硅系延期體噴火火焰特性研究

胡坤倫，蒙 可，韓體飛，張 曄，丁 峰

硅系延期體噴火火焰特性研究

胡坤倫，蒙 可，韓體飛，張 曄，丁 峰

（安徽理工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，安徽 淮南，232001）

為了探究延期體末端噴火段的火焰特性，采用硅系延期藥制備了無切縫和有切縫兩種延期體進(jìn)行對比實驗，通過高速相機(jī)和激光紋影測試系統(tǒng)觀測延期體末端噴火火焰的流場結(jié)構(gòu)，計算噴火火焰速度，以獲得延期體噴火火焰特性與藥芯燃燒傳播穩(wěn)定性的關(guān)系。結(jié)果表明：末端無切縫時，噴火火焰存在二次不穩(wěn)定湍流火焰，其原因是由于內(nèi)部氣體積累而使藥芯斷裂，產(chǎn)生脈動燃燒現(xiàn)象；有切縫時，不存在二次湍流火焰，由于切縫的泄壓作用，使藥芯密度均勻，內(nèi)部為穩(wěn)定的層狀燃燒。

延期體；燃燒特性；硅系延期藥；激光紋影儀；噴火火焰

硅系延期藥是一種廣泛應(yīng)用于毫秒延期雷管中的快速延期藥，其燃燒特性、燃燒傳播穩(wěn)定性是其延期精度研究的重要方面。Jonathan A. C. Goodfield等人[1]采用瞬態(tài)高溫計測試了PbO/Si二元體系在半成品雷管中的燃燒溫度，結(jié)果與計算的理論值具有較好的一致性，該溫度測試方法為延期藥燃燒特性的研究提供了一種實驗手段。Kai-Tai Lu等人[2]采用高速相機(jī)研究兩種硼系合金延期藥在透明管中的點(diǎn)火和火焰?zhèn)鞑ヌ匦?，并用熱電偶測試了噴火火焰的溫度，為硅系延期藥性能的研究提供了測試方法。陳磊等人[3-4]采用了高速攝像技術(shù)對延期體生產(chǎn)工藝中的壓藥壓強(qiáng)、卡腰位置以及延期體藥芯數(shù)與末端噴火火焰關(guān)系進(jìn)行了實驗研究，得到了各種工藝參數(shù)與噴火火焰持續(xù)時間的關(guān)系，進(jìn)而揭示各工藝條件對延期精度的影響。馬志鋼等人[5]利用顯微鏡觀察鉛芯延期體藥劑殘渣狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)層狀龜裂的殘渣，是典型的脈動燃燒。沈瑞琪等研究者[6]通過高速攝影技術(shù)研究硼系延期藥，進(jìn)一步揭示了燃生氣體的反復(fù)積累而產(chǎn)生延期藥脈動燃燒現(xiàn)象。

綜上國內(nèi)外學(xué)者采用了瞬態(tài)高溫計、高速攝像技術(shù)，設(shè)計不同的延期體測試樣品，對延期藥點(diǎn)火、燃燒傳播過程及噴火火焰性能等方面進(jìn)行了諸多研究，揭示延期藥的燃燒機(jī)理以及影響延期藥精度的因素，然而在延期藥噴火火焰特性方面的研究不足。本文采用高速攝像和紋影技術(shù)，對硅系延期體末端噴火火焰進(jìn)行測試，探究延期體末端噴火的特性以及與藥劑燃燒傳播的關(guān)系，進(jìn)一步揭示延期藥穩(wěn)態(tài)燃燒機(jī)理。

1 實驗

1.1 樣品制備

藥劑為淮南舜泰化工有限責(zé)任公司生產(chǎn)的鉛丹-硅系延期藥，采用多次、定量、定壓的手動壓藥方式，將延期藥壓裝在外徑6mm、內(nèi)徑2mm、長16mm的鋁管中，制成單芯延期體。用卡口機(jī)將延期體與雷管殼、橡膠塞和點(diǎn)火導(dǎo)爆管相連接。設(shè)計兩種藥芯：一種鋁延期體外露部分沿藥柱軸向磨成切縫，使藥芯外露；另一種為無切縫延期體。樣品實物及結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 兩種測試樣品實物及結(jié)構(gòu)圖

