新型微乳化柴油拋撒和云霧爆炸實驗及其抑爆性能評估*

黃 勇，解立峰，張紅偉，魯長波，安高軍，熊春華，陳 群

（1. 南京理工大學(xué)化工學(xué)院，江蘇 南京 210094；2. 常州大學(xué)環(huán)境與安全工程學(xué)院，江蘇 常州 213164；3. 中央軍委后勤保障部油料研究所，北京 102300；4. 常州大學(xué)石油化工學(xué)院，江蘇 常州 213164）

柴油被廣泛用作為大型車輛、艦船和武器裝備的燃料，一旦車輛發(fā)生交通事故或者裝甲裝備遭受炮火襲擊，都可能會引爆柴油造成人員傷亡[1]。因此，美國陸軍坦克研發(fā)工程中心和俄羅斯國防部第25國立油料化學(xué)裝備研究所先后開展了防火柴油技術(shù)的研究[2-3]。防火柴油是含有微乳化成分的含水柴油，利用自身的防火性能使得泄漏燃料不易燃燒形成地面池火。近年，魯長波等在美、俄防火柴油中添加高分子聚合物防霧劑，運用防霧劑對燃料拋撒霧化的抑制作用開發(fā)出一種具有防火抑爆功能的新型微乳化柴油[4]；他又通過理化性能分析、儲存安定性評定、實驗室爆炸性能評定和外場爆炸性能評定，對新型微乳化柴油和普通軍用柴油進行了綜合性能對比分析，認為新型微乳化柴油能有效解決柴油油箱在受到外力打擊或意外撞擊時發(fā)生燃燒、爆炸所帶來的安全問題[5]。

開展液體燃料拋撒和云霧爆炸實驗有助于掌握燃料的拋撒霧化效果及其云霧爆炸威力，它常用于燃料空氣炸藥（FAE）裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)、爆炸分散特征和爆轟特性研究。學(xué)者們分別從FAE爆炸拋撒過程力學(xué)模型及其數(shù)學(xué)描述[6-7]、FAE裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)和拋撒方式對云霧拋撒的影響[8-9]、FAE云霧爆轟特性及其威力[10]等方面進行了較為系統(tǒng)的研究。但是，從云霧爆炸火球表面溫度、高溫持續(xù)時間、截面積等特征參數(shù)角度來研究燃料云霧的爆轟威力，尤其運用相關(guān)評價方法對云霧爆炸火球特征參數(shù)進行定量計算并評估燃料云霧爆轟性能的研究鮮有報道。

本文中，開展-10#柴油、普通微乳化柴油（防火柴油）和新型微乳化柴油（防火抑爆柴油）的拋撒和云霧爆炸實驗，并運用灰色關(guān)聯(lián)分析法對其爆炸火球的特征參數(shù)進行定量計算，從爆炸火球溫度場角度評估新型微乳化柴油的云霧爆炸威力及其抑爆性能，最后通過激波及其高速氣流拋撒實驗研究新型微乳化柴油的抑爆機理。

1 拋撒和云霧爆炸實驗介紹

1.1 柴油樣品

表1給出了本實驗所用5種柴油樣品的組分構(gòu)成及性質(zhì)。樣品1為-10#柴油；樣品2和樣品3分別為含水質(zhì)量分數(shù)為5%和15%的普通微乳化柴油；樣品4和5為在樣品2中添加了質(zhì)量分數(shù)為0.2%和0.4%的高分子聚合物防霧劑構(gòu)成的新型微乳化柴油。

表1 柴油樣品的組成和理化性能Table 1 Component and physical & chemical properties of diesel fuel samples

1.2 實驗裝置和測試儀器

1.2.1 液體燃料拋撒裝置

如圖1所示，液體燃料拋撒裝置采用薄壁圓筒結(jié)構(gòu)，容積約1 L；圓筒上、下端板為PVC塑料板，側(cè)壁為聚酯塑料外殼，上、下端板的厚度和強度遠大于側(cè)壁，以限制燃料的軸向飛散，促使形成的燃料云霧成餅狀，盡可能地擴大云霧的覆蓋面積；中心PVC管中段裝填雷管和炸藥，兩端為阻火泡沫。

