小比距離密閉空腔爆炸爆后氣體溫度和壓力測量技術(shù)研究

張繼軍，張東亮，趙建偉，張寶國，崔云霄

(西北核技術(shù)研究所，陜西 西安 710024)

空腔爆炸中，爆后空腔內(nèi)氣體的溫度及壓力變化歷程對于分析評估爆炸實施效果及氣體封閉和擴(kuò)散規(guī)律具有重要意義。準(zhǔn)確測量空腔內(nèi)溫度、壓力變化歷程存在以下3個難點:(1)爆炸瞬時產(chǎn)生的高壓沖擊波及高溫灼燒，對傳感器生存和正常工作構(gòu)成了極大威脅，傳感器的長期生存率較低；(2)爆炸產(chǎn)生的強(qiáng)電磁脈沖，會對采集系統(tǒng)造成嚴(yán)重?fù)p傷，測量系統(tǒng)的抗電磁防護(hù)要求較高；(3)要完整取得爆后空腔內(nèi)氣體的溫度、壓力變化歷程，傳感器的量程選擇存在一定難度，既要保證爆炸瞬時能夠生存，又要求量程不能過高，以免溫度壓力變化歷程測量后期的數(shù)據(jù)不確定度過大。在相似領(lǐng)域內(nèi)，李媛媛等[1]通過壓力傳感器和熱電偶進(jìn)行了半密閉條件下爆炸場的溫度和壓力測量，獲得了不同爆炸條件下爆炸場溫度和壓力的響應(yīng)特征，該系統(tǒng)適用于半密閉條件下爆炸溫度、壓力測量。王長利等[2]等使用錐體的形式安裝侵蝕熱電偶，獲得小比距爆炸瞬時溫度。李芝絨等[3-4]、馬紅等[5]、王代華等[6]、王等旺等[7]、 黃亞峰等[8]、王鐵良等[9]分別對密閉內(nèi)爆炸條件下溫度及準(zhǔn)靜態(tài)壓力的特征進(jìn)行了深入研究，對空腔爆炸溫度、壓力變化歷程測量具有較大的指導(dǎo)意義。本文中在參考已有研究成果的基礎(chǔ)上，基于鎧裝K型熱電偶和壓阻式絕壓傳感器，設(shè)計密封隔熱防護(hù)裝置，建立空腔爆炸靜態(tài)溫度、壓力測量系統(tǒng)，以期實現(xiàn)小比距離密閉空腔爆炸爆后氣體溫度、壓力變化歷程的完整測量。

1 測量系統(tǒng)設(shè)計

1.1 測量系統(tǒng)基本組成

如圖1所示，系統(tǒng)前端為溫度、壓力傳感器，通過安全隔離后，信號被數(shù)據(jù)采集單元采集并進(jìn)行轉(zhuǎn)換；中央控制單元接收轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號，同時根據(jù)監(jiān)測實施程序，遠(yuǎn)程控制數(shù)據(jù)采集單元和前端信號的通斷，以保護(hù)后端采集系統(tǒng)免受爆炸瞬時電磁脈沖沖擊。同時中央控制單元還完成遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸顯示功能，并接收遠(yuǎn)程終端的指令控制。

圖1 測量系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)Fig.1 Basic structural of measurement system

1.2 安全隔離單元設(shè)計

在傳感器單元與系統(tǒng)采集單元之間，應(yīng)采取隔離防護(hù)措施[10]，當(dāng)前端在測量過程中出現(xiàn)瞬間的電流或電壓沖擊時，能夠阻斷其傳導(dǎo)至后端采集和控制系統(tǒng)，保證系統(tǒng)核心單元的生存安全。該防護(hù)采用的技術(shù)方法是：安全隔離單元能夠接收來自前端傳感器的正常測量信號，同時在經(jīng)過信號隔離轉(zhuǎn)換后，能夠無失真地保持原輸入信號的大小，并傳輸至信號采集系統(tǒng)。同時，當(dāng)信號線上出現(xiàn)沖擊電流或電壓時，安全隔離單元能夠有效地阻止該沖擊，從而保證后端采集和控制系統(tǒng)的正常運行。在本系統(tǒng)中，選用上海晨竹生產(chǎn)的FBE054-AAAA型信號隔離安全柵對系統(tǒng)采集儀器進(jìn)行隔離保護(hù)，每塊安全柵共有2個通道，可以對2個傳感器輸出的標(biāo)準(zhǔn)電流信號進(jìn)行無失真隔離傳輸，從而有效地保護(hù)了后端的采集控制儀器，如圖2所示。

