膨脹石墨煙幕發(fā)生裝置煙流顆粒運(yùn)動規(guī)律與試驗(yàn)研究

許興春，高欣寶，李天鵬，張俊坤

（軍械工程學(xué)院，河北 石家莊，050003）

膨脹石墨煙幕發(fā)生裝置煙流顆粒運(yùn)動規(guī)律與試驗(yàn)研究

許興春，高欣寶，李天鵬，張俊坤

（軍械工程學(xué)院，河北 石家莊，050003）

針對膨脹石墨設(shè)計(jì)了一種簡易煙幕發(fā)生裝置，該裝置利用煙火藥燃燒時釋放出的熱量使可膨脹石墨膨化并分散于空中，形成膨脹石墨干擾煙幕?；谠撗b置建立了煙流顆粒（膨脹石墨顆粒）擴(kuò)散規(guī)律的理論計(jì)算模型，對煙幕發(fā)生劑反應(yīng)參數(shù)與煙流顆粒運(yùn)動規(guī)律進(jìn)行計(jì)算，得到煙流顆粒的運(yùn)動方程。同時，對該裝置進(jìn)行了試驗(yàn)研究，并通過高速攝影記錄煙流顆粒運(yùn)動規(guī)律，試驗(yàn)結(jié)果表明煙流顆粒理論運(yùn)動規(guī)律與試驗(yàn)結(jié)果相符，能夠描述煙流顆粒的運(yùn)動規(guī)律。

煙幕；膨脹石墨；煙流顆粒；運(yùn)動方程；高速攝影

膨脹石墨為疏松多孔“蠕蟲”狀物質(zhì)，其密度低，飄浮性能好。因其特殊的結(jié)構(gòu)形態(tài)和電磁特性，膨脹石墨對特定波段的電磁波具有良好的吸收效果?；谏鲜鰞?yōu)點(diǎn)，膨脹石墨在電磁干擾領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價值［1-2］。但是，膨脹石墨不易長期保存，給其應(yīng)用帶來了一定困難。文獻(xiàn)研究表明可膨脹石墨通過吸熱膨化能夠產(chǎn)生大量膨脹石墨，且膨脹倍率高，其膨脹體積能達(dá)到原始體積的數(shù)百倍［3-4］。

吳昱［5-6］、喬小晶［7］、伍仕國［8］、張倩［9］等人研究了可膨脹石墨爆炸膨化的可能性，研究表明爆炸方式能使可膨脹石墨膨化并分散，實(shí)現(xiàn)干擾功能。關(guān)華［10］、潘功配［11］研究了基于可膨脹石墨的發(fā)煙劑，結(jié)果表明可膨脹石墨是一種良好的抗紅外/毫米波發(fā)煙劑材料。

基于上述研究，本文利用煙火藥提供能量，設(shè)計(jì)了一種簡易膨脹石墨煙幕發(fā)生裝置，并重點(diǎn)對該裝置煙流顆粒擴(kuò)散規(guī)律進(jìn)行研究。

1　膨脹石墨煙幕發(fā)生裝置及模型建立

膨脹石墨煙幕發(fā)生裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示，由殼體、隔板、端帽、噴嘴組成。殼體采用不銹鋼材料，并且有足夠的強(qiáng)度，能夠保證殼體不被炸開；端帽和殼體之間采用螺紋連接且中心開孔（噴嘴）；煙幕發(fā)生劑和端帽之間有隔板，保證燃爆產(chǎn)物在殼體內(nèi)達(dá)到一定壓力時才從孔中射出；采用頂部中心點(diǎn)火方式。

圖 1　膨脹石墨煙幕發(fā)生裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1　Structure of expanded graphite smoke generator

2　煙流顆粒擴(kuò)散模型研究

2.1煙流顆粒擴(kuò)散模型建立

煙流微元從噴嘴噴出時，沿y方向初速為v0，如圖2（a）所示。由于煙流微元處在高溫、高壓狀態(tài)，會向外膨脹，具體表現(xiàn)形式為煙流顆粒的向外擴(kuò)散。首先，忽略煙流微元初速因素，只分析煙流微元的膨脹過程。由于煙流顆粒自身壓力遠(yuǎn)大于重力和空氣阻力，且該階段持續(xù)時間極短，不妨假設(shè)該膨脹過程是等熵膨脹，此階段使煙流顆粒獲得初速uα，如圖2（b）所示。那么，該問題可簡化為初速為u（u= uα+v0）的煙流顆粒在空氣阻力和重力作用下做變速運(yùn)動。

圖 2　煙流擴(kuò)散過程分析Fig.2　Analysis of expansion of smoke flow

2.2煙流顆粒擴(kuò)散模型計(jì)算

首先，分析煙流微元的膨脹過程。由于煙流顆粒向各個方向膨脹過程相同，單個煙流顆粒在一維平面等熵流動方程組［12-13］如下：

只要知道煙流微元壓力p和初始密度ρ，根據(jù)此方程組可以算得煙流顆粒在等熵膨脹過程中獲得的初速為uα，其方向?yàn)閍∈0～π，本文定義a為煙流顆粒運(yùn)動的初始角。

