一段時(shí)間后的形狀，并未得到殼體破裂時(shí)液體的拋撒形狀和整體區(qū)域內(nèi)液體的拋撒形狀。另外，由于雷管的點(diǎn)爆炸效應(yīng)，對(duì)實(shí)驗(yàn)圖像的辨認(rèn)帶來一定困難，因此未能很好地認(rèn)識(shí)液體爆炸拋撒近場(chǎng)階段的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

針對(duì)文獻(xiàn)［6］中的不足，本文中設(shè)計(jì)豎直放置的液體爆炸拋撒實(shí)驗(yàn)方案，擬通過實(shí)驗(yàn)捕捉到液體爆炸拋撒特征發(fā)展的一系列圖像，并對(duì)不同粘性液體、不同中心裝藥量等對(duì)分散的影響進(jìn)行比較。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)設(shè)備主要有爆炸容器、光源、背景板、高速攝影儀、中心裝藥、雷管和同步裝置等。爆炸容器外殼選用厚0.2mm 的透明膠片，上下蓋均為厚8mm 的鋁板。中心裝藥為純黑索金填充的導(dǎo)爆索，外接8號(hào)雷管引爆。實(shí)驗(yàn)在密閉空間內(nèi)進(jìn)行，利用同步裝置進(jìn)行起爆和記錄。利用MotionXtra HG－100K型（CMOS）高速攝像儀，通過觀察窗口進(jìn)行拍攝，記錄整個(gè)分散過程，拍攝速度為5 000、2 000s－1。

爆炸容器中的液體為水與甘油以不同的體積比組成的混合液，用來考察液體粘性對(duì)分散過程的影響。中心裝藥分別采用3、5和11g／m 的導(dǎo)爆索，用來考察不同裝藥量對(duì)分散過程的影響。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 中心裝藥量對(duì)分散過程的影響

3.1.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在此選出2組實(shí)驗(yàn)圖像進(jìn)行對(duì)比，第1組為小藥量的情形，第2組為大藥量情形。

（1）中心裝藥為3g／m 導(dǎo)爆索，殼體直徑為150mm，鋁板間距為40mm，填充液體為水，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1（a）所示。圖中3幅圖像分別為距起爆閃光2.33、4.00和30.00ms時(shí)的拋撒形態(tài)。由前2幅圖像可知液體從破碎間隙噴出后，即形成沿外緣呈現(xiàn)基本均勻分布的針刺狀形態(tài)。第3幅圖則顯示液體在前端針刺狀液體流的牽引下向四周飛散，形成沿徑向?yàn)橹鳎邢蚍较蛴纸诲e(cuò)相連的樹枝狀形態(tài)，這些液體絲在飛散過程中逐漸變細(xì)，進(jìn)而在表面張力的作用下破碎成小液滴。

（2）中心裝藥為11g／m 導(dǎo)爆索，殼體直徑為145mm，鋁板間距為30mm，填充液體為水，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1（b）所示。圖中3幅圖像分別為距起爆閃光1.6、4.0、5.0ms時(shí)的拋撒形態(tài)。由于此時(shí)導(dǎo)爆索線密度為11g／m，爆炸作用猛烈，在1.6ms時(shí)已形成前緣有細(xì)、密分布的針刺狀形態(tài)，后緣呈現(xiàn)被爆炸產(chǎn)物推動(dòng)擠壓出暗黑色分界線的環(huán)狀區(qū)。此環(huán)狀區(qū)在運(yùn)動(dòng)過程中頻繁發(fā)出亮光，且越靠近前緣發(fā)光頻率越高，亮度也越大，表明環(huán)狀區(qū)內(nèi)的液體可能已非連續(xù)態(tài)，而是液滴或蒸汽的混合體。環(huán)狀區(qū)寬度逐漸增大，內(nèi)緣半徑也迅速增大，前緣呈現(xiàn)出明顯的針刺狀形態(tài)，并逐漸破碎，中間分布著小液滴和已霧化的液體，明顯不同于如圖1（a）所示的分布。

圖1 不同的裝藥量、距起爆閃光不同時(shí)刻液體的拋撒形態(tài)Fig.1 Explosion－induced dispersal photos of liquid in the cases of different explosive quantities at the different times after explosive explosion

3.1.2 速度變化分析

為得到爆炸拋撒過程中的速度變化規(guī)律，將實(shí)驗(yàn)圖像轉(zhuǎn)化為灰度圖像，以一定的灰度閾值將圖像二值化，然后提取圖像的邊界曲線。通過對(duì)特定區(qū)域上外邊界到爆炸中心的距離進(jìn)行平均，得到平均半徑變化曲線（見圖2），然后計(jì)算出平均半徑的增長(zhǎng)速率（見圖3）。