圖1 液體燃料拋撒裝置示意圖Fig. 1 Schematic of liquid fuel dispersal device

1.2.2 點火炸藥

中心裝藥即中心管內(nèi)裝填的雷管和炸藥，本實驗的中心裝藥為1支8號電雷管和50 g海薩爾藥柱。

二次起爆藥柱固定在拋撒裝置附近，用于在柴油爆炸拋撒成云霧后引燃柴油云霧，由1支8號電雷管和100 g海薩爾藥柱構(gòu)成。

二次起爆藥柱應(yīng)布置在燃料較富集的區(qū)域，文獻[11]中總結(jié)得到了二次起爆藥柱布置點的經(jīng)驗公式：

式中：L為距離中心裝藥起爆爆心的二次起爆藥柱位置，(m)；Dc為云霧最大直徑，(m)；Dh為云霧最大空洞直徑，(m)；m0為燃料裝填量，(kg)。

1 L柴油樣品的的質(zhì)量約為0.8 kg，因此，由式(1)～(3)計算可知，將二次起爆藥柱設(shè)置在距爆心1.5 m處是合適的。

1.2.3 測試系統(tǒng)

（1）高速照相機：Fastcam nltima APX型，日本Photron公司，最大拍攝頻率為12 kHz，每幀最大像素數(shù)為 1 504×1 128。

（2）紅外熱成像儀：Mikronscan 7200V型，美國Mikron公司，溫度響應(yīng)時間為2 μs。

1.3 實驗場布置

將兩根鐵架豎立在實驗場，頂端用鐵絲相連。在鐵絲中部懸掛燃料拋撒裝置至1.3 m高（由文獻[12]可知燃料拋撒裝置炸高0.8～1.6 m時可以保證有足夠的空間分散和爆轟，并且具有較好的爆轟狀態(tài)）。在燃料拋撒裝置后側(cè)固定木桿，木桿頂部綁定二次起爆藥柱。高速照相機、紅外熱成像儀布置在燃料拋撒裝置前方，實驗場布置如圖2所示。

圖2 實驗場布置示意圖Fig. 2 Schematic of the layout of experimental field

1.4 實驗方法

首先中心裝藥起爆拋撒柴油樣品，再運用同步控制儀控制二次起爆藥柱在中心裝藥起爆42 ms后起爆，引燃柴油云霧團，同時用高速照相機、紅外熱成像儀記錄引爆過程并采集火球的表面溫度。高速照相機的拍攝頻率為1 000 Hz；紅外熱成像儀的采樣周期為32 ms。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 拋撒與云霧爆炸過程

運用圖像處理軟件對高速照相機拍攝記錄的拋撒過程分幅照片進行判讀、處理，量取拋撒最前沿射流、云霧在圖片中的徑向位移，并根據(jù)圖片尺寸與實際尺寸的比例尺，獲得實際徑向擴展距離，即云霧的徑向擴展半徑Rc。圖3是柴油樣品爆炸拋撒的云霧徑向擴展半徑Rc隨時間的變化曲線。

圖3 柴油云霧徑向擴展半徑隨時間的變化Fig. 3 Variation of radial extension radius of diesel fuel cloud with time

從圖3中可以看出，前2, 3 ms云霧徑向擴展半徑急劇增大，此時拋撒液體環(huán)內(nèi)部爆炸產(chǎn)物壓力遠大于氣動阻力，爆炸作用力起主導(dǎo)作用。該階段燃料的黏性等理化性能對其拋撒作用幾乎沒有影響。4～8 ms時，5種柴油的云霧徑向擴展半徑趨于平緩，該階段可認為是氣動阻力起主導(dǎo)作用，此時液體環(huán)正逐步瓦解。20 ms后，4、5號柴油的云霧徑向擴展半徑相對較小，這是因為它們較高的黏性抑制了造成液滴破碎的R-T和K-H不穩(wěn)定性作用，它們?nèi)砸暂^大液滴形式運動、擴展，氣動阻力較大，拋撒速度較小，分散效果差。

