爆炸驅(qū)動(dòng)固/液介質(zhì)爆炸拋撒的實(shí)驗(yàn)研究*

蔣海燕，王樹山，魏繼鋒，饒 彬，張之暐

(1.北京理工大學(xué)爆炸科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081;2.中國(guó)兵器工業(yè)導(dǎo)航與控制技術(shù)研究所，北京 100089)

借助于爆炸驅(qū)動(dòng)作用實(shí)現(xiàn)物質(zhì)的拋撒分散，使被拋撒介質(zhì)在特定區(qū)域空間內(nèi)快速形成滿足一定條件的氣/液、氣/固或氣/固/液多相混合體，在軍事(如燃料空氣炸藥、高密度惰性金屬炸藥)和民用(如爆破除塵、滅火抑爆)等領(lǐng)域中具有廣泛的應(yīng)用背景。國(guó)內(nèi)外學(xué)者在爆炸拋撒方面開展了大量的研究[1-15]，包括針對(duì)爆炸拋撒的過(guò)程尋求合理的物理數(shù)學(xué)描述[3-7]；從拋撒整體效果(終點(diǎn)效應(yīng))出發(fā)，研究中心裝藥的裝置參數(shù)和拋撒介質(zhì)物化特性對(duì)云霧拋撒范圍的影響規(guī)律[8-11]；通過(guò)研究爆炸拋撒過(guò)程中的殼體破碎、界面演變和射流，揭示了控制固/液及其混合物拋撒分散的關(guān)鍵機(jī)制[12-15]。本文中針對(duì)固/液復(fù)合材料在勤務(wù)處理和貯存過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)固/液分層現(xiàn)象[16]，提出固/液物理分置的雙層拋撒裝置。拋撒裝藥位于拋撒裝置中心，周圍被內(nèi)外兩層固/液介質(zhì)包圍，通過(guò)中心裝藥的爆炸驅(qū)動(dòng)作用，使內(nèi)層固體粉末與外層液體混合并拋撒到一定的區(qū)域空間。借助高速運(yùn)動(dòng)分析系統(tǒng)捕捉到固體粉末和液體介質(zhì)爆炸拋撒特征的一系列圖像，分析爆炸驅(qū)動(dòng)作用下固/液界面的演變過(guò)程及初期的拋撒形態(tài)。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)在室外自由場(chǎng)進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)設(shè)備主要有拋撒裝置、背景布、高速運(yùn)動(dòng)分析系統(tǒng)、中心裝藥、雷管和同步裝置等，如圖1所示。拋撒裝置豎直懸掛于空中，其中心離地約1.2 m；高速攝影的拍攝鏡頭正對(duì)拋撒裝置的中軸，為了更清楚的觀察介質(zhì)的拋撒過(guò)程，選用藍(lán)色背景布作為襯托。

1.1 拋撒裝置設(shè)計(jì)

拋撒裝置為同心圓式的內(nèi)、外雙層結(jié)構(gòu)，如圖2所示，該結(jié)構(gòu)分為內(nèi)、外2個(gè)腔體，內(nèi)腔裝填固體粉末，外腔裝填液體。為便于觀察爆炸驅(qū)動(dòng)作用下固/液界面的演變過(guò)程，拋撒裝置的殼體采用透明的有機(jī)玻璃，內(nèi)層殼體壁厚2 mm，直徑為35 mm，外層殼體壁厚為3 mm，直徑為110 mm，上、下端蓋厚為10 mm的鋁板。

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置Fig.2 Experimental device

1.2 驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

中心裝藥采用裝填黑索金的導(dǎo)爆索，導(dǎo)爆索長(zhǎng)度與拋撒裝置高度相同，導(dǎo)爆索兩端與拋撒裝置上、下端部平齊，以盡可能保證界面運(yùn)動(dòng)的線性膨脹。為避免起爆藥量過(guò)大對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成影響，采用?2.5 mm的微型雷管起爆。

1.3 觀測(cè)系統(tǒng)

采用Photron公司的FASTCAM SA4型高速攝像儀記錄爆炸拋撒過(guò)程，拍攝頻率為104s-1，實(shí)驗(yàn)時(shí)，利用同步裝置建立起爆和觸發(fā)高速運(yùn)動(dòng)分析系統(tǒng)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 靜爆實(shí)驗(yàn)