圖2 平均半徑的變化曲線Fig.2 Variation of average radius with time

圖3 平均半徑的增長(zhǎng)速率Fig.3 Growing rate of average radius

由圖2～3可知，在爆炸拋撒過程中，主液體區(qū)的運(yùn)動(dòng)都是先加速后減速。加速是因?yàn)楸ㄗ饔昧橹鲿r(shí)的推動(dòng)所致，減速是因?yàn)楸ㄗ饔昧档?、氣?dòng)阻力為主時(shí)所致。由于第2組實(shí)驗(yàn)中的炸藥量是第1組的3倍多，所以平均半徑和速度都大于第1組的平均半徑和速度。

3.2 液體粘性對(duì)爆炸拋撒特征的影響

3.2.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了研究液體粘性對(duì)爆炸拋撒特征的影響，調(diào)整水和甘油的體積比，得到不同粘性的液體。實(shí)驗(yàn)中裝液殼體直徑均為115mm，殼體壁厚均為0.2mm，約束板間距均為30mm，導(dǎo)爆索線密度均為5g／m，共進(jìn)行了4組實(shí)驗(yàn)。

（1）液體皆為水時(shí)，爆炸拋撒過程如圖4（a）所示，拍攝時(shí)間分別距起爆閃光4、8、12ms。

（2）液體中水與甘油的體積比為5∶5時(shí)，爆炸拋撒過程如圖4（b）所示，拍攝時(shí)間分別距起爆閃光4、8、12ms。

（3）液體中水與甘油的體積比為3∶7時(shí)，爆炸拋撒過程如圖4（c）所示，拍攝時(shí)間分別距起爆閃光4、8、12ms。

（4）液體為純甘油時(shí)，其爆炸拋撒過程如圖4（d）所示，拍攝時(shí)間距起爆閃光4、8、12ms。

在圖4（a）中可以看出，雖然填充液體皆為水，但由于此時(shí)導(dǎo)爆索線密度為5g／m，大于3g／m，所以拋撒形態(tài)沒有出現(xiàn)如圖1（a）中所示的樹枝狀交叉分布，而是主液體環(huán)狀區(qū)。又因?yàn)閷?dǎo)爆索線密度小于11g／m，所以其環(huán)狀區(qū)的內(nèi)邊緣沒有出現(xiàn)如圖1（b）中所示的明顯暗黑色分界線，而是有很多針刺分布，且此環(huán)狀區(qū)內(nèi)的液滴直徑也明顯大于圖1（b）所示。

當(dāng)水與甘油的比例為3∶7時(shí)，粘性系數(shù)增大，拋撒過程起始階段，主液體環(huán)狀區(qū)的內(nèi)外邊緣均有很多針刺物，且在拋撒初期的內(nèi)邊緣與約束鋁板間有連續(xù)的絲縷狀液體存在，如圖4（b）所示。而當(dāng)水與甘油的比例為5∶5，粘性系數(shù)更大，可明顯看出主液體環(huán)狀區(qū)內(nèi)外邊緣的針刺狀液體相比于圖4（b）中更多，環(huán)狀區(qū)更寬，速度減小，拋撒初期內(nèi)邊緣與約束鋁板間的連續(xù)絲縷狀液體更多，如圖4（c）所示。

當(dāng)為純甘油時(shí)，粘性系數(shù)更大，如圖4（d）所示。可明顯看到在環(huán)狀區(qū)的前緣部分有很多均勻、細(xì)、密分布的針刺狀液體，在后緣部分也分布著細(xì)絲和針刺狀液體，在拋撒初期的內(nèi)緣與約束鋁板間連續(xù)的絲縷狀液體也更多，在環(huán)狀區(qū)內(nèi)大部分甘油沒有完全破碎成液滴，而是以大面積的液體薄膜和絲帶狀存在。在爆炸產(chǎn)物氣體的推動(dòng)下，環(huán)狀區(qū)的寬度逐漸增加，而內(nèi)緣與約束鋁板間連續(xù)的細(xì)絲狀液體也逐漸破碎成直徑較大的液滴。

圖4 不同粘性的液體的爆炸拋撒形態(tài)Fig.4 Explosion－induced dispersal photos of liquid with different viscosity at the different times after explosive explosion

經(jīng)分析，環(huán)狀液體區(qū)內(nèi)邊緣與約束鋁板間連續(xù)絲縷狀液體的成因主要是由于壁面處液體向外運(yùn)動(dòng)時(shí)受到內(nèi)壁摩擦作用，使得流速降低，進(jìn)而被拉伸成絲縷狀，如同圖1（a）中小藥量爆炸拋撒時(shí)的情形。當(dāng)粘性系數(shù)越大，摩擦作用越明顯，于是連續(xù)的絲狀液體也越多，持續(xù)的時(shí)間也越長(zhǎng)，最后在表面張力作用下破碎形成較大直徑的液滴。外緣的針刺狀液體絲則主要是殼體破裂時(shí)，液體向外噴射形成的射流。

