TNT坑道內(nèi)爆炸熱作用規(guī)律的試驗(yàn)研究

張玉磊，李芝絨，張俊鋒，潘 文，王勝強(qiáng)

(西安近代化學(xué)研究所，陜西 西安 710065)

引 言

坑道是重要的國防及人防工程，坑道內(nèi)爆炸效應(yīng)是毀傷及防護(hù)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。炸藥在坑道內(nèi)爆炸后，除了產(chǎn)生強(qiáng)沖擊波，還釋放大量的熱形成高溫火球向四周膨脹，對(duì)藏匿在坑道內(nèi)的人員、設(shè)備等軟目標(biāo)造成毀傷，因此研究坑道內(nèi)爆炸的熱作用具有重要意義。

目前關(guān)于坑道內(nèi)爆炸沖擊波效應(yīng)研究較多，沖擊波傳播規(guī)律已較為明晰[1-3]，而關(guān)于坑道內(nèi)熱作用方面的研究尚無定論?？拥纼?nèi)爆炸熱作用研究主要包括熱測(cè)試及其在坑道內(nèi)傳播規(guī)律兩方面內(nèi)容。李秀麗、郭學(xué)永等[4-5]采用紅外熱成像儀測(cè)量了溫壓炸藥在開放空間的爆炸溫度，并開展了熱輻射效應(yīng)研究，但這種測(cè)溫方式難以獲取火球內(nèi)部的溫度數(shù)據(jù)，且不適用于約束條件下的爆炸作用；姬建榮、王代華等[6-7]開展了基于鎢錸熱電偶的接觸式爆炸溫度測(cè)試方法研究;李芝絨等[8]建立了密閉空間內(nèi)非理想炸藥爆炸熱作用的實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法，為坑道內(nèi)爆炸熱效應(yīng)數(shù)據(jù)的獲取提供了方法；閆瀟敏等[9]開展了坑道內(nèi)溫壓炸藥熱效應(yīng)研究，但測(cè)點(diǎn)和實(shí)驗(yàn)樣本量較少，難以分析溫度場(chǎng)時(shí)空分布規(guī)律;Johansen等[10]研究了阻塞率對(duì)可燃?xì)怏w爆炸早期的火焰加速機(jī)理;溫小萍等[11]利用方形爆燃管對(duì)瓦斯爆炸火焰結(jié)構(gòu)、壓力波及其耦合關(guān)系進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試和分析，結(jié)果表明火球的結(jié)構(gòu)演變過程與壓力波的變化極為密切;汪泉等[12]開展了非金屬粉末對(duì)方管內(nèi)瓦斯預(yù)混火焰?zhèn)鞑サ挠绊懷芯浚瑸榭拥纼?nèi)的爆炸火球發(fā)展過程研究提供了參考。綜上所述，目前開展了部分熱測(cè)試研究和管道內(nèi)的火焰結(jié)構(gòu)演化及傳播規(guī)律研究，但開展坑道內(nèi)化爆熱作用規(guī)律的研究還很有限。

本研究開展了不同裝藥質(zhì)量的TNT坑道內(nèi)的爆炸試驗(yàn)，采用裸露型WRe5/26熱電偶獲得了不同爆心距的熱作用響應(yīng)溫度—時(shí)間曲線，分析了坑道內(nèi)爆炸溫度場(chǎng)時(shí)空分布規(guī)律，以期為炸藥坑道內(nèi)爆炸熱效應(yīng)測(cè)試及毀傷評(píng)估提供參考。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)樣品

炸藥樣品為質(zhì)量1kg和3kg的TNT炸藥，樣品均為長徑比約1∶1的壓制柱形裸藥，藥柱密度約1.56g/cm3。藥柱均以壓裝JH-14炸藥為傳爆藥，傳爆藥柱質(zhì)量為被試樣品的1%，用8號(hào)電雷管在藥柱上端面中心起爆。

