爆炸拋撒過程中FAE云霧的運動特性

方 偉, 趙省向, 李文祥, 賈憲振, 姚李娜

(西安近代化學研究所, 陜西 西安 710065)

1 引 言

燃料的爆炸拋撒是形成燃料空氣炸藥(FAE)的主要方式[1],FAE的爆轟性能在宏觀上受到云霧形狀和尺寸的影響,在微觀上受到燃料粒度大小和空間分布的影響,而這些影響因素很大程度上決定于燃料的拋撒過程。

爆炸拋撒形成FAE云霧是一個相當復雜的過程,目前,FAE燃料爆炸拋撒的研究主要以試驗為主。李席[2]利用高速攝影技術研究了燃料種類和比藥量對液固FAE云霧狀態(tài)的影響，利用同樣的技術,張奇[3]研究了比藥量與云霧尺寸之間的對應關系,蔣治海[4]研究了不同厚度殼體的破裂過程。同時,通過相關測試技術,拋撒顆粒粒度和動能特征也得到了廣泛研究[5-8]。此外,仿真計算技術在近年來也逐步開始應用于爆炸拋撒的研究[9-10]。分析已有文獻結果發(fā)現(xiàn),對FAE燃料爆炸拋撒全過程及不同階段云霧發(fā)展變化規(guī)律的研究比較缺乏。為此,本研究利用外場實驗與仿真計算相結合的方法,針對新型FAE燃料體系,對燃料爆炸拋撒全過程和各階段燃料運動特征進行描述分析,并結合濃度測試,揭示云霧內部燃料的分布特征。

2 實驗部分

2.1 試驗裝置及測試條件

FAE燃料的拋撒試驗在野外靶場進行,拋撒裝置結構示意圖如圖1所示。中心拋撒裝置殼體為圓柱形,圓柱尺寸為Ф195 mm×205 mm; 圓柱中心軸向設置中心管用于固定中心拋撒藥柱,中心管直徑為26 mm; 中心管與圓柱殼體之間的空間用于裝填FAE燃料,殼體采用聚氯乙烯(PVC)材料制成。選用TNT作為拋撒藥,藥柱尺寸為Ф25 mm×175 mm,密度為1.56 g·cm-3,比藥量為3.5%左右。

圖1 FAE爆炸拋撒裝置

1—雷管, 2—起爆藥柱, 3—殼體, 4—拋撒裝藥, 5—FAE燃料, 6—殼底

Fig.1 FAE explosion dispersal device

1—detonator, 2—initiating explosive grain, 3—shell, 4—dispersal charge, 5—FAE fuel, 6—shell bottom

采用高速攝影記錄燃料拋撒過程,拍攝速率為3800幀/s,像素為1024×624。裝填完畢的拋撒裝置水平放置于高2m的木支架上,以拋撒裝置所在位置為中心,在兩邊同一直線上,距爆心距離為2 m和4 m處,分別設置2個高3 m的標桿,以便于估測拋撒云團尺寸, 高速攝影裝置距爆心50 m,與拋撒裝置同高,兩者中心連線與標桿所在平面垂直。

2.2 FAE燃料的選擇

為了盡量減少影響因素,試驗采用同種體系的燃料,主要組分包括烴、硝酸酯、鋁粉以及添加劑。通過變化液體組分比例和添加鋁粉來調節(jié)FAE燃料的密度,試驗對象分為液體型和液固復合型兩類,對應的裝藥密度和裝藥質量見表1(每發(fā)裝藥體積基本保持一致)。

表1 燃料密度和裝藥質量

Table 1 Density and charge mass of fuel

typesoffuelNo．density/g·cm-3massofcharge/gliquid1#0．8639332#0．8940703#1．024665liquid/solidmixture4#1．1050265#1．2054806#1．305935

2.3 云霧濃度測量

采用波長為630 nm的激光照射燃料拋撒云團,并對透過云團的激光強度進行探測,通過比較光能量的衰減情況來實現(xiàn)云團內顆粒平均濃度的測量。濃度測量系統(tǒng)主要由激光發(fā)射器、發(fā)射光學系統(tǒng)、接收光學系統(tǒng)、激光接收器、信號處理電路、多通道高速數(shù)據(jù)記錄儀、系統(tǒng)軟件等組成,構成示意圖如圖2所示。

圖2 濃度測量系統(tǒng)構成示意圖

Fig.2 Schematic diagram of concentration test system structure

3 結果與討論

3.1 FAE燃料爆炸拋撒過程及分析

圖3為1#～6#燃料拋撒過程的高速攝影照片,其主要拋撒現(xiàn)象為: 0.26 ms時,拋撒裝藥的爆轟產物突破周圍包裹的燃料而發(fā)出亮光; 1 ms時,燃料呈圓環(huán)狀將大部分爆轟產物包裹在軸向中心位置,燃料環(huán)沿徑向快速擴展; 5 ms時,燃料環(huán)表面密布針狀燃料射流; 10 ms時,1#、2#、3#燃料射流明顯減少,而4#、5#、6#燃料射流仍清晰可見,通過觀察對比該時刻的拋撒照片,可發(fā)現(xiàn)射流運動持續(xù)時間隨燃料密度增大而變長的趨勢; 40ms時,射流已完全消失,燃料完全與空氣混合形成云霧。此外,燃料環(huán)上部射流指向為斜上方而非水平方向,這是由于TNT拋撒藥從上端起爆,下部燃料受到的壓力高于上端,并且支架平面對爆轟波具有一定的反射作用的結果。