拋撒裝置高度100 mm，導(dǎo)爆索線密度為5 g/m，實(shí)驗(yàn)中所用固體粉末為300目的鐵粉，裝填液體為水基聚乙烯醇，裝填比為0.05%，為保證數(shù)據(jù)的可靠性，共進(jìn)行3組實(shí)驗(yàn)，所有實(shí)驗(yàn)條件均相同。

采用Phantom Camera Control (PCC) Application軟件，對(duì)記錄的圖像進(jìn)行讀取，可以清晰看到拋撒裝置的破碎過(guò)程和固/液界面演變過(guò)程，以及固/液介質(zhì)拋撒形態(tài)隨時(shí)間的變化，圖3所示為爆炸拋撒過(guò)程的高速錄像分幅照片。

圖3 爆炸拋撒過(guò)程分幅照片F(xiàn)ig.3 Sequential photos of explosive dispersal process

2.2 殼體破碎

從圖3中可以看出，中心裝藥爆炸后，內(nèi)層殼體的上端部率先破碎，并向外膨脹，隨著爆轟自上向下傳播，在外層液體約束和殼體上部膨脹稀疏的共同作用下，內(nèi)層殼體的中部向外隆起，同時(shí)拋撒介質(zhì)整體向外不斷地膨脹；緊接著外層殼體出現(xiàn)裂紋，隨著時(shí)間的推移，裂紋寬度不斷增大。此外，照片清楚地顯示，殼體裂紋的產(chǎn)生和斷裂首先出現(xiàn)在軸向方向，緊接著在上、下端部和殼體中部出現(xiàn)周向斷裂，整個(gè)破碎過(guò)程呈現(xiàn)出軸向斷裂為主導(dǎo)，周向斷裂為輔的共同作用結(jié)果。出現(xiàn)這種情況的可能原因是：有機(jī)玻璃材料的脆性，局部缺陷等非均勻、非各向同性因素的影響，殼體在破碎前期，絕熱剪切導(dǎo)致的裂紋在大趨勢(shì)上軸向占主導(dǎo)，后期主要靠慣性驅(qū)動(dòng)，局部開始出現(xiàn)周向斷裂。

圖4 殼體變形示意圖Fig.4 Distortion sketch of shell

由于上、下端板較厚且連接強(qiáng)度較大，中心炸藥爆炸作用下殼體出現(xiàn)裂縫后，可將外壁看作兩端受約束力的一組板條，如圖4(a)；板條受到內(nèi)側(cè)壓力產(chǎn)生變形，殼體開始解體，在此過(guò)程中，由于有機(jī)玻璃是脆性材料，殼體膨脹半徑較小，板條首先在上、下端板處產(chǎn)生剪切斷裂，此時(shí)，殼體還未完全解體，于是在上下端板處出現(xiàn)了泄爆，導(dǎo)致板條兩端壓力大于中部，如圖4(b)，此時(shí)殼體產(chǎn)生周向斷裂。

2.3 運(yùn)動(dòng)特征

2.3.1 固/液界面演變與介質(zhì)拋撒形態(tài)特征

從高速錄像可知，爆炸拋撒初期，雷管起爆點(diǎn)火，中心裝藥開始沿拋撒裝置軸向產(chǎn)生滑移爆轟，固體粉末在爆轟產(chǎn)物的高壓作用下向外運(yùn)動(dòng)，固/液界面上端部(靠近起爆點(diǎn))迅速向外彎折，中部出現(xiàn)鼓脹，如圖3中t=0.1 ms時(shí)所示；t=0.2～0.4 ms時(shí)，隨著爆轟產(chǎn)物的膨脹，固/液界面進(jìn)一步向外運(yùn)動(dòng)，液體層逐漸變窄，在這個(gè)過(guò)程中內(nèi)層殼體還未完全解體，內(nèi)層固體粉末與外層液體有部分接觸，二者所形成的固/液界面光滑且清晰可見(jiàn)；t=0.5 ms時(shí)，內(nèi)層殼體完全解體，內(nèi)層固體粉末與外層液體大面積接觸，在爆轟產(chǎn)物作用下，固/液界面失穩(wěn)，變得模糊，難以辨識(shí)，固體粉末和液體介質(zhì)之間交界面的不穩(wěn)定性是否主要為Richtmyer-Meshkov(R-M)不穩(wěn)定性，由于實(shí)驗(yàn)觀測(cè)手段的限制，不能給出明確的判斷，有待進(jìn)一步研究。