1.2 測(cè)試設(shè)備及試驗(yàn)布局

試驗(yàn)坑道為截面尺寸1.2m×1.8m的鋼筋混凝土坑道，坑道壁厚20cm，其中爆心附近5m內(nèi)壁貼焊10mm厚鋼板。爆炸熱響應(yīng)溫度測(cè)量傳感器為自制的WRe 5/26裸露型熱電偶[6]，偶絲直徑0.2mm，測(cè)溫范圍0～2500℃，如圖1中放大部分所示。

試驗(yàn)時(shí)，TNT藥柱懸掛于距出口7m處的坑道內(nèi)截面中心位置，熱電偶溫度測(cè)點(diǎn)共7個(gè)，爆心距(D)分別為8、12、14、18、24、30和34m，熱電偶偶結(jié)指向爆心，偶結(jié)距坑道底部和側(cè)壁的垂直距離分別為0.9和0.3m。熱電偶安裝如圖1所示，坑道內(nèi)爆炸試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)布局如圖2所示。

圖1 熱電偶安裝圖Fig.1 Installation of thermocouple

圖2 坑道內(nèi)爆炸試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)布局Fig.2 Layout of explosion test in tunnel

2 結(jié)果與討論

2.1 響應(yīng)溫度—時(shí)間曲線分析

在爆炸場(chǎng)中偶絲結(jié)構(gòu)承受熱沖擊初期，由于熱流介質(zhì)的沖擊加熱過程往往比熱電偶結(jié)的響應(yīng)速度快，所以其測(cè)得的熱電偶響應(yīng)溫度不直接反映熱介質(zhì)的溫度，而是其作用于偶絲結(jié)構(gòu)后的溫升值，它反映了該區(qū)域熱流沖擊對(duì)偶絲結(jié)構(gòu)的熱作用強(qiáng)度，由熱流介質(zhì)溫度及其與被加熱熱電偶間的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)兩方面因素決定。

熱電偶傳感器測(cè)得的1kg TNT和3kg TNT坑道內(nèi)爆炸熱響應(yīng)溫度—時(shí)間(T—t)變化曲線如圖3所示。由圖3可以看出，溫度—時(shí)間曲線近似呈對(duì)稱狀單峰，上升及下降速率隨著爆心距的增加而減小，時(shí)程曲線變得相對(duì)平緩。1kg和3kg的TNT爆炸熱響應(yīng)溫度在上升過程中存在一個(gè)短暫延遲，這一現(xiàn)象在近場(chǎng)尤為明顯，這與TNT在受限空間內(nèi)爆炸產(chǎn)物的二次反應(yīng)有關(guān)。

TNT在約束空間內(nèi)的爆炸經(jīng)歷無氧爆燃反應(yīng)和有氧后燃燒反應(yīng)兩個(gè)階段，其中臺(tái)階前部分的溫度主要來源于無氧反應(yīng)的熱釋放。有氧后燃是產(chǎn)物與空氣混合反應(yīng)的過程，速率較慢，形成了T—t曲線上升過程的延遲平臺(tái)，隨著后燃反應(yīng)的進(jìn)行，溫度—時(shí)間曲線繼續(xù)上升。當(dāng)參與反應(yīng)的空氣中氧充足時(shí)，裝藥質(zhì)量越大，有氧后燃反應(yīng)持續(xù)時(shí)間越長、釋放的熱越多。從圖3(b)可以看出，3kg TNT裝藥的爆炸熱響應(yīng)溫度到達(dá)峰值后出現(xiàn)了短暫平臺(tái)，而1kg TNT裝藥的爆炸熱響應(yīng)溫度則無此現(xiàn)象。

圖3 不同質(zhì)量TNT坑道內(nèi)爆炸熱響應(yīng)溫度—時(shí)間曲線Fig.3 Temperature histories of thermal response of TNT with different masses in tunnel