對試驗現(xiàn)象進行分析認為,燃料在爆炸拋撒條件下的運動主要包括以下過程: TNT爆轟產物氣體作用于燃料形成沖擊波,沖擊波壓力迅速傳遞到拋撒裝置殼體并使之破裂,燃料隨即從裂縫中噴出形成射流,燃料射流由于受到界面不穩(wěn)定性的影響失去穩(wěn)定產生紊動,在隨后的運動中,氣液固界面不穩(wěn)定性得到充分發(fā)展,燃料破碎成顆粒群,最終形成燃料空氣混合云霧。通過上述分析可知,燃料在形成云霧之前,其運動主要以射流為主,云霧形成后,燃料的運動主要為擴散運動。

3.2 拋撒云霧運動特性

對拋撒過程的高速攝影照片進行處理,得到不同燃料云霧直徑隨時間的變化曲線,如圖4所示。從圖4中可以看出,各燃料云霧直徑在前40 ms增長較快,隨著時間的延長,云霧直徑的增長速率逐漸減小。燃料拋撒時先受到爆炸驅動力的作用,隨著云霧的擴展,爆炸驅動力逐漸減弱,氣動阻力的影響相對增強,燃料云霧的直徑增長速率出現(xiàn)由快到慢的變化過程。從圖4還可以看到1#、2#燃料云霧直徑變化曲線基本重合,這是由于1#和2#燃料密度(0.86 g·cm-3和0.89 g·cm-3)相差較小,物理性能也基本相同,相同拋撒條件下的云霧尺寸差別很小。對比3#～6#直徑變化曲線可以看出,相同時刻,燃料密度越大,拋撒云霧直徑也越大。

為了進一步分析液體和液固復合型燃料拋撒運動的差異,將2#和6#燃料拋撒結果進行比較。從圖5看出,拋撒后10 ms左右的時間內,2#燃料的直徑大于6#燃料,之后,6#燃料的直徑超過2#。通過比較燃料運動速度能更直觀的解釋這兩種燃料拋撒尺寸變化的差異,因此對圖5中的曲線求導,得到2#和6#燃料邊界運動速度變化曲線,如圖6所示。從圖6中看出,在測量時間范圍內,2#和6#燃料邊界的運動速度均持續(xù)降低,10 ms之前,兩種燃料均大致處于勻減速狀態(tài),其中2#燃料速度降低的更快,10～20 ms,燃料的減速運動狀態(tài)發(fā)生了擾動,20 ms以后,燃料邊界速度漸趨平穩(wěn)。

圖3 燃料拋撒過程高速攝影照片

Fig.3 High-speed photographs of fuel dispersion process

圖4 FAE燃料云霧擴展直徑與時間關系

Fig.4 Variation in FAE fuel cloud expanding diameters with time

圖5 2#和6#燃料云霧擴展直徑與時間關系

Fig.5 Variation in 2#and 6#FAE fuel cloud expanding diameters with time

分析認為,燃料受拋撒裝藥爆轟產物驅動速度很快達到最大值,然后,在氣動阻力作用下,燃料射流作為整體速度不斷降低,拋撒后10 ms左右,燃料射流在界面不穩(wěn)定性影響下開始破碎成大小不一顆粒,燃料整體性遭到破壞,由于大小不同的燃料顆粒受到的阻力不同,界面處燃料顆粒的運動速度變化出現(xiàn)差異(圖6中燃料速度的擾動就發(fā)生在該階段),隨著時間的發(fā)展,燃料射流完全破碎成顆粒并形成緩慢擴散的燃料云霧。通過上述分析可得到的結論是: 燃料射流破碎速度越慢,持續(xù)時間越長,越有利于拋撒云霧直徑的擴展。基于該結論,密度較大的燃料受到氣動阻力的影響較小,導致破碎成燃料顆粒的速度更慢,射流持續(xù)時間更長,所以具有更大的拋撒云霧直徑。

圖6 2#和6#FAE燃料邊界運動速度與時間關系

Fig.6 Variation in boundary movement velocity of 2#and 6#FAE fuel with time

3.3 燃料運動速度計算

由上節(jié)分析可知,燃料在拋撒裝藥爆轟產物驅動下,運動速度很快達到最大值,由于時間尺度太小,高速攝影無法觀測到燃料的加速過程,為此,采用AUTODYN程序[11]對6#燃料爆炸拋撒過程進行數(shù)值模擬,得到了特定位置處燃料質點A(A點位于燃料圓柱外表面中心點處)的速度變化情況。計算模型(圖7)包含三種材料: 炸藥、燃料和空氣。