當(dāng)t=1.0 ms時(shí)，外層殼體上側(cè)裂開，在沖擊波和稀疏波的共同作用下，介質(zhì)由外及里被加速，部分液體從殼體上側(cè)噴出；到t=3.0 ms時(shí)，由于外層殼體完全解體，對(duì)拋撒介質(zhì)的約束消失，固/液介質(zhì)整體呈倒圓臺(tái)形向外運(yùn)動(dòng)；當(dāng)t=4.0 ms時(shí)，隨著固/液介質(zhì)進(jìn)一步向外運(yùn)動(dòng)，由于前驅(qū)液體速度較大，液體層被拉寬，液體形態(tài)變得復(fù)雜，有的以液體塊的形態(tài)存在，有的以液體絲的形態(tài)存在。在實(shí)驗(yàn)所觀察的5.0 ms時(shí)間范圍內(nèi)，始終能清楚的看到固體粉末與液體介質(zhì)存在分層，這說(shuō)明固/液介質(zhì)在拋撒初期未能完全混合，需要擴(kuò)大高速攝影視場(chǎng)，以便對(duì)爆炸驅(qū)動(dòng)固/液介質(zhì)拋撒混合的全過(guò)程進(jìn)行觀察。

此外，從實(shí)驗(yàn)拍攝的錄像來(lái)看，當(dāng)t=0.4 ms時(shí)，拋撒裝置的上下端部發(fā)生泄爆，有少量液體開始從上下端部噴出，這是由于有機(jī)玻璃殼體的脆性，殼體膨脹很小，導(dǎo)致殼體軸向裂縫還未完全發(fā)展，上、下端蓋連接處就已達(dá)到斷裂極限。

2.3.2 固/液介質(zhì)拋撒半徑和速度變化分析

沿拋撒裝置軸線方向從上到下依次選取5個(gè)截面，至起爆端的軸向距離分別為0、20、40、60和80 mm，滑移爆轟波依次通過(guò)這5個(gè)截面，根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的爆炸作用驅(qū)動(dòng)固/液介質(zhì)運(yùn)動(dòng)的分幅照片，采用圖像處理軟件進(jìn)行判讀，得到離起爆端不同距離處，介質(zhì)運(yùn)動(dòng)的位移-時(shí)間曲線和速度-時(shí)間曲線，如圖5～6所示。

圖5 云團(tuán)半徑變化曲線Fig.5 Cloud radius varied with time

圖6 速度變化運(yùn)動(dòng)曲線Fig.6 Velocities varied with time

由圖5～6可知，在爆炸拋撒過(guò)程中，介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)都是先加速后減速。從圖6可以看出，不同截面上拋撒介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)速度隨截面到起爆端軸向距離的增大而減小，離起爆端距離越遠(yuǎn)，該截面上拋撒介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)速度越??；且離起爆端越遠(yuǎn)，該截面上拋撒介質(zhì)初始加速越小，達(dá)到最大速度所需的加速時(shí)間越長(zhǎng)。不同距離截面處，拋撒介質(zhì)運(yùn)動(dòng)達(dá)到最大速度時(shí)所對(duì)應(yīng)的相關(guān)參數(shù)如表1所示，其中y′表示截面到起爆端的軸向距離，vmax表示相應(yīng)截面上拋撒介質(zhì)運(yùn)動(dòng)的最大速度，Rv表示達(dá)到最大速度時(shí)拋撒介質(zhì)的半徑，tv表示達(dá)到最大速度所用時(shí)間。

在爆炸拋撒過(guò)程中，作用于拋撒介質(zhì)上的力主要為爆炸驅(qū)動(dòng)力和氣動(dòng)阻力，兩者作用的大小將直接反映在介質(zhì)的拋撒速度上。中心裝藥起爆后，在理想條件下，爆轟波將沿著中心管壁面滑移前進(jìn)，呈現(xiàn)出滑移爆轟的形態(tài)。若忽略拋撒介質(zhì)的軸向運(yùn)動(dòng)，該滑移爆轟可近似為二維爆轟。首先設(shè)想殼體沒(méi)有膨脹和破碎，按一維爆轟計(jì)算出爆轟計(jì)算出爆轟波后面的流場(chǎng)中的壓力和速度，然后利用賴埃脫黑爾(Lighthill)的“活塞理論”來(lái)描述拋撒介質(zhì)向外運(yùn)動(dòng)對(duì)爆轟產(chǎn)物的稀