1.2 延期體噴火火焰高速紋影測試

測試系統(tǒng)由高速相機(jī)和激光紋影儀兩部分組成。高速相機(jī)為日本NAC公司生產(chǎn)的Memrecam HX-3型高速相機(jī)，圖2為激光紋影測試系統(tǒng)光路圖。

將測試樣品固定于高速紋影測試系統(tǒng)的樣品放置段，高速相機(jī)拍攝頻率設(shè)置為10 000幀/s，測試無縫樣品噴火端火焰流場，以及有切縫樣品的切縫和噴火端火焰流場。

圖 2 激光紋影光路圖

1.3 測試結(jié)果分析方法

讀取RGB原始圖片并轉(zhuǎn)化為灰度圖，調(diào)取灰度圖矩陣并乘以2，擴(kuò)大目標(biāo)與背景的對比度。采用閾值分割法對圖像進(jìn)行處理，先查看灰度圖的灰度分布直方圖，選取合適的灰度值設(shè)為閾值，對灰度圖進(jìn)行閾值化處理，最終得到二值化圖像。根據(jù)灰度直方圖選取閾值并將圖像進(jìn)一步閾值化，測量實際樣品尺寸與拍攝圖像進(jìn)行尺度對比，得出圖像像素比例，利用Getdata軟件將所得圖像位圖轉(zhuǎn)化成矢量圖，逐張分析有效運(yùn)動目標(biāo)并記錄x軸方向數(shù)值獲得速度值。

2 實驗結(jié)果分析

2.1 延期體噴火火焰高速紋影典型圖及數(shù)據(jù)處理過程

圖3（a）為無縫延期體噴火2.6ms時刻、像素為1024×864的RGB原圖，對圖片進(jìn)行灰度化處理，保留灰度值0～255范圍內(nèi)的圖像矩陣；利用Matlab軟件調(diào)取圖像矩陣的灰度分布直方圖，選取灰度值14進(jìn)行閾值化處理，獲得閾值化圖像。

圖3 典型圖像處理過程

如圖3（b）、3（c）分別為噴火2.6ms時刻灰度化圖像和閾值化圖像。處理后的圖像可有效消除背景影響，突出目標(biāo)邊緣，利于研究延期藥的噴火火焰特性。

2.2 延期藥燃燒噴火火焰特性的分析

選取時間間隔為0.6ms無切縫延期體噴火火焰圖進(jìn)行圖像處理，如圖4所示。

圖4 無切縫延期體初次噴火火焰圖

圖4中，0ms時火焰尚未噴出，0.6ms時未燃盡藥劑顆粒從端部噴出，從1.2ms開始，藥劑呈發(fā)散式運(yùn)動，未燃盡藥劑顆粒以喇叭狀向前做線性運(yùn)動，此時噴火界面無明顯湍流現(xiàn)象，噴火過程呈發(fā)散式線性運(yùn)動，火焰界面多個未燃盡延期藥顆粒由于慣性做超前運(yùn)動。圖5為無切縫延期體二次噴火火焰組圖，圖中8.7ms時，延期體端部二次噴火火焰呈現(xiàn)湍流現(xiàn)象，隨后湍流現(xiàn)象逐漸明顯，火焰徑向擴(kuò)散范圍增加。

圖5 無切縫延期體二次噴火火焰圖

根據(jù)層狀燃燒理論分析產(chǎn)生二次噴火火焰的原因。在延期體有限空間內(nèi)，藥劑產(chǎn)生的微氣體在管內(nèi)累積，形成高壓環(huán)境，氣體壓力累積大于藥劑顆粒間及藥劑與約束鋁管內(nèi)壁作用力時，燃燒反應(yīng)區(qū)和未反應(yīng)區(qū)的延期藥層間斷裂，出現(xiàn)不穩(wěn)定的脈動燃燒；在端口處的自由面上，反應(yīng)前區(qū)為未燃藥劑，延期藥被先行拋撒出端口，反應(yīng)區(qū)藥劑燃燒傳播至端口并噴出，產(chǎn)生不穩(wěn)定二次噴火現(xiàn)象。