另外在圖5中，列出了2組爆炸拋撒后附著在約束鋁板邊緣的殼體碎片情形。由此可以看出殼體在受到爆炸沖擊作用時(shí)，將沿軸向破裂成一條條的裂片，最后只有與約束鋁板粘連的部分會(huì)存留下部分長(zhǎng)條狀裂片，裂片寬度約2mm，液體首先在這些裂隙處向外噴射，形成前緣的針刺、細(xì)密狀射流。

圖5 殼體破裂后形狀Fig.5 Broken shell images

3.2.2 速度變化分析

為分析不同粘性液體的爆炸拋撒的差異，對(duì)距起爆閃光點(diǎn)3～6ms內(nèi)的爆炸拋撒圖像進(jìn)行處理，得到邊界曲線，然后對(duì)之進(jìn)行平均，得到此時(shí)間段內(nèi)平均半徑的平均增長(zhǎng)速度與混合液中水的比例的關(guān)系，如表1所示，其中β為甘油與水的體積比為平均半徑增長(zhǎng)的平均速度為平均半徑增長(zhǎng)的最大速度。

表1 不同配比液體的速度變化Table 1 Velocity variety of liquid with different volume proportion between glycerin and water

由此可知，當(dāng)液體的粘性系數(shù)增加時(shí)，不僅拋撒形態(tài)會(huì)發(fā)生變化，拋撒速度也會(huì)逐漸減小。這主要是因?yàn)殡S著粘性系數(shù)的增大，拋撒過程中液體逐漸從以小液滴為主的分散形態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐源笠旱?、液膜、液片或液體絲為主的分散形態(tài)，故所受到的空氣阻力將會(huì)增加。另外由于甘油的密度比水的密度大，同體積液體的質(zhì)量也會(huì)增加，所以也將導(dǎo)致拋撒速度逐漸減小。

4 結(jié) 論

在本文的實(shí)驗(yàn)中，中心裝藥量與拋撒液體質(zhì)量的比值，即比藥量較小，如第1組實(shí)驗(yàn)中僅為0.17×10－3，而在文獻(xiàn)［4］中FAE武器的比藥量一般都在0.01左右，需要在以后的實(shí)驗(yàn)中提高比藥量，但通過小比藥量實(shí)驗(yàn)，可以逐步掌握液體爆炸拋撒特征，揭示液體爆炸拋撒過程的一些重要現(xiàn)象，如：

（1）當(dāng)殼體破裂后，液體從裂縫處噴出，形成以針刺狀形態(tài)為前緣的主液體區(qū)，整個(gè)拋撒過程呈現(xiàn)先加速后減速的趨勢(shì)。

（2）對(duì)小藥量情況，主液體區(qū)前緣針刺狀形態(tài)逐漸分散為交叉樹枝狀形態(tài)，并在拋撒過程中充滿整個(gè)拋撒場(chǎng)，當(dāng)液體粘性增加時(shí)，分散的樹枝狀形態(tài)會(huì)趨于集中。

（3）對(duì)大藥量情況，主液體區(qū)在爆炸產(chǎn)物氣體的推動(dòng)下形成有明顯內(nèi)緣的環(huán)狀帶向外飛散。當(dāng)液體粘性系數(shù)較小時(shí)，環(huán)狀帶內(nèi)的液體直接以離散的小液滴或已霧化的狀態(tài)出現(xiàn)；當(dāng)粘性系數(shù)增大時(shí)，則以大液滴、液膜或液體絲等狀態(tài)為主的形態(tài)出現(xiàn)，且在拋撒早期，由于約束鋁板壁面的粘滯作用，環(huán)狀帶的內(nèi)緣也會(huì)出現(xiàn)針刺狀液體，甚至與鋁板相連。在拋撒過程中，主液體環(huán)狀帶并非逐漸膨脹變薄，而是被逐漸拉伸變寬、變稀疏，其間分散的液體也逐漸都破碎成小液滴。

（4）為液體爆炸拋撒過程的數(shù)學(xué)建模，提供了更符合真實(shí)情況的思路。因?yàn)樵谝后w爆炸拋撒過程中，自殼體破裂后，液體并非以連續(xù)液體環(huán)的形式出現(xiàn)，而是以離散態(tài)噴出，如交叉樹枝狀、液滴、液膜和液體絲等，所以此過程應(yīng)以多相流混合過程為主，而非以連續(xù)液體擾動(dòng)破碎或膨脹變薄破碎為主。

現(xiàn)有工作僅是對(duì)液體爆炸拋撒特征的初步認(rèn)識(shí)，仍需繼續(xù)深入研究。

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