表1 不同截面上拋撒介質(zhì)運(yùn)動(dòng)參數(shù)Table 1 Parameters of motion on different sections

圖7 介質(zhì)爆炸拋撒示意圖Fig.7 Schematic diagram of medium explosive dispersal

疏作用，可以得到一個(gè)二維近似模型[17]。

將坐標(biāo)原點(diǎn)置于爆轟波陣面o-o′上，如圖7所示。假設(shè)拋撒介質(zhì)沒(méi)有向外運(yùn)動(dòng)，得到爆轟產(chǎn)物的壓力為：

(1)

式中：p1為不考慮拋撒介質(zhì)向外運(yùn)動(dòng)時(shí)，爆轟產(chǎn)物中y截面處的壓力，y′為y截面到起爆端的軸向距離，γ為質(zhì)量熱容比，pH為爆壓。

隨著拋撒介質(zhì)向外運(yùn)動(dòng)，在y處，介質(zhì)內(nèi)壁相對(duì)于y軸傾斜了α角，使爆轟產(chǎn)物產(chǎn)生了稀疏，爆轟產(chǎn)物的壓力變?yōu)?/p>

(2)

式(2)中方括弧中最后一項(xiàng)代表引爆端稀疏的影響。隨著滑移爆轟向前傳播，端部稀疏對(duì)爆轟產(chǎn)物壓力的影響遠(yuǎn)小于介質(zhì)向外運(yùn)動(dòng)造成的稀疏影響，若忽略引爆端稀疏的影響，爆轟產(chǎn)物壓力就成為：

(3)

由式(3)可知，由于殼體破裂產(chǎn)生稀疏波對(duì)爆轟壓力產(chǎn)生的影響，隨著爆轟波向前傳播，偏折角α越來(lái)越大，爆轟產(chǎn)物的壓力p1會(huì)越來(lái)越小，因而隨著離起爆端距離的增大，拋撒介質(zhì)的速度逐漸減??；此外，由于起爆端在拋撒裝置的上側(cè)，爆轟傳播存在時(shí)間延遲，上側(cè)介質(zhì)先于下側(cè)介質(zhì)被加速向外運(yùn)動(dòng)，綜合以上2個(gè)因素，使得固/液介質(zhì)的拋撒形狀呈現(xiàn)倒圓臺(tái)形。

3 結(jié) 論

設(shè)計(jì)透明雙層殼體結(jié)構(gòu)，通過(guò)高速運(yùn)動(dòng)分析系統(tǒng)能夠清楚的觀測(cè)到爆炸驅(qū)動(dòng)固/液界面初期失穩(wěn)、殼體破碎以及拋撒介質(zhì)運(yùn)動(dòng)的過(guò)程，為進(jìn)一步研究爆炸驅(qū)動(dòng)固、液介質(zhì)拋撒混合機(jī)理奠定基礎(chǔ)。

導(dǎo)爆索驅(qū)動(dòng)下呈現(xiàn)滑移爆轟驅(qū)力特征，整個(gè)介質(zhì)的拋撒形狀呈倒圓臺(tái)形，在實(shí)驗(yàn)所能觀察到的時(shí)間范圍內(nèi)，不同截面上拋撒介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)速度隨截面到起爆端軸向距離的增大而減小，而拋撒介質(zhì)達(dá)到最大速度所用時(shí)間則隨截面到起爆端軸向距離的增大而增大，即最上側(cè)介質(zhì)運(yùn)動(dòng)速度大，且達(dá)到最大速度所用時(shí)間短。

[1] Frost D L, Ornthanalai C, Zarei Z, et al.Particle momentum effects from the detonation of heterogeneous explosives[J].Journal of Applied Physics, 2007,113529:1-14.

[2] 龍新平,韓勇,蔣治海,等.炸藥驅(qū)動(dòng)水的初期過(guò)程[J].爆炸與沖擊,2010,30(1):12-16.Long Xin-ping, Han Yong, Jiang Zhi-hai, et al.Measurement and numerical of initial stage about detonation products driving water[J].Explosion and Shock Waves, 2010,30(1):12-16.