圖4 柴油云霧爆炸過程Fig. 4 Diesel fuel cloud explosion process

由于拋撒出的柴油液滴與氣體之間有較大的相對運動，在液滴表面形成了逆氣流方向的剪切力，液滴被逐層剝離形成細霧滴群。二次藥柱起爆后，細霧滴群在爆炸產(chǎn)物高溫作用下迅速汽化、燃燒發(fā)生熱爆燃。圖4是5種柴油云霧在二次起爆藥柱作用下被引燃形成爆炸火球的分幅圖片。從圖4中可以看出：二次起爆藥柱起爆后1 ms（即中心裝藥起爆后第43 ms，下同）時，柴油云霧被二次起爆藥柱引燃形成火球；200 ms時，4種微乳化柴油爆炸火球邊緣的火焰已熄滅，1號柴油云霧仍在劇烈燃燒；400 ms時，3、4、5號柴油火球基本已熄滅消散，而1號柴油火球只有徑向兩端部分火焰熄滅。

2.2 爆炸火球特征參數(shù)

爆炸火球特征參數(shù)主要包括表面溫度、高溫持續(xù)時間和火球尺寸等。運用紅外熱成像儀自帶的MikroSpec軟件對火球熱成像圖進行分析、處理，可以得到具體的爆炸火球特征參數(shù)，如表2所示，其中：Tm為表面最高溫度，T0為火球表面最高溫度時的表面平均溫度，Δt為各溫度區(qū)間的持續(xù)時間，S為火球最大截面積；對于粗略的估算，柴油等碳氫燃料形成的“厚發(fā)光火焰”可以視為黑體[13]，由Stefan-Boltzmann定律可知黑體輻射度J*為

式中：Stefan-Boltzmann常數(shù)σ0=5.67×10-8W/(m2·K4)；T1為黑體絕對溫度，即火球表面最高平均溫度。

表2 柴油云霧爆炸火球特征參數(shù)Table 2 Characteristic parameters of diesel fuel cloud explosion fireball

由表2可知，前4種柴油云霧爆炸火球的表面最高溫度均超過了1 273.15 K，其中3號柴油火球表面最高溫度最大，而火球表面達到最高溫度時的表面平均溫度T0與火球表面最高平均溫度T1則由1號至5號柴油遞減，均與實驗測量得到的火球表面平均溫度Ta隨時間的變化情況（如圖5所示）較為一致，即柴油云霧爆炸火球表面平均溫度隨著柴油樣品中水、防霧劑含量的增加而減小，可見火球表面最高溫度Tm在起爆初期受到炸藥爆炸產(chǎn)物的影響比較明顯，它只體現(xiàn)了爆心附近區(qū)域火球的表面溫度，不能代表火球表面整體情況。同時也說明，采用T0、T1表示火球火焰燃燒劇烈程度是合適的。

圖5 柴油云霧火球表面平均溫度隨時間的變化Fig. 5 Variation of the surface average temperature of diesel fuel cloud fireball with time

3 抑爆性能評估

灰色關(guān)聯(lián)分析法是分析系統(tǒng)中各元素之間關(guān)聯(lián)程度或相似程度的方法，無須確定評估指標的權(quán)重，有利于增強評估的客觀性[14]，因此運用灰色關(guān)聯(lián)分析法對爆炸火球特征參數(shù)進行定量計算，可以評估新型微乳化柴油火球的爆炸威力及其抑爆性能。

3.1 確定指標數(shù)據(jù)列

選取4種評估柴油云霧爆炸火球特性的指標：火球表面最高溫度時的平均溫度T0、高溫（高于1 273.15K）持續(xù)時間Δt、火球最大截面積S、火球的輻射度J0。其評價指標值如表2所示，指標數(shù)據(jù)列為：

3.2 指標數(shù)據(jù)規(guī)范化處理

對指標數(shù)據(jù)列進行規(guī)范化處理，以便把原始數(shù)據(jù)化為無量綱、同級、正向可加的數(shù)據(jù)。

由于表2中各指標數(shù)據(jù)均為極小型數(shù)據(jù)，即評估指標值越小，火球爆炸威力越小，關(guān)聯(lián)度越大，抑爆性能越好，因此采用下式對指標數(shù)據(jù)進行標準化