然后，分析煙流顆粒的自由擴(kuò)散過程。如圖3（a）所示，煙流顆粒初速為u=uα+v0，其中v0是煙流微元初速，方向始終沿y軸方向；ua是煙流顆粒在等熵膨脹過程中獲得的初速，方向a∈0～π。

圖 3　煙流顆粒動力學(xué)分析Fig.3　Force analysis of a particle in smoke flow

為計(jì)算煙流顆粒動力學(xué)參數(shù)，將ua在x、y軸方向投影，如圖3（b）所示。那么，煙流顆粒初速

u=uα+v0可表示為如下形式：

那么，煙流顆粒在x軸方向動力學(xué)方程為：

式（3）中：m為煙流顆粒質(zhì)量；vx為煙流顆粒t時刻沿x軸方向速度，cx為阻力系數(shù)，A為煙流顆粒迎風(fēng)面積。

假設(shè)cx是常數(shù)，sx是x軸向位移，方程可轉(zhuǎn)化為：

等式兩邊積分，得：

解微分方程（6）、（7）得到t時刻煙流顆粒x軸方向位移sx為：

t時刻煙流顆粒沿x軸方向速度vx為：

同理，y軸方向位移sy為：

t時刻y軸方向速度vy為：

初始參數(shù)確定：根據(jù)初始條件t=0，sx=sy=0，可得出c1=c2=1。根據(jù)文獻(xiàn)［14］，初步估算ua=20 m/s，煙流微元初速為v0=200m/s，方向沿y軸正方向。

根據(jù)公式（8）、（10）在MATLAB中編寫程序，并將初始條件代入，可得煙流顆粒在一維平面1/4象限的運(yùn)動軌跡，如圖4所示。

圖 4　煙流顆粒運(yùn)動軌跡仿真圖Fig.4　Simulation of movements of particles

3　煙流擴(kuò)散試驗(yàn)研究

3.1試驗(yàn)原理

高速攝影機(jī)可以記錄高速運(yùn)動物體的運(yùn)動軌跡，煙流擴(kuò)散規(guī)律可以通過高速攝影影像分析得到。同時，氣溶膠發(fā)生劑中均勻摻入少量鎂粉顆粒，在氣溶膠噴射擴(kuò)散時會以亮點(diǎn)形式出現(xiàn)，這樣能近似記錄煙流顆粒的運(yùn)動軌跡。試驗(yàn)原理示意圖如圖5所示，裝置采用電點(diǎn)火觸發(fā)，觸發(fā)的同時反饋階躍信號啟動高速攝影機(jī)，高速攝影機(jī)記錄氣溶膠產(chǎn)生全過程，并將影像資料儲存在計(jì)算機(jī)中。

3.2試驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)高速攝影視頻資料，截取氣溶膠煙流擴(kuò)散過程圖像，圖像截取間隔為1/400s，高速攝影機(jī)拍攝距離為5m，如圖6所示。

圖 5　試驗(yàn)原理圖Fig.5　Diagram of test principle

圖 6　不同時刻煙流擴(kuò)散狀態(tài)圖Fig.6　Diagram of particles at different time

鎂粉顆粒在氣溶膠噴射擴(kuò)散時會以亮點(diǎn)形式出現(xiàn)，如圖6中a點(diǎn)和b點(diǎn)。在高速攝影視頻中，可以觀察出a點(diǎn)飛行速度相對較慢，幾乎與煙流速度保持一致，在圖6（a）至6（d）中均有顯示；b點(diǎn)速度較快，圖6（a）中出現(xiàn)，圖6（d）中消失，b點(diǎn)為奇異點(diǎn)。圖像以原始分辨率呈現(xiàn)，通過圖像分析軟件得到a點(diǎn)分別在4組圖像中的坐標(biāo)，數(shù)值以等比轉(zhuǎn)化為實(shí)際值。根據(jù)a點(diǎn)的坐標(biāo)參數(shù)計(jì)算a-b、b-c、c-d時段平均速度，具體數(shù)值見表1。

表1　煙流顆粒實(shí)測速度Tab.1　Test velocity of smoke flow particle

a點(diǎn)速度理論計(jì)算方法：將a點(diǎn)坐標(biāo)帶入公式（8）、（10），解出時間t、α，將t、α帶入公式（9）、（11），可估算a點(diǎn)在坐標(biāo)位置的瞬時速度，然后計(jì)算a-b、b-c、c-d時段平均速度，具體數(shù)值見表2。

表2　煙流顆粒理論計(jì)算速度Tab.2　Theory velocity of smoke flow particle

通過理論計(jì)算速度和實(shí)測速度對比，某煙流顆粒的理論計(jì)算速度大于實(shí)測速度，主要原因如下：理論模型是基于理想條件建立的，煙流顆粒的實(shí)際運(yùn)動比理想狀態(tài)更復(fù)雜，干擾因素也更多；對公式（8）、（10）賦初值時，k值與ua均為估算值。

