一種溫壓內(nèi)爆炸準(zhǔn)靜態(tài)壓力測量方法研究*

李芝絨，翟紅波，閆瀟敏，袁建飛

（西安近代化學(xué)研究所，西安710065）

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一種溫壓內(nèi)爆炸準(zhǔn)靜態(tài)壓力測量方法研究*

李芝絨*，翟紅波，閆瀟敏，袁建飛

（西安近代化學(xué)研究所，西安710065）

摘要：針對有限空間溫壓爆炸準(zhǔn)靜態(tài)壓力準(zhǔn)確測量問題，依據(jù)傳壓管道濾波效應(yīng)特性，設(shè)計了一種準(zhǔn)靜態(tài)壓力測量組件，建立了溫壓內(nèi)爆炸準(zhǔn)靜態(tài)壓力測量方法。采用圓柱桿上的螺旋形凹槽結(jié)構(gòu)，與內(nèi)管壁組成了微型傳壓管道，與壓阻型壓力傳感器配合，形成一種準(zhǔn)靜態(tài)壓力測量組件，抑制了爆炸壓力波中高頻沖擊波分量的傳播，減小了爆炸光、熱對壓力傳感器性能的影響。在激波管和準(zhǔn)靜態(tài)壓力校準(zhǔn)裝置上，分別測量了壓力組件的輸出信號，得到測量組件的升壓時間小于0.24 ms，測量誤差小于0.6%，滿足內(nèi)爆炸場準(zhǔn)靜態(tài)壓力的測試需求。目前，該測量方法已用于溫壓炸藥內(nèi)爆炸效應(yīng)試實驗中，為溫壓炸藥爆炸釋能評估提供了測試基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：爆炸力學(xué)；準(zhǔn)靜態(tài)壓力；管道效應(yīng)；頻響；測量誤差

準(zhǔn)靜態(tài)壓力是溫壓彈藥內(nèi)爆炸效應(yīng)的表征參量之一，是反映溫壓炸藥爆轟和后燃燒過程能量釋放特性的重要表征參量［1］。在溫壓彈藥爆炸效應(yīng)評價時，準(zhǔn)確測量有限空間內(nèi)溫壓爆炸的準(zhǔn)靜態(tài)壓力，成為溫壓炸藥釋能評價的關(guān)鍵技術(shù)之一。

溫壓炸藥的爆炸經(jīng)歷了由爆轟到后燃燒兩個緊密連接的釋能過程［2］，在有限空間內(nèi)對外輸出如圖1所示的壓力-時間曲線，其中陡峭升壓階段是爆炸沖擊波作用階段，沖擊波升壓時間短，壓力峰值大；隨后壓力快速衰減，然后又緩慢上升，逐漸達(dá)到平衡狀態(tài)，這一階段是準(zhǔn)靜態(tài)壓力的形成過程，爆轟產(chǎn)物與周圍環(huán)境中的氧氣混合燃燒，釋放大量熱量，在有限空間形成熱壓效應(yīng)。

圖1　有限空間內(nèi)爆炸壓力-時間曲線

從圖1的壓力曲線可以看出，準(zhǔn)靜態(tài)壓力峰值大約是沖擊波壓力峰值的幾分之一，持續(xù)時間較長。要準(zhǔn)確測量溫壓內(nèi)爆炸形成的準(zhǔn)靜態(tài)壓力，測量傳感器除了具有良好的低頻響特性外，還需要在初始瞬態(tài)沖擊波壓力作用下不被損壞，即壓力傳感器具有抗高過載低量程的功能。目前市場上未見到具有這種性能的壓力傳感器。