圖2 雙通道信號隔離安全柵基本結(jié)構(gòu)Fig.2 Basic structural of guard grating

2 密封隔熱防護(hù)裝置設(shè)計與分析

2.1 安裝防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計

爆炸瞬時會產(chǎn)生高溫高壓沖擊波，尤其在小比距、大當(dāng)量爆炸情況下，爆炸瞬時產(chǎn)生的高溫高壓沖擊波可能會直接摧毀傳感器，為確保測量取得完整的氣體溫度、壓力信號曲線，需對傳感器進(jìn)行抗爆防護(hù)，設(shè)計如圖3所示傳感器安裝防護(hù)結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)安裝在爆炸迎爆面，主要由錐形引氣裝置、保護(hù)擋板、引氣管、安裝隔板組成，整個防護(hù)結(jié)構(gòu)澆注在混凝土中。爆炸產(chǎn)生的高溫高壓氣體通過錐形引氣裝置和引氣管進(jìn)入密閉氣室，密閉氣室和傳感器安裝室之間有一道密封隔板，將兩個氣室隔開。通過密封螺母將溫度、壓力傳感器固定在安裝隔板上，安裝完成后，傳感器的敏感面與爆室連通，信號調(diào)理模塊與爆室隔開，可以有效避免爆炸產(chǎn)生的高溫高壓氣體損壞傳感器的信號調(diào)理模塊。

2.2 錐形導(dǎo)氣裝置抗沖擊性能分析

圖4(a)所示的錐形導(dǎo)氣裝置為防護(hù)結(jié)構(gòu)最關(guān)鍵部件，該裝置的抗沖擊性能直接關(guān)系傳感器的生存與否。其設(shè)計參數(shù)如下：最大外徑10 cm，內(nèi)孔直徑2 cm，總高15 cm，側(cè)壁通孔直徑1 cm，錐角120°。裝置采用Q345鋼整體加工，通過焊接的方式固定在厚度不低于30 cm的保護(hù)擋板板上。材料參數(shù)如表1所示，其中：E為楊氏模量；EP為硬化模量；ν為泊松比；σy為屈服強(qiáng)度；ρ為密度。

圖3 傳感器安裝防護(hù)裝置基本結(jié)構(gòu)Fig.3 Basic structural of protective device

圖4 錐形導(dǎo)氣裝置基本結(jié)構(gòu)Fig.4 Basic structural of gas-conducting device

表1 材料參數(shù)Table 1 Mechanical parameters of relevant materials

為分析該裝置在小比距、大當(dāng)量爆炸條件下的抗沖擊性能，按照其實際尺寸建立三維計算模型，網(wǎng)格平均尺寸為2.5 mm，網(wǎng)格劃分效果如圖4(b)所示。由于裝置所處環(huán)境比較復(fù)雜，分析時沒有考慮爆炸沖擊波在爆室壁面的反射會聚作用，僅考慮小比距下的正反射沖擊波。根據(jù)Kingery-Bulmash公式，假設(shè)裝置的比距離為0.86 m/kg1/3。引爆后，沖擊波約到達(dá)錐頂?shù)姆瓷鋲毫Ψ逯禐? MPa，正相持續(xù)時間約48 ms。計算時，在支座的錐形頂部施加爆炸載荷，由Load-Blast關(guān)鍵字施加，底面施加位移約束，計算時長8 ms,爆炸沖擊作用下不同時刻裝置的von Mises 應(yīng)力分布如圖5所示。

圖5 不同時刻裝置von mises 應(yīng)力分布圖Fig.5 Von Mises tress distribution at different time

