激波驅(qū)動(dòng)下硝酸異丙酯的分散變化規(guī)律研究?

張子龍 宋先釗 楊子凡 劉其閩 李 斌

南京理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院(江蘇南京，210094)

引言

液體在高速氣流作用下會(huì)發(fā)生變形和分裂，分散形成眾多微小液滴，從而霧化。根據(jù)霧化的過(guò)程，一般分為一次霧化和二次霧化。噴射出的液體進(jìn)入初始流場(chǎng)中，由于液滴與氣體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生不穩(wěn)定的表面波，這些波逐漸變化發(fā)展，最終發(fā)生破碎并分離出液滴，該過(guò)程稱為一次霧化；隨后，這些分離的液滴在周?chē)鷼怏w流場(chǎng)的激勵(lì)下，進(jìn)一步分裂形成微觀液滴，稱為二次霧化[1-5]。

液滴分散霧化過(guò)程的研究對(duì)于消防、內(nèi)燃機(jī)、軍事等領(lǐng)域都具有重要意義。例如，為了阻止火災(zāi)的蔓延，利用爆炸產(chǎn)生作用力將抑爆劑進(jìn)行拋撒，從而產(chǎn)生大范圍的惰性物質(zhì)分布區(qū)；利用激波將液體燃料分散霧化，可以提高以液體燃料為推進(jìn)劑的發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒效率，從而能夠減少能源的浪費(fèi)；而在國(guó)防軍事方面，分散霧化過(guò)程具有更為重要的應(yīng)用價(jià)值，在近現(xiàn)代局部戰(zhàn)爭(zhēng)中充分體現(xiàn)出了優(yōu)越性。

作為一種敏化劑，硝酸異丙酯(IPN)不僅在民用工業(yè)上能很好地改進(jìn)燃料的燃燒性能，而且在軍事上可以敏化某些液體碳?xì)淙剂希纳破浔Z性能。同時(shí)，由于IPN本身在一定外界能量的作用下具有爆炸危險(xiǎn)性，故研究其燃燒爆炸屬性能對(duì)正確使用這類物質(zhì)提供重要依據(jù)，對(duì)發(fā)展先進(jìn)的云霧爆轟武器和云霧爆轟控制技術(shù)具有重要意義[6-7]。

本文中，主要研究IPN液膜在激波作用下的拋灑及分散過(guò)程。通過(guò)改進(jìn)過(guò)的豎直激波拋灑裝置，以激波馬赫數(shù)Ma以及液膜厚度H為變量，輔以壓力測(cè)試系統(tǒng)以及高速攝影系統(tǒng)，對(duì)高速攝影系統(tǒng)捕獲的圖像以及壓力傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對(duì)液膜變化過(guò)程進(jìn)行宏觀研究，以探求其表觀變化規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用改進(jìn)過(guò)的豎直激波拋灑裝置。如圖1所示，實(shí)驗(yàn)裝置主要由高壓區(qū)、激波區(qū)、膜片、法蘭以及精度為1%的壓力傳感器組成。高壓氣體通過(guò)電磁閥進(jìn)入裝置高壓區(qū)內(nèi)，隨后沖破高壓區(qū)上方激波膜片，產(chǎn)生激波，通過(guò)改變激波膜片的厚度，產(chǎn)生不同強(qiáng)度的激波。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.1 Experimental device diagram

除激波強(qiáng)度外，液膜厚度也為變量之一。實(shí)驗(yàn)中，稱量紙承載液膜放置在激波區(qū)出口處；稱量紙上方為可更換法蘭，其正中央開(kāi)有一直徑為10 mm的圓孔；通過(guò)更換不同厚度的法蘭，改變液膜的厚度。根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)以及前期預(yù)備實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，液膜厚度以4 mm為差值變化時(shí)，液膜會(huì)表現(xiàn)出明顯的變化差異。因此，主要研究4種不同的液膜厚度(分別為8、12、16 mm以及20 mm)的圓柱狀液膜。

通過(guò)高速攝影系統(tǒng)的參數(shù)確定時(shí)間t。使用的高速攝影系統(tǒng)每0.2 ms拍攝一張照片，因此以0.2 ms作為時(shí)間間隔對(duì)高速攝影結(jié)果進(jìn)行分析。

1.2 實(shí)驗(yàn)步驟

將高壓氣體入口通過(guò)電磁閥連至高壓空氣瓶。每次實(shí)驗(yàn)前，打開(kāi)高壓區(qū)上方的膜片法蘭螺栓，更換不同馬赫數(shù)Ma的激波膜片。分析云爆武器實(shí)際應(yīng)用時(shí)產(chǎn)生激波的Ma，將激波管出口處激波的Ma設(shè)置為:1.44±0.04、1.53±0.08及1.62±0.11。