圖7 燃料拋撒模型

Fig.7 Dispersion model of fuel

TNT炸藥爆轟產物的狀態(tài)方程采用JWL方程[11]:

(1)

式中,p為壓力,Pa;e0為初始比內能,J·m-3或Pa;v為相對比容,無量綱量;A,B,R1,R2和ω均為JWL狀態(tài)方程參數(shù),A=3.712×1011Pa,B=0.0323×1011Pa,R1=4.15,R2=0.95和ω=0.4。

燃料的狀態(tài)方程采用Mie-Gruneisen方程,該方程可以模擬燃料在爆炸波高壓驅動作用下的燃料狀態(tài),在AUTODYN中該方程的形式為[11]:

p=pH+Γρ(e-eH)

(2)

式中,p為壓力,Pa;pH為沖擊Hugoniot壓力,Pa;Γ為Gruneisen系數(shù);ρ為密度,kg·m-3;e為單位質量內能,J·kg-1,eH為單位質量參考內能,J·kg-1。計算時認為Γρ=Γ0ρ0=constant,并且:

(3)

(4)

式(3)和(4)中μ為壓縮比,μ=ρ/ρ0-1,c0和s分別為Hugoniot沖擊關系式中的常數(shù),即:

us=c0+sup

(5)

式中,us和up分別為沖擊波速度和質點速度,二者的單位均為m·s-1,c0=1560 m·s-1,s=1.72。

空氣的狀態(tài)方程采用理想氣體狀態(tài)方程[11]:

p=(γ-1)ρe0

(6)

式中,p為壓力,Pa,γ為絕熱指數(shù),空氣γ=1.4,ρ為密度,kg·m-3,e0為初始比內能,J·m-3或Pa。

圖8為燃料質點A的速度變化計算結果。從圖8中可以看出,拋撒裝藥起爆后沖擊波通過燃料傳播到A點經歷了34.6 μs,在34.6～54.8 μs,A點受到爆炸沖擊波的直接作用,速度從0迅速增大到377 m·s-1,之后,沖擊波對A點的驅動作用持續(xù)減弱,氣動阻力的作用相對增大,A點速度開始緩慢降低。

圖8A點運動速度計算結果

Fig.8 Calculated results of movement velocity of pointA

3.4 云霧濃度測量結果及分析

激光強度衰減程度與云霧顆粒濃度有直接關系,光強衰減程度的測量結果能間接反映云霧濃度的大小,因此需要確定光強衰減程度與云霧濃度之間的關系。首先,定義透過云霧的激光強度的衰減程度為云霧相對濃度(c)表達式為:

(7)

式中,I0為入射光強,I為出射光強,單位均為W·cm-2。I和I0的關系為:

(8)

式(8)中,K為消光系數(shù)，m-1;λ為光源波長,m;m為折射率,d顆粒粒徑,m;L為待測粉塵區(qū)厚度,m;NV為云霧濃度,表示每平方米云霧中包含的粒子個數(shù)。由式(7)和(8)得到云霧濃度與相對濃度關系式為:

(9)

由(9)式可知,云霧濃度NV隨著相對濃度c的變化而單調變化,表明通過相對濃度的測量能夠反映真實云霧濃度的變化趨勢。

圖9為6#燃料距爆心2.5 m處的云霧相對濃度變化曲線。之所以將探測點定在2.5 m處是因為通過試驗發(fā)現(xiàn),該位置既避開了中心空洞薄弱區(qū),又具有較長的數(shù)據(jù)采集時間。從圖9中可知,拋撒開始10.78 ms后燃料到達濃度探測點,10.78～27.66 ms,相對濃度值在18.75%～96.08%范圍內出現(xiàn)了劇烈的高低震蕩變化,27.66 ms之后,相對濃度變化幅度放緩,濃度值變化范圍(57.07%～100%)減小。

圖9 距離拋撒中心2.5 m處云霧相對濃度變化

Fig.9 Variation in cloud relative concentration at 2.5 m from the center

濃度測量結果表明,燃料云霧內部顆粒的空間分布具有非均勻性的特點,并且隨著時間的發(fā)展,濃度變化越來越小,粒子空間分布的非均勻性逐漸降低。說明適當?shù)匮娱L拋撒時間,可以改善云霧濃度的均勻性。

4 結 論

(1)在爆炸拋撒形成云霧之前,燃料的運動形式主要以射流為主,其最高運動速度(以6#燃料為例)的計算結果為377 m·s-1,射流運動持續(xù)10 ms左右,并且射流運動時間隨燃料密度增大而變長; 射流受界面不穩(wěn)定性影響破碎成燃料顆粒,在空氣中進行擴散運動而形成燃料空氣炸藥云霧。

(2)密度越大的燃料其射流受到氣動阻力的影響較小,射流運動持續(xù)時間更長,形成燃料空氣炸藥云霧后,在相同時刻具有更大的云霧直徑。

(3)云霧內部燃料粒子的空間分布具有非均勻的特點,并且燃料濃度變化的幅度隨時間的延長而減小,表明燃料粒子空間分布的均勻性可通過延長云霧的擴散運動時間而得到改善。

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