西北核技術(shù)研究所王等旺等，在有限空間內(nèi)溫壓爆炸準(zhǔn)靜態(tài)壓力的測試技術(shù)研究［3］中，采用壓力傳感器的凹陷安裝方式，測量了有限空間內(nèi)的準(zhǔn)靜態(tài)壓力。這種測量方法的缺點是凹槽深度淺，對爆炸高頻沖擊波壓力信號的濾波不顯著，且選用了大量程壓力傳感器測量小幅值的準(zhǔn)靜態(tài)壓力，測量誤差較大；另一方面，由于壓阻型壓力傳感器的敏感材料硅對熱［4］、光敏感［5］，在溫壓爆炸場產(chǎn)生的熱、光效應(yīng)作用下，輸出的干擾信號，也會給測量結(jié)果帶來較大的測量誤差［6］。

本文依據(jù)有限空間溫壓內(nèi)爆炸準(zhǔn)靜態(tài)壓力測量需求，設(shè)計了一種準(zhǔn)靜態(tài)壓力測量組件，實現(xiàn)了準(zhǔn)靜態(tài)壓力的準(zhǔn)確測量。

1　準(zhǔn)靜態(tài)壓力測量組件設(shè)計

1.1傳壓管的頻響特性分析

在動態(tài)壓力測試中，有時需要通過傳壓管道結(jié)構(gòu)，傳遞被測壓力，實現(xiàn)動態(tài)壓力的測量。圖2是傳壓管道結(jié)構(gòu)簡化圖。

圖2　傳壓管道結(jié)構(gòu)示意圖

由圖2可知，傳壓管道是由傳壓管和空腔組成，在空腔的另一端安裝測量壓力傳感器［7］。d為傳壓管道直徑，l為傳壓管長度，V為傳壓管體積；傳感器敏感面前端空腔體積為V0。被測壓力Pi，通過傳壓管道、空腔，傳遞到壓力傳感器敏感面的壓力為P。假設(shè)管道內(nèi)壓力是不可壓縮流體，氣體在管道內(nèi)流動是層流，按照牛頓第二定律，管道內(nèi)流體的運動微分方程［8］為：

則，傳壓管道系統(tǒng)的一階諧振頻率為：

式中，c為空氣中的聲速，s為管道截面積。

從式（2）可以看出，傳壓管道的頻響特性與聲速、傳壓管的長度、傳壓管和空腔的體積比相關(guān)，當(dāng)傳壓管的長度越長，傳壓管與空腔體積比越小，管道系統(tǒng)的頻響特性越差，對被測壓力信號中的高頻分量產(chǎn)生濾波現(xiàn)象越顯著。

1.2準(zhǔn)靜態(tài)壓力測量組件結(jié)構(gòu)設(shè)計

上述傳壓管道系統(tǒng)的頻響特性表明了傳壓管道具有對測量信號頻響特性降低的特點，即對被測信號的高頻分量信號產(chǎn)生濾波效應(yīng)，而對低頻分量信號不產(chǎn)生影響。應(yīng)用傳壓管道的這個特點，可以解決溫壓內(nèi)爆炸沖擊波壓力高峰值對準(zhǔn)靜態(tài)壓力測量的影響問題。依據(jù)公式2，通過增加管道長度，或當(dāng)管道長度一定時，減小管道直徑，都可以改變傳壓管道系統(tǒng)一階諧振頻率。

依據(jù)傳壓管道對測量信號的濾波特性，設(shè)計了一種準(zhǔn)靜態(tài)壓力測量組件［9］，結(jié)構(gòu)原理如圖3所示。

圖3　準(zhǔn)靜態(tài)壓力測量器結(jié)構(gòu)示意

主要包括：①堵頭；②管體；③螺旋桿；④墊片；⑤傳感器安裝座；⑥壓力傳感器。堵頭的中心有一個傳壓孔，將爆炸壓力波傳輸?shù)铰菪龡U的方形傳壓管道中，同時也可以阻擋爆轟產(chǎn)物中粒子的傳入。在圓柱的外表面，銑出螺旋型凹槽，與管體的內(nèi)表面構(gòu)成一個截面很小的方型傳輸管道，爆炸沖擊波通過方形管道傳輸?shù)綁毫鞲衅鞯拿舾忻?。螺旋形傳壓管道的?yōu)點：一是在有限空間內(nèi)產(chǎn)生了較長的壓力管道，二是螺旋形管道，阻擋了爆炸光的傳播，減弱了爆炸熱的傳導(dǎo)，減小了熱、光對壓力傳感器性能的影響。