如果要進(jìn)一步提高公式（8）、（10）的準(zhǔn)確性，需改進(jìn)試驗(yàn)方法，準(zhǔn)確測得多個煙流顆粒的運(yùn)動速度，在此基礎(chǔ)上對k、ua值進(jìn)行擬合，這樣方程（8）、（10）就能更準(zhǔn)確描述煙流顆粒的運(yùn)動規(guī)律。

4　總結(jié)與展望

本文基于膨脹石墨煙幕發(fā)生裝置，對該裝置煙流顆粒運(yùn)動規(guī)律進(jìn)行了研究，給出了煙流顆粒運(yùn)動規(guī)律方程。通過試驗(yàn)研究，利用高速攝影記錄煙流顆粒擴(kuò)散規(guī)律，結(jié)果表明煙流顆粒運(yùn)動規(guī)律方程能夠描述煙流顆粒運(yùn)動規(guī)律，但理論計(jì)算速度大于實(shí)測速度。

如需進(jìn)一步提高方程的準(zhǔn)確性，需要準(zhǔn)確測得多個煙流顆粒的運(yùn)動速度，以此對方程未知參數(shù)進(jìn)行擬合，方能使方程更準(zhǔn)確描述膨脹石墨發(fā)生裝置的煙流顆粒擴(kuò)散規(guī)律。在測試煙流顆粒速度方面，由于條件限制，本文處理地比較簡單，局限性比較大。如果采用原子示蹤法測算煙幕煙流顆粒運(yùn)動軌跡［15］，則要精確得多，擬合方程的準(zhǔn)確度也更高。

［1］ 關(guān)華，潘功配，朱晨光，陳寧. 膨脹石墨與常規(guī)毫米波干擾材料性能對比［J］.彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào)，2004（4）：76-78.

［2］ 胡曉春，喬小晶，薛富民.膨脹石墨用作煙幕材料衰減毫米波性能研究［J］.宇航材料工藝，2005（5）：41-44.

［3］ 張啟彪，喬英杰，甄捷. 膨脹石墨制備及性能研究［J］. 炭素，2005（3）：18-21.

［4］ 陳志剛，張勇，楊娟，邱滔. 膨脹石墨的制備、結(jié)構(gòu)和應(yīng)用［J］.江蘇大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2005，26（3）：248-251.

［5］ 吳昱，尹喜鳳，崔建林，武湃. 可膨脹石墨在爆炸分散型發(fā)煙劑中的應(yīng)用［J］.火工品，2004（2）：27-30.

［6］ 吳昱，尹喜鳳，崔建林，等. 影響可膨脹石墨爆炸膨化的因素探討［J］.火工品，2006（5）：5-7.

［7］ 喬小晶，張同來，任慧，等. 爆炸法制備膨脹石墨及其干擾性能［J］.火炸藥學(xué)報(bào)，2003（2）：70-72.

［8］ 伍仕國. 可膨脹石墨瞬時膨化及衰減8毫米波的動態(tài)性能研究［D］. 南京：南京理工大學(xué)，2001.

［9］ 張倩，張勇，閆軍，等. 膨脹石墨用燃爆劑的配方優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.火工品，2008（5）：28-30.

［10］ 關(guān)華，潘功配，周遵寧.抗紅外-毫米波雙模發(fā)煙劑煙幕性能研究［J］. 南京理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2006（2）：89-92.

［11］ 潘功配， 關(guān)華， 朱晨光， 陳昕. 可膨脹石墨用作抗紅外/毫米波雙模發(fā)煙劑的研究［J］.含能材料，2007，15（1）：70-72.

［12］ B. F. Apostol. On a non-linear diffusion equation describing clouds and wreaths of smoke［J］. Physics Letters，1997（235）：363-366.

［13］ Rudinger.G.Fundamentals of gas-particle flow［M］. Elsevier Scientific Publishing Company， 1980.

［14］ 許興春，高欣寶，李天鵬，等. 基于量綱分析的膨脹石墨火焰流初速計(jì)算［J］.火工品，2011（3）：30-33.

［15］ 楊通在，王麗雄，姜濤，等. 鋰同位素在氣溶膠特性示蹤研究中的應(yīng)用［J］.中國科學(xué)院研究生院學(xué)報(bào)，2007（5）：597-600.

Research on Theory and Experiment of Particles Movement Regularity of Expanded Graphite Smoke Generator

XU Xing-chun，GAO Xin-bao，LI Tian-peng，ZHANG Jun-kun
（Ordnance Engineering College，Shijiazhuang，050003）

An expanded graphite smoke generator which can expand the expandable graphite， and disperse the expanded graphite into air by combustion of pyrotechnics， was designed. A mathematical model describing the particles movement regularity was proposed， and the equation of particles movement regularity was constructed by analyzing the smoke flow through nozzle. Meanwhile， the movement regularity of the smoke particles were recorded by high-speed photography. Results of experimental investigation were fitted to test results， which indicated the equation can describe the particles movement regularity.

Smoke；Expanded graphite； Particle of smoke flow；Motion equation；High-speed photography

TQ567.5

A

1003-1480（2015）02-0006-04

2014-12-18

許興春（1986-），男，在讀博士研究生，從事煙火與爆炸技術(shù)研究。