安裝好膜片后，將實(shí)驗(yàn)裝置連接真空泵，抽真空檢查裝置氣密性。若氣密性不良，檢查漏氣處；氣密性良好，則繼續(xù)實(shí)驗(yàn)。

由于IPN的黏度太低，每次實(shí)驗(yàn)時(shí)以一張稱量紙盛裝液體。液膜厚度H為8、12、16 mm以及20 mm。加注完液體后，開(kāi)始實(shí)驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 液膜運(yùn)動(dòng)規(guī)律的分析

分析圖2~圖3中的典型圖片。重點(diǎn)關(guān)注其宏觀運(yùn)動(dòng)規(guī)律和水平及豎直方向的分散程度。

有關(guān)研究表明，液膜分散霧化過(guò)程是氣動(dòng)力控制過(guò)程[8]，氣動(dòng)破碎是液滴破碎的主要形式[9]。但在本實(shí)驗(yàn)條件下，液膜還會(huì)受到激波的作用。激波與液膜作用過(guò)程中存在入射、反射與透射現(xiàn)象。透射激波影響液膜左側(cè)破碎云團(tuán)形狀，入射激波和反射激波影響液膜右側(cè)破碎云團(tuán)形狀。激波從管口出來(lái)后形成不穩(wěn)定的狹長(zhǎng)射流[10]，而流體界面的不穩(wěn)定變化是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，包括尖釘、氣泡的形成[11]。由圖2可以發(fā)現(xiàn):在Ma＝1.53±0.08激波作用下，0~1 ms時(shí)，液膜會(huì)在激波產(chǎn)生的射流作用下以錐型向上突起，并會(huì)出現(xiàn)不規(guī)則的尖釘；此時(shí)液膜發(fā)生初次分散，這些尖釘在不穩(wěn)定射流作用下失穩(wěn)并且破碎成球形液滴[12]。1~3 ms為液膜的擴(kuò)散階段，在此階段內(nèi)液膜上端會(huì)逐漸變平，并且在射流以及激波的作用下呈現(xiàn)出變粗、變長(zhǎng)的趨勢(shì)；在2 ms時(shí)，液柱下方均出現(xiàn)了明顯的絲狀分散痕跡，并帶有明顯的液絲，在液柱兩側(cè)也出現(xiàn)了明顯的尖釘現(xiàn)象，這些尖釘破碎成球形液滴并變?yōu)樗椒较虻脑旗F擴(kuò)散。4~8 ms階段內(nèi)，液柱的形狀已無(wú)明顯變化，已破碎的液膜在激波作用下再次分散，在這個(gè)過(guò)程中會(huì)形成更多的絲狀云霧，并且由液膜下方逐漸發(fā)展到液膜上方。這些絲狀云霧會(huì)隨著激波作用時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸消失。這些絲狀云霧應(yīng)該是IPN部分氣化時(shí)的殘留效應(yīng)，但隨著激波的不斷作用，其最終完全氣化，這與有關(guān)石油醚[8]研究結(jié)果類似，如圖3所示。石油醚液膜在分散初期也會(huì)出現(xiàn)明顯的尖釘效應(yīng)，在分散后期也會(huì)出現(xiàn)液絲；并且，隨著液膜厚度的增加，液膜整體變形明顯變慢，絲狀云霧的量隨之增加，且持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)，分散效果變差。

圖3 Ma＝1.62±0.11激波作用下12 mm厚的石油醚液膜的高速攝影圖像[8]Fig.3 High speed photographic images of 12 mm-thick petroleum ether liquid film under shock wave with Ma＝1.62±0.11[8]

對(duì)高速攝影圖像進(jìn)行處理，得到了不同時(shí)間的豎直方向云霧高度h、水平方向云霧寬度l、豎直方向高度變化△h1和水平方向?qū)挾茸兓省鱨2，如圖4所示。令δ＝△h1/△l2，δ隨時(shí)間的變化情況如圖5所示。

云霧拋撒過(guò)程可分為3個(gè)階段，分別是加速運(yùn)動(dòng)階段、減速運(yùn)動(dòng)階段和湍流運(yùn)動(dòng)階段[13]。將8、12、16 mm以及20 mm的液膜運(yùn)動(dòng)圖像進(jìn)行比較，并結(jié)合圖4可發(fā)現(xiàn):在1 ms的時(shí)間內(nèi)，水平、豎直方向均出現(xiàn)明顯的云霧拋灑，可以認(rèn)為在水平和豎直方向上均出現(xiàn)了分散現(xiàn)象。在運(yùn)動(dòng)初期，△l2要明顯大于△h1，液膜呈現(xiàn)水平方向快速分散的現(xiàn)象。但隨著激波作用時(shí)間的增加，△l2會(huì)逐漸減小，△h1逐漸增大，由此可以發(fā)現(xiàn)，水平方向先進(jìn)入到減速運(yùn)動(dòng)階段。