在傳壓管結(jié)構(gòu)中，采用的螺旋方形傳壓管道結(jié)構(gòu)，與建立傳壓管道模型中假設(shè)流動為層流直圓管條件不完全相同。由于螺旋形管道的彎曲作用，在管道截面內(nèi)外側(cè)面產(chǎn)生壓力差，易于形成渦流效應(yīng)。如果當(dāng)螺旋形管道的彎曲半徑遠(yuǎn)大于管道半徑時，在管道截面內(nèi)形成極小的壓差。這種壓力幅度的微小變化，在管道軸向垂直方向上，流體幾乎不運動，因此，可以認(rèn)為當(dāng)螺旋形管道的彎曲半徑遠(yuǎn)大于管道半徑時，管道內(nèi)流體近似為層流狀態(tài)。

由于管道截面形狀不同，對管道內(nèi)流體將產(chǎn)生不同的影響，主要表現(xiàn)為管道阻力系數(shù)的變化。按照圓“當(dāng)量直徑”概念，可將非圓管道等效為等效圓形管道［10］，然后按照等效圓管道分析傳壓管的動態(tài)特性。

在溫壓內(nèi)爆炸過程中，后燃燒釋能過程的時間尺度為百毫秒量級，形成一個逐漸升壓的過程，如果燃燒釋放能量沒有損失，產(chǎn)生的準(zhǔn)靜態(tài)壓力在達(dá)到最大值后將保持不變。因此準(zhǔn)靜態(tài)壓力信號具有零頻響特性，在選取測量壓力傳感器時，宜選用具有零頻特性的壓阻型壓力傳感器［11］。

圖4　一種典型傳壓管道

圖4是設(shè)計的一種典型傳壓管。傳壓管各部件的尺寸為：內(nèi)螺旋桿長20 mm，螺旋角30°，凹槽寬2 mm，深0.5 mm?？涨话霃? mm，高1 mm。

依據(jù)式（3），計算傳壓管道壓力上升時間Tr［13］：

式中，Tr等于0.11 ms。

在此準(zhǔn)靜態(tài)壓力測量組件中，選用了寶雞秦明傳感器有限公司生產(chǎn)的CYG145型壓阻型壓力傳感器，其測量精度達(dá)到0.5級。

在設(shè)計傳壓管時，首先由準(zhǔn)靜態(tài)壓力的頻響特性確定傳壓管道的頻響特性，一般取傳壓管壓力的上升時間等于或小于被測準(zhǔn)靜壓力上升時間的1/5；然后依據(jù)傳壓管道壓力上升時間，確定其諧振頻率；最后按照公式2，確定傳壓管各部件的結(jié)構(gòu)尺度。選取的壓力傳感器的頻響特性一定要優(yōu)于傳壓管頻響特性。

2　準(zhǔn)靜態(tài)壓力測量組件性能測量

2.1準(zhǔn)靜態(tài)壓力組件頻響特性校準(zhǔn)

在激波管校準(zhǔn)裝置上，依據(jù)校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行了上述典型準(zhǔn)靜態(tài)壓力測量組件頻響特性測量，對獲取的壓力傳感器輸出信號進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到測量組件壓力上升時間和一階諧振頻率［12］。

圖5是校準(zhǔn)使用的小型激波管裝置，激波管產(chǎn)生的平臺壓力為1.2 MPa，平臺持續(xù)時間約2 ms～3 ms。

圖5　小型激波管裝置

圖6是獲取的準(zhǔn)靜態(tài)壓力測量組件輸出的壓力曲線。

圖6　準(zhǔn)靜態(tài)壓力測量組件輸出的壓力曲線

由圖6曲線可知，壓力上升時間等于0.24 ms，測量組件的一階諧振頻率為1 300 Hz。此測量結(jié)果小于計算結(jié)果，一方面可能是傳壓管到尺度測量誤差的影響，另一方面可能是計算中的一些假設(shè)因素的影響。