圖6為有切縫延期體樣品測試結(jié)果圖，管內(nèi)延期藥燃燒界面經(jīng)過切縫時，燃燒產(chǎn)生的微氣體經(jīng)過切縫噴出，并伴有部分燃燒物?；鹧姘殡S高壓氣體通過泄壓切縫排出。圖6中23.9ms時燃燒波陣面剛傳播至泄壓切縫，反應(yīng)區(qū)內(nèi)鉛丹硅受熱生成高壓氣體經(jīng)泄壓切縫排出，向管口斜上方較小范圍擴(kuò)散；24.5ms時刻燃燒反應(yīng)區(qū)傳播至泄壓切縫，孔外燃生氣體減少，但噴出速率較大，這是由于波陣面后方燃燒產(chǎn)物間密度降低，燃生氣體所受阻力下降，噴火速率反而升高。圖中燃燒界面經(jīng)由泄壓切縫傳播至噴火端后，直接形成一次噴火，噴火界面無明顯湍流現(xiàn)象及發(fā)散性擴(kuò)散，噴火火焰界面更為集中，噴火速率較大。因此，在相同裝藥條件下，延期體側(cè)壁切縫可使預(yù)反應(yīng)區(qū)內(nèi)燃燒產(chǎn)生的周期性氣體累積壓力卸除，消除二次噴火現(xiàn)象，減弱延期藥的不穩(wěn)定燃燒。

圖6 有切縫延期體噴火火焰圖

2.3 延期體燃燒噴火火焰速度分析

圖7為無切縫延期體初次噴火火焰時間——速度圖，圖7中噴火火焰平均速率為17.96mm?ms-1，最大速率為25.52 mm? ms-1，約在1ms后噴火火焰速度趨于穩(wěn)定，火焰末端距管口最短距離約為10.48mm。

圖7 無切縫延期體初次噴火火焰?zhèn)鞑ニ俾?/p>

圖8為二次噴火火焰的時間——速度圖，二次噴火火焰平均速率約為2.56 mm·ms-1，最大速率為5.52mm ?ms-1，9.5ms后形成較為穩(wěn)定的燃燒界面，火焰末端距管口為2.53mm。

分析兩次噴火火焰可知，初次噴火火焰速率較大，噴火火焰距管口較遠(yuǎn)后擴(kuò)散，二次噴火速率相對較小，噴火界面在近管口處形成。即初次噴火火焰為延期藥噴出后于管外進(jìn)行的燃燒反應(yīng)，二次噴火現(xiàn)象主要由管內(nèi)延期藥的脈動燃燒引起。

圖8 無切縫延期體二次噴火火焰?zhèn)鞑ニ俾?/p>

圖9為有切縫延期體一次噴火火焰時間——速度圖。

圖9 有切縫延期體一次噴火火焰?zhèn)鞑ニ俾?/p>

圖9中噴火火焰平均速度為9.96mm·ms-1，噴火瞬間火焰?zhèn)鞑ニ俾首畲?，速度?7.83 mm·ms-1，噴火后0.5ms內(nèi)噴火火焰速度急速下降，0.5ms后噴火火焰速度趨于穩(wěn)定，火焰末端距管口最小距離為6.75mm。與無切縫延期體兩次發(fā)火火焰速度相比，一次發(fā)火初始速度更大，噴火火焰距管口較近，發(fā)火后速度下降幅度更大，但發(fā)火速度更快趨于穩(wěn)定。即有切縫延期體有效消除了延期藥管內(nèi)脈動燃燒的影響，一次噴火火焰噴火能量更為集中。