由圖3可見，1kg TNT裝藥爆炸后8m處響應(yīng)溫度持續(xù)時(shí)間2.24s，18m處約為2.40s，34m處約為1.96s，各測(cè)點(diǎn)的平均溫度持續(xù)時(shí)間約為2.20s；3kg TNT裝藥爆炸后8m處響應(yīng)溫度持續(xù)時(shí)間3.51s，18m處約為3.60s，遠(yuǎn)場(chǎng)34m處約為3.03s，各測(cè)點(diǎn)的平均溫度持續(xù)時(shí)間約為3.30s。爆炸熱響應(yīng)溫度持續(xù)時(shí)間隨裝藥質(zhì)量的增加而增加，隨爆心距的增加變化相對(duì)較小，表明高溫火球在不同測(cè)點(diǎn)處的作用時(shí)間基本相當(dāng)。

2.2 響應(yīng)溫度峰值隨爆心距的變化

坑道內(nèi)不同爆心距測(cè)點(diǎn)處的響應(yīng)溫度峰值Tp隨爆心距(D)的變化如圖4所示。由圖4可以看出，隨著D的增加，坑道內(nèi)爆炸熱響應(yīng)溫度峰值呈“下降-上升-下降”的變化過程，在爆心距14～18m出現(xiàn)了響應(yīng)溫度峰值突躍上升。其中，1kg和3kg的TNT裝藥爆炸在14m處的響應(yīng)溫度峰值分別下降到12m處的41.5%和42.3%，18m處的響應(yīng)溫度峰值較12m處均略有提高，18m處的響應(yīng)溫度峰值較14m處躍升幅度分別達(dá)到了269.6%和246.7%。

圖4 溫度峰值隨爆心距的變化曲線Fig.4 changing curves of peak temperature with distances from the explosion center

炸藥爆炸后，火球陣面近似球面，隨著時(shí)間的發(fā)展，火球半徑逐漸增大。由于受管道壁面限制，火焰橫向發(fā)展趨勢(shì)明顯減弱，主要往縱向延伸，使火焰結(jié)構(gòu)由半球狀逐漸演變?yōu)槭种笭頪11]，此時(shí)火焰燃燒穩(wěn)定速度加快，溫度急劇上升。此后，火球陣面近似于平面，流場(chǎng)相對(duì)穩(wěn)定，溫度峰值逐漸下降，這一現(xiàn)象與沖擊波在坑道內(nèi)的傳播極為相似[1-3]。按等截面積計(jì)算，得到坑道的等效直徑為1.66m，溫度峰值上升出現(xiàn)在8～11倍等效直徑段。

2.3 火球傳播速度

忽略熱電偶的響應(yīng)時(shí)間，可近似認(rèn)為時(shí)程曲線的起點(diǎn)為火球到達(dá)時(shí)間?；谙噜彍y(cè)點(diǎn)的間距和火球到達(dá)時(shí)間差得到該距離段內(nèi)的火球傳播平均速度(v)，每個(gè)相鄰測(cè)點(diǎn)之間的火球傳播平均速度見表1，圖3中爆心距18m處的曲線上升起點(diǎn)先于14m，不作計(jì)算。

表1 不同爆心距區(qū)間的火球傳播速度Table 1 Propagation velocities of fireball at different distances from the explosion center

從表1可以看出，隨爆心距的增加，火球傳爆速度變化規(guī)律與溫度峰值類似，即先下降后升高再下降。在爆心距為8～11倍坑道等效直徑段(14～18m)，1kg TNT裝藥爆炸火球傳播速度達(dá)到了24.69m/s，為整個(gè)測(cè)試距離內(nèi)的最大值，是前后相鄰距離段內(nèi)速度的4倍以上，而在此區(qū)間段，響應(yīng)溫度峰值也顯著增加。在最末段火球速度降至最低，為4.88m/s。