2.2準(zhǔn)靜態(tài)壓力測量組件的測量誤差

由于激波管產(chǎn)生的階躍壓力平臺保持時間短，而準(zhǔn)靜態(tài)壓力測量組件的一階諧振頻率較低，用于校準(zhǔn)準(zhǔn)靜態(tài)壓力測量組件的測量誤差時，產(chǎn)生的偏差較大。為此，設(shè)計了一種準(zhǔn)靜態(tài)壓力校準(zhǔn)裝置，其系統(tǒng)組成原理如圖7所示。

圖7　準(zhǔn)靜態(tài)壓力測量裝置

主要包括進(jìn)氣閥、氣室、壓力表、三通快排磁閥、壓力管、準(zhǔn)靜態(tài)壓力測量組件、數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)，壓力表檢測氣室壓力，三通閥控制氣室與壓力組件前端空腔的聯(lián)通。

進(jìn)行校準(zhǔn)過程時，首先打開進(jìn)氣閥，空氣壓縮機(jī)給氣室充填壓縮空氣，壓力表檢測氣室壓力。當(dāng)達(dá)到需要壓力后，關(guān)閉進(jìn)氣閥。然后，打開快排閥，將氣室與空腔聯(lián)通。氣室內(nèi)壓縮氣體傳輸?shù)綁毫y量組件內(nèi)，壓力組件輸出一階躍壓力數(shù)據(jù)。由于氣室體積是空腔體積的幾百倍，當(dāng)快排閥將氣室與空腔聯(lián)通時，氣室內(nèi)氣體的壓力幾乎不變，壓力組件測量的氣體壓力平臺在數(shù)值等于壓力表指示值。

按照式（4），計算準(zhǔn)靜態(tài)壓力測量組件的測量誤差δ［14］：

式中：p為準(zhǔn)靜態(tài)壓力組件測量值；po為氣室內(nèi)壓力。

圖8是實驗獲取的典型壓力校準(zhǔn)曲線。

圖8　典型壓力校準(zhǔn)曲線

兩組實驗得到壓力測量組件的測量誤差都小于0.6%，滿足溫壓內(nèi)爆炸場測量精度的要求。

如準(zhǔn)靜態(tài)壓力校準(zhǔn)裝置中快開閥的響應(yīng)時間遠(yuǎn)小于準(zhǔn)靜態(tài)壓力測量組件的響應(yīng)時間，還可以使用該裝置進(jìn)行測量組件響應(yīng)時間的測量。

3　準(zhǔn)靜態(tài)壓力測量組件的應(yīng)用

應(yīng)用設(shè)計的準(zhǔn)靜態(tài)壓力測量組件，在大型爆炸罐內(nèi)進(jìn)行了某配方溫壓炸藥準(zhǔn)靜態(tài)壓力的測量。實驗爆炸罐體積26 m3，炸藥試樣質(zhì)量2 kg，長徑比1∶1.2。

圖9是同一位置處兩種壓力測量方法獲取的內(nèi)爆炸壓力曲線，其中上圖為采用PCB公司的ICP型壓力傳感器測量的壓力曲線，沖擊波超壓峰值為11.92 MPa，下圖為設(shè)計的準(zhǔn)靜態(tài)壓力測量組件獲取的壓力曲線，準(zhǔn)靜態(tài)壓力峰值為0.30 MPa。

圖9　內(nèi)爆炸沖擊波壓力曲線（上）和準(zhǔn)靜態(tài)壓力曲線（下）

對比同一位置不同測量系統(tǒng)獲取的壓力曲線，可以看出，在爆炸沖擊波作用階段，準(zhǔn)靜態(tài)壓力測量曲線對應(yīng)時刻有不規(guī)則的高頻振蕩信號，幅值遠(yuǎn)小于沖擊波壓力峰值。壓力曲線經(jīng)過一段時間的緩慢上升階段后，穩(wěn)定到一壓力值上，這一壓力值就是罐體內(nèi)的準(zhǔn)靜態(tài)壓力。