由圖5可以看出，爆炸波到達(dá)時刻，von Mises應(yīng)力最大值出現(xiàn)在錐頂，峰值約8 MPa，0.17 ms后爆炸波傳至支座底部，在圓孔周圍von Mises應(yīng)力最大，約為21 MPa。隨著時間的增加，應(yīng)力值始終未超過21 MPa，說明裝置在爆炸波作用下沒有出現(xiàn)塑性變形，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求。

考慮到載荷作用時間較長，類似準(zhǔn)靜態(tài)壓力的作用，根據(jù)計算，裝置的等效靜載系數(shù)約為1.1，按安全系數(shù)為1.2考慮，取靜態(tài)壓力8 MPa作用于支座頂部，底部施加位移約束，分析防護(hù)裝置在靜力作用下的變形。

由圖6可知，模型最大位移位于支座錐頂靠近開孔位置，以及圓孔所對的圓柱側(cè)壁，位移峰值約0.05 mm；模型最大應(yīng)變位于支座開孔位置，應(yīng)變峰值約為1.88×10-4，其他部位應(yīng)變小于1.00×10-4，沒有出現(xiàn)塑性變形。由計算結(jié)果可知，結(jié)構(gòu)剛度也能夠滿足沖擊防護(hù)要求。

圖6 裝置的位移與應(yīng)變分布情況Fig.6 Distribution of displacement and strain

3 實驗測試及結(jié)果分析

3.1 傳感器選型及量程選擇

某密閉空腔爆炸實驗，比距離為0.86 m/kg1/3，假設(shè)爆炸后氣體初態(tài)溫度為500 ℃，爆后爆室內(nèi)的靜態(tài)氣壓峰值計算值約為1.5 MPa。綜合考慮性能特征及安裝便捷性，選用沈陽東大傳感技術(shù)有限公司生產(chǎn)的鎧裝K型熱電偶作為測溫器件，其基本性能參數(shù)為：溫度測量范圍0～1 250 ℃，響應(yīng)時間0.73 s，精確度±2.2 ℃；選用寶雞麥克傳感技術(shù)有限公司生產(chǎn)壓阻式絕壓傳感器作為測壓器件，其基本性能參數(shù)為：壓力測量范圍0～2 MPa，精度為全量程±0.25%，過載壓力為全量程的1.5倍。

3.2 測量結(jié)果及分析

圖7是爆后空腔內(nèi)氣體溫度變化歷程監(jiān)測結(jié)果，圖8是氣體壓力變化歷程監(jiān)測結(jié)果。

圖7 爆后溫度變化歷程監(jiān)測結(jié)果Fig.7 Temperature changing progress

經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，爆后17 s,熱電偶獲得爆后氣體溫度測量峰值708.6 ℃，爆后25 s,壓力傳感器測量獲得爆室內(nèi)氣體壓力測量峰值1518.5 kPa。隨后，爆室內(nèi)氣體溫度、壓力呈快速下降趨勢，最終傳感器輸出可恢復(fù)至初始值，說明在測量過程中，傳感器并未發(fā)生損壞，測量數(shù)據(jù)能夠真實反應(yīng)爆室內(nèi)氣體溫度、壓力變化趨勢。

4 結(jié) 論

(1)設(shè)計的溫度、壓力測量系統(tǒng)能夠完整的測量取得小比距、密閉條件下爆后氣體溫度、壓力變化歷程。通過錐形導(dǎo)氣結(jié)構(gòu)，有效的減小了爆炸瞬時高溫高壓對傳感器的損傷，通過密封隔熱設(shè)計，可確保傳感器在復(fù)雜環(huán)境中生存，該方法可以應(yīng)用到其他類似實驗場合中。

(2)密閉空腔爆后壓力下降是氣體溫度下降和氣體總量減小2個因素共同作用的結(jié)果,在爆后空腔內(nèi)氣體總量分析時，需引入溫度測量結(jié)果進(jìn)行修正。

(3)通過合理有效的防護(hù)設(shè)計，可以通過降低壓力傳感器的量程，提高密閉空腔爆后氣體壓力測量精度。