式中：dij為原始數(shù)據(jù)，為指標數(shù)據(jù)列中第i個評估對象的第j項指標值，μij為標準數(shù)型，Mj和mj分別為第j項指標的最大值和最小值。根據(jù)式(5)得到表3。

表3 規(guī)范化后的指標值Table 3 Normalized index values

3.3 構(gòu)造最優(yōu)參考數(shù)據(jù)列

根據(jù)以上指標數(shù)列構(gòu)造出最優(yōu)參考數(shù)據(jù)列。最優(yōu)參考數(shù)據(jù)列由各項指標在以上數(shù)據(jù)列中最優(yōu)的值所構(gòu)成，即 x0=（1，1，1，1）。

3.4 計算最優(yōu)關(guān)聯(lián)度，并排序評估

計算最優(yōu)關(guān)聯(lián)度τi，即xi與最優(yōu)參考數(shù)據(jù)列x0的關(guān)聯(lián)度。關(guān)聯(lián)分析中被比較數(shù)列常記為xi，一般表示為：

對于一個參考數(shù)據(jù)列x0，比較數(shù)列為xi，可用下述關(guān)系表示比較點與參考點在各點的差：

式中：δik(k)是第k個時刻xi與x0的相對差值，稱為xi對x0在k時刻的關(guān)聯(lián)系數(shù)。在實際使用時，應(yīng)根據(jù)序列間的關(guān)聯(lián)程度選擇分辨系數(shù)，一般取δ=0.5。因此，由式(7)計算可得：δ11(1)=δ12(2)=δ13(3)=δ14(4)=0.333 3。

關(guān)聯(lián)系數(shù)只表示各點數(shù)據(jù)間的關(guān)聯(lián)程度，由于關(guān)聯(lián)系數(shù)的數(shù)很多，信息過于分散，不便于比較，為此有必要將各點的關(guān)聯(lián)系數(shù)集中為一個值，求平均值便是作為這種信息集中處理的一種方法。最優(yōu)關(guān)聯(lián)度的一般表達式為

根據(jù)式（8）計算得到：τ1=0.333 3，τ2=0.567 3，τ3=0.725 0，τ4=0.730 2，τ5=1

由此可得，在被評估的5種柴油中，1號柴油的爆炸威力最大，3、4號柴油的爆炸威力比較接近，而5號柴油的爆炸威力最小?？梢?，新型微乳化柴油具有良好的抑爆性能，隨著防霧劑含量的增加，其抑爆性能也越好，而且從3、4號柴油評估結(jié)果可以確定，柴油的含水量在15%以下時，多增加10%的水與加入質(zhì)量分數(shù)為0.002的防霧劑的抑爆效果相當。

4 抑爆機理分析

運用液體燃料拋撒和成像系統(tǒng)可以記錄柴油柱在激波及其高速氣流作用下的拋撒霧化情況。液體燃料拋撒和成像系統(tǒng)由水平激波管、壓力傳感器、信號調(diào)理器、時序控制器、光源控制器、高壓閃光電源、凹面反射鏡和單反照相機（BULB模式）等組成，如圖6所示。

圖6 液體燃料拋撒和成像系統(tǒng)俯視示意圖Fig. 6 Vertical schematic of liquid fuel dispersal and imaging system

水平激波管管口外部15 mm處自上而下布置有油杯和上、下兩根出油管，上、下出油管之間留有3 mm的空隙以形成油柱。出油管為不銹鋼管，上管的內(nèi)徑為3 mm，下管的內(nèi)徑為5 mm，如圖7所示。

圖8是油柱在1.75馬赫激波作用下的霧化情況，圖9是運用Spraytec型實時噴霧激光粒度分析儀測定得到的油樣拋撒霧滴特征平均粒徑，其中DV(10)、DV(50)、DV(90)為累積體積分數(shù)為10%、50%、90%時對應(yīng)的霧滴粒徑，即小于此粒徑的霧滴體積分別占全部霧滴總體積的10%、50%、90%。D[3,2]為表面積動量平均徑，即索態(tài)爾（Stauter）平均直徑。D[4,3]為體積或質(zhì)量動量平均徑。