液滴與激波碰撞后，液滴的拋撒是一個(gè)多階段的漸進(jìn)過(guò)程[14]。分析圖4~圖5可以發(fā)現(xiàn)，△h1、△l2以及δ均存在多個(gè)峰值與谷值。對(duì)照?qǐng)D2可知，此時(shí)會(huì)有絲狀云霧的出現(xiàn)；并隨著峰、谷的不斷出現(xiàn)，會(huì)有更細(xì)小的絲狀云霧的出現(xiàn)。此時(shí)發(fā)生了液滴的再次分散現(xiàn)象，最外側(cè)的液滴在激波作用下不斷被分散，最終變成混合氣體。δ由0開(kāi)始，逐漸增大；隨著液膜厚度增大，δ＝1所需的時(shí)間增長(zhǎng)，即△h1＝△l2時(shí)所需的時(shí)間增長(zhǎng)。

圖2 Ma＝1.53±0.08激波作用下IPN液膜的高速攝影圖像Fig.1 High speed photographic images of IPN liquid films under shock wave with Ma＝1.53±0.08

圖4 高速攝影圖像得到的各參數(shù)隨時(shí)間的變化曲線Fig.4 Changes of parameters obtained from high speed photographic images with time

圖5 δ隨時(shí)間的變化曲線Fig.5 Changes ofδwith time

液膜的豎直及水平方向的變化距離均與液膜厚度負(fù)相關(guān)、與激波強(qiáng)度正相關(guān)。對(duì)云霧高度h以及寬度l與時(shí)間t的關(guān)系進(jìn)行擬合，所得關(guān)系式分別如表1~表2所示。

由表1~表2發(fā)現(xiàn)，在4種液膜厚度的情況下，豎直方向與水平方向的液膜運(yùn)動(dòng)距離與時(shí)間呈4次方關(guān)系，并且R2均大于0.98，這說(shuō)明擬合關(guān)系式相關(guān)性較佳。水平方向上，8 mm及12 mm液膜厚度時(shí)，l與t4有很好的相關(guān)性；當(dāng)液膜厚度增加到16 mm及以上時(shí)，l與t4相關(guān)性變差。在h、l與t的關(guān)系式中，當(dāng)液膜厚度為8 mm時(shí)，t4系數(shù)最大；液膜厚度為20 mm時(shí)，t4系數(shù)最?。划?dāng)液膜厚度為12 mm和16 mm時(shí)，t4系數(shù)接近?？傮w來(lái)看，t4系數(shù)在液膜厚度從8 mm到12 mm以及大于16 mm時(shí)呈現(xiàn)出快速下降的趨勢(shì)，在12 mm到16 mm之間變化不大。

表1 云霧高度h與時(shí)間t的擬合式Tab.1 Fitting formulas between cloud height h and time t

表2 云霧寬度l與時(shí)間t的擬合式Tab.2 Fitting formulas between cloud width l and time t

2.2 入射激波與反射激波的變化分析

所選用的測(cè)試系統(tǒng)中共設(shè)有8個(gè)壓力傳感器。以傳感器P4為例，研究入射激波以及與液膜接觸后的反射激波的壓力變化。對(duì)壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后得到表3。表3中:p4為入射激波壓力；p′4為反射激波壓力；△p為超壓；ε為超壓比，ε＝△p/p4。

由表3可知:當(dāng)激波強(qiáng)度為Ma＝1.44±0.04時(shí)，ε≈2；當(dāng)激波強(qiáng)度為Ma＝1.62±0.11時(shí)，ε≈3；激波強(qiáng)度增大，超壓比ε增大。張曉娜等[15]對(duì)燃料拋撒的分散過(guò)程進(jìn)行了研究，提出入射激波、反射激波等相互作用對(duì)云霧狀態(tài)造成影響。且當(dāng)激波以傳感器作用于普通密度物質(zhì)時(shí)，激波在作用面會(huì)發(fā)生大量的透射、反射和繞射，初始激波的形態(tài)和強(qiáng)度會(huì)發(fā)生較大的變化[16]。對(duì)此現(xiàn)象，考慮是由于入射激波強(qiáng)度的不足所導(dǎo)致，激波與液膜接觸后，發(fā)生透射、投射和反射，激波強(qiáng)度發(fā)生衰減，無(wú)法為液膜分散提供足夠能量。當(dāng)激波強(qiáng)度較低時(shí)，ε會(huì)在一個(gè)范圍附近波動(dòng)；當(dāng)激波強(qiáng)度較高時(shí)，激波衰減后仍能提供足夠的能量，ε更大。分析認(rèn)為，激波強(qiáng)度在超過(guò)Ma＝1.53±0.08之后，ε會(huì)逐