綜上分析，延期體內(nèi)藥劑燃燒產(chǎn)生微氣體積累，在藥芯間形成高壓環(huán)境，使密度均勻藥芯出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象，裂隙間的藥劑燃燒傳遞呈現(xiàn)間斷式，即忽明忽暗的脈動燃燒現(xiàn)象，而這種現(xiàn)象很大程度影響燃燒的穩(wěn)定性。在壓裝密實的延期體切縫后，燃燒沿切縫面不斷有氣體泄出，避免了高壓環(huán)境致使藥芯斷裂的現(xiàn)象，此時為穩(wěn)定均勻的層狀燃燒。

3 結(jié)論

采用高速紋影系統(tǒng)可獲得延期體噴火火焰流場圖，通過圖像處理技術(shù)，得到了噴火火焰結(jié)構(gòu)特性，揭示了藥劑燃燒內(nèi)部狀態(tài)。通過實驗圖像處理，發(fā)現(xiàn)有切縫時，延期體火焰噴出速度較慢，無切縫時，存在二次噴火火焰，且噴出速度較快，為不穩(wěn)定湍流現(xiàn)象。當(dāng)延期體側(cè)壁有切縫時，由于切縫的泄壓作用，而消除不穩(wěn)定二次湍流火焰，藥芯內(nèi)部燃燒穩(wěn)定。

延期體在制備過程中，由于藥芯藥劑密實裝藥，微氣體積累后，使藥芯環(huán)境內(nèi)形成高壓，燃燒呈不穩(wěn)定狀態(tài)；有待進(jìn)一步研究具有泄壓縫的延期體，測試泄壓縫與延期精度的關(guān)系。

[1] Nakamura H, Taniguchi H, Hara Y. Effect of milling on the burning rates of red lead‐ferrosilicon‐antimony(III) sulfide delay compositions[J]. Propellants Explosives Pyrotechnics, 1995, 20(2):87-90.

[2] Kai-Tai Lu, Yao-Chih Wang, Tsao-Fa Yeh,etc.. Investigation of the burning properties of Zr/B type and Ti/B type alloy delay compositions[J].Combustion and Flame,2009,156(8):1 677-1 682.

[3] 陳磊,韓體飛,孟麗娟.芯數(shù)對延期體延期精度的影響[J].火工品,2016(6):14-16.

[4] 韓體飛.影響延期藥精度的實驗研究[D].淮南:安徽理工大學(xué),2015.

[5] 馬志鋼,王瑾,葛雷,等.高速攝影法研究鉛芯延期體的燃燒特性[J].火工品, 2006(3):39-41.

[6] 武雙章,沈瑞琪,葉迎華,等.硼系延期藥燃燒特性分析[J].含能材料,2008,16(5):502-506.

Study on Output Flame Characteristics of Silicon Delay Element

HU Kun-lun, MENG Ke, HAN Ti-fei，ZHANG Ye，DING Feng

（School of Chemical Engineering，Anhui University of Science and Technology，Huainan，232001)

In order to study the output flame characteristics of the delay element, two kinds of delay elements of slotting and non-slotting were prepared by the silicon delay composition, and the flow field structure of the flame was observed by the high-speed camera and laser schlieren test system, meanwhile, the flame output rate was calculated, to study the relationship between the flame characteristics of the delay element and the combustion stability of the core. The results show that the secondary unstable turbulent flame exists in the combustion of the output flame when the end is non-slotting, which is caused by internal gas accumulation leading to the core break and producing pulsating combustion. When there is a slotting, there is no secondary turbulent flame, which is due to the pressure relief of the slotting, and that could make the density of the core uniform and the internal laminar combustion stable.

Delay element；Combustion characteristic；Silicon delay composition；Laser schlieren system；Output flame

1003-1480（2019）01-0022-04

TJ45+5

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2019.01.006

2018-11-26

胡坤倫（1962-），男，教授，主要從事民爆器材及爆破技術(shù)研究及教學(xué)。

國家自然科學(xué)基金項目（51004009）；安徽理工大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目（201710361268）；安徽理工大學(xué)校青年基金重點(diǎn)項目（12882）。