圖7 水平激波管示意圖Fig. 7 Schematic of a horizontal shock tube

圖8中，3號云霧團的顏色比1、2號稍淺，說明霧滴平均粒徑較大，密度較小。4、5號柴油霧化效果差，呈液絲、液塊狀向前運動，只有少部分的細小霧滴從液絲上脫落出來，而由圖9可見4、5號柴油的5種特征平均粒徑均顯著高于前3種柴油霧滴粒徑，如4、5號柴油霧滴索態(tài)爾平均直徑D[3,2]比1號柴油霧滴D[3,2]大77.7及110.6 μm?？傮w上，圖8反映的拋撒霧化現(xiàn)象與圖9中5種柴油霧滴平均粒徑大小排列是吻合的。

圖8 激波及高速氣流作用下柴油柱的霧化過程Fig. 8 Atomization process of diesel fuel column by shock wave and high speed airflow

由此可見，液體燃料的運動黏度和黏性對燃料的拋撒霧化效果有著至關(guān)重要的影響。尤其是，在燃料中添加高分子聚合物防霧劑后增強了其“霧化抑制效應(yīng)”，防霧劑的高分子鏈變形和松弛造成燃料的黏彈性增大[15-16]，如圖10所示，其中ω是樣品小幅振動的角頻率，3號柴油的黏性模量始終稍大于彈性模量，表明黏性起主要作用，而5號柴油的彈性模量值顯著大于自身的黏性模量以及3號柴油的彈性模量，表明它具有較高的彈性，因此新型微乳化柴油在高速拋撒過程中分子鏈的拉伸將產(chǎn)生抵制外部變形的拉伸應(yīng)力[17-19]，使液滴在高速氣流剪切作用下也不易破碎，液滴分散效果差，抑爆性能好。

圖9 霧滴特征平均粒徑Fig. 9 Characteristic mean particle size of droplet

圖10 柴油樣品的小振幅振蕩流變曲線Fig. 10 Small amplitude oscillatory rheological curves of diesel fuel samples

5 結(jié) 論

（1）拋撒和云霧爆炸實驗中，中心藥柱起爆拋撒20 ms后新型微乳化柴油的拋撒云霧徑向擴展半徑顯著小于其他柴油，如在24 ms時，4、5號新型微乳化柴油拋撒云霧徑向擴展半徑比1號-10#柴油分別小15.43和15.95 cm。新型微乳化柴油云霧爆炸火球特征參數(shù)也較小，4、5號柴油的火球的表面最高平均溫度比1號柴油分別低296.90和336.90 K；火球表面高溫（高于1 273.15 K）持續(xù)時間方面，4、5號柴油為140、0 ms，分別比1號柴油少94和234 ms；4、5號柴油的火球最大截面積也分別只有1號柴油的60.10%、53.53%。

（2）運用灰色關(guān)聯(lián)分析法對爆炸火球的表面最高溫度時的平均溫度、高溫持續(xù)時間、最大截面積、輻射度等特征參數(shù)進行定量計算，評估了5種柴油火球的爆炸威力。結(jié)果表明，隨著柴油中的含水量和防霧劑含量的增加，微乳化柴油的爆炸威力越小，其抑爆性能越好。另外，3、4號柴油的抑爆性能接近，說明柴油的含水量在15%以下時，多增加10%的水與添加0.2%防霧劑的抑爆效果相當。

（3）運用激波及其高速氣流拋撒霧化柴油樣品，再應(yīng)用激光粒度分析儀測定拋撒霧化形成的霧滴平均粒徑，4、5號柴油的霧滴特征平均粒徑顯著大于其他柴油，如4、5號柴油霧滴索態(tài)爾平均直徑D[3,2]比1號柴油霧滴D[3,2]大77.7和110.6 μm。又根據(jù)其流變性能確定，新型微乳化柴油中添加防霧劑使其液滴黏彈性增大，在高速氣流剪切作用不易破碎、霧化，液滴分散效果差，抑爆性能好。