[3] Donahue L, Ripley R C, Horie Y, et al.Cylindrical explosive dispersal of metal particles[C]∥The 15th APS Topical Conference on Shock Compression of Condensed Matter.2007.

[4] Yue Ling.Modeling and simulation of particle dispersal by shock and detonation waves[D].University of Florida, 2010.

[5] 羅艾民,張奇,李建平,等.爆炸驅(qū)動(dòng)作用下固體燃料分散過(guò)程的計(jì)算分析[J].北京理工大學(xué)學(xué)報(bào), 2005,25(2):103-107.Luo Ai-min, Zhang Qi, Li Jian-ping, et al.Computational analysis of dispersion process of explosively driven solid fuel[J].Transactions of Beijing Institute of Technology, 2005,25(2):103-107.

[6] 郭學(xué)永,惠君明,解立峰.燃料爆炸拋撒過(guò)程的實(shí)驗(yàn)研究[J].高壓物理學(xué)報(bào),2005,19(2):120-126.Guo Xue-yong, Hui Jun-ming, Xie Li-feng.Experimental study on the process of fuel explosive dispersion[J].Chinese Journal of High Pressure Physics, 2005,19(2):120-126.

[7] 鄭波,陳力,丁雁生,等.溫壓炸藥爆炸拋撒的運(yùn)動(dòng)規(guī)律[J].爆炸與沖擊,2008,28(5):433-437.Zheng Bo, Chen Li, Ding Yan-sheng, et al.Dispersal process of explosion production of thermobaric explosive[J].Explosion and Shock Waves, 2008,28(5):433-437.

[8] Zhang F, Frost D L, Thibault P A, et al.Explosive dispersal of solid particles[J].Shock Waves, 2001,10(6):431-443.

[9] 任曉冰,李磊,嚴(yán)曉芳,等.液體的爆炸拋撒特征[J].爆炸與沖擊,2010,30(5):487-492.Ren Xiao-bing, Li Lei, Yan Xiao-fang, et al.Dispersion characters of liquid induced by explosion[J].Explosion and Shock Waves, 2010,30(5):487-492.

[10] 張奇,覃彬,白春華,等.中心裝藥對(duì)FAE燃料成霧特性影響的試驗(yàn)分析[J].含能材料,2007,15(5):447-450.Zhang Qi, Qin Bin, Bai Chun-hua, et al.Effect of total energy of center explosive charge on fuel dispersal characteristic feature[J].Chinese Journal of Energetic Materials, 2007,15(5):447-450.

[11] 白春華,陳亞紅,李建平,等.爆炸拋撒金屬顆粒群的裝藥方式[J].爆炸與沖擊,2010,30(6):652-657.Bai Chun-hua, Chen Ya-hong, Li Jian-ping, et al.Charge forms for explosion dispersal of metal particles[J].Explosion and Shock Waves, 2010,30(6):652-657.

[12] Grégoire Y, Frost D L, Petel O.Development of instabilities in explosively dispersed particles[C]∥The 17th Biennial International Conference of the APS Topical Group on Shock Compression of Condensed Matter, 2011.

[13] David L F, Grégoire Y, Petel O, et al.Particle jet formation during explosive dispersal of solid particles[J].Physics of Fluids 2012,24(9):091109.

[14] Milne A M, Parrish C, Worland I.Dynamic fragmentation of blast mitigants[J].Shock Waves, 2010(20): 41-51.

[15] Ripley R C, Donahue L, Zhang F.Jetting Instabilities of Particles From Explosive Dispersal[C]∥The 17th Biennial International Conference of the APS Topical Group on Shock Compression of Condensed Matter.2011.

[16] 張奇,閆華,白春華.固液混合燃料物理穩(wěn)定性分析[J].火炸藥學(xué)報(bào),2003,24(4):47-50.Zhang Qi, Yan Hua, Bai Chun-hua.Analysis on the physical stability of the solid-liquid mixed fuel[J].Chinese Journal of Explosives & Propellants, 2003,24(4):47-50.

[17] 邵丙璜,張凱.爆炸焊接原理及其工程應(yīng)用[M].大連:大連工學(xué)院出版社,1987:153-157.