由于坑道壁面的約束，爆炸火球由最初的球形發(fā)展到沿坑道向兩端穩(wěn)定傳播的手指型，在此過程完成時(shí)，火球傳播速度達(dá)到最大。根據(jù)傳熱原理，氣體介質(zhì)流速增加導(dǎo)致表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)增加，即使介質(zhì)本身溫度變化不是很顯著，熱電偶響應(yīng)溫度也會(huì)顯著上升。

2.4 裝藥質(zhì)量對(duì)溫度峰值和持續(xù)時(shí)間的影響

從圖4溫度峰值隨爆心距的變化曲線可以看出，在相同條件下，爆炸釋放的總熱量越大，坑道內(nèi)各測(cè)點(diǎn)的溫度峰值越高。3kg TNT裝藥坑道內(nèi)爆炸后各測(cè)點(diǎn)的溫度峰值Tp，3與1kg TNT裝藥的溫度峰值Tp,1比值隨爆心距的變化趨勢(shì)如圖5中曲線Tp,3/Tp,1所示。

圖5 響應(yīng)溫度峰值比值隨爆心距離的變化Fig.5 The variation of peak temperature ratio with distances from explosion center

按線性擬合得到:

k=-0.0035D+1.509

(1)

式中：k為3kg TNT與1kg TNT坑道內(nèi)爆炸后各測(cè)點(diǎn)的溫度峰值比值;D為爆心距，m。

公式(1)中一次項(xiàng)系數(shù)極小，說明兩種裝藥質(zhì)量的TNT爆炸熱響應(yīng)溫度峰值的比值隨爆心距離的變化基本不變，約為1.509，該值與兩種裝藥質(zhì)量的立方根比值1.44極為接近。與溫度峰值類似，3kg與1kg兩種TNT裝藥質(zhì)量的爆炸熱響應(yīng)溫度持續(xù)時(shí)間比值約為1.5，與兩種裝藥質(zhì)量的立方根比值1.44也極為接近。

據(jù)此推斷，在本試驗(yàn)條件下，兩種裝藥質(zhì)量的TNT坑道內(nèi)爆炸后，相同位置處的響應(yīng)溫度峰值之比和溫度持續(xù)時(shí)間均近似等于裝藥質(zhì)量的立方根之比，其他條件下該結(jié)論是否成立還需進(jìn)一步研究。

3 結(jié) 論

(1)TNT坑道內(nèi)爆炸后，熱電偶響應(yīng)溫度—時(shí)間曲線大致呈對(duì)稱狀單峰，由于產(chǎn)物的二次反應(yīng)，溫度上升過程中存在一個(gè)短暫的延遲臺(tái)階。隨著爆心距的增加，響應(yīng)溫度持續(xù)時(shí)間基本保持穩(wěn)定，而溫升速率和溫降速率不斷減小。

(2)響應(yīng)溫度峰值和火球傳播速度隨著爆心距的增加均呈“下降-上升-下降”的趨勢(shì)，1kg TNT和3kg TNT對(duì)應(yīng)的最高峰值分別為406℃和575℃，上升段位于8～11倍坑道等效直徑段。對(duì)于1kg TNT裝藥，火球平均傳播速度在爆心距14～18m內(nèi)達(dá)到最大值，為24.69m/s，在最末段火球速度降至最低，為4.88m/s。

(3)裝藥質(zhì)量越大，響應(yīng)溫度的峰值越大，持續(xù)時(shí)間越長。本試驗(yàn)條件下，1kg TNT和3kg TNT對(duì)應(yīng)的響應(yīng)溫度峰值分別為406℃和575℃，各測(cè)點(diǎn)響應(yīng)溫度持續(xù)時(shí)間平均分別為2.20s和3.30s，相同爆心距處的響應(yīng)溫度峰值之比、溫度持續(xù)時(shí)間之比均近似等于兩種裝藥質(zhì)量的立方根之比，該結(jié)論的適用范圍還需進(jìn)一步研究。