此結(jié)果表明了采用準(zhǔn)靜態(tài)壓力測量組件，抑制了高頻沖擊波壓力信號的傳輸，實現(xiàn)了內(nèi)爆炸環(huán)境下準(zhǔn)靜態(tài)壓力的準(zhǔn)確測試。

圖10是應(yīng)用設(shè)計的典型壓力測量組件，在爆炸罐內(nèi)測量的同質(zhì)量4種配方溫壓炸藥的準(zhǔn)靜態(tài)壓力曲線。從圖示曲線可以看出，配方1、2、3的準(zhǔn)靜態(tài)壓力都比TNT高，其中配方3的準(zhǔn)靜態(tài)壓力最高，說明該配方溫壓炸藥后燃燒劇烈，釋放能量最多。

圖10　爆炸罐內(nèi)四種配方溫壓炸藥準(zhǔn)靜態(tài)壓力曲線

4　結(jié)論

①設(shè)計的準(zhǔn)靜態(tài)壓力測量組件，能夠準(zhǔn)確測量溫壓內(nèi)爆炸環(huán)境下的準(zhǔn)靜態(tài)壓力。通過螺旋形的傳壓管道結(jié)構(gòu)，解決了爆炸場高頻沖擊波對準(zhǔn)靜態(tài)壓力的測量影響問題，避免了爆炸光、熱對測量系統(tǒng)的影響，為溫壓炸藥爆炸釋能評價參量的測試提供了一種測試方法。

②采用激波管校準(zhǔn)裝置和準(zhǔn)靜態(tài)壓力校準(zhǔn)裝置，實現(xiàn)了準(zhǔn)靜態(tài)壓力測量組件頻響特性測量和測量誤差的校準(zhǔn)，表明了設(shè)計的準(zhǔn)靜態(tài)壓力測量組件能夠滿足有限空間溫壓爆炸準(zhǔn)靜態(tài)壓力測量精度的要求。

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李芝絨（1968-），研究員，大學(xué)，主要從事彈藥毀傷效應(yīng)測試與評估技術(shù)研究工作，lzr204@163.com。

Test Method Research for the Quas-Static Pressure on Inside-Explosive*

LI Zhirong*，ZHAI Hongbo，YAN Xiaomin，YUAN Jianfei
（Xi’an Modern Chemistry Research Institute，Xi’an 710065，China）

Abstract：Aiming at accurate quasi-static pressure measurement for thermobaric explosion of confined space，a kind of quasi-static pressure measurement component were designed according to the filtering effect characteristic of pressure transmission pipeline.The measurement method of quasi-stat pressure for thermobaric internal explo?sion were established.The quasi-static pressure measurement component were constituted by piezo-resistive pres?sure sensors and micro transmission pipeline which were formed by spiral concave structure on the cylindrical bar and the tube wall.By using it，the spread of high frequency shock wave component of explosive pressure wave can be restrained and the influence to pressure sensor capability of explosive light and heat can be decreased.The fre?quency response characteristic of pressure measurement component and measurement error were measured respec?tively by using shock tube device and quasi-static pressure device.The pressure rise time was less than 0.24 ms and pressure measurement error was less than 0.6%.It can meet the needs of quasi-static pressure measurement in inter?nal explosion field.At present，the measurement method has been applied to thermobaric internal explosion experi?ments and provide measurement foundation to assess the explosion energy of thermobaric explosive.

Key words：explosion mechanics；quasi-static pressure；pipeline effect；frequency response；measurement error

doi：EEACC：723010.3969/j.issn.1004-1699.2016.02.010

收稿日期：2015-08-30修改日期：2015-11-16

中圖分類號：TJ206

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1004-1699（2016）02-0208-05

項目來源：基礎(chǔ)產(chǎn)品創(chuàng)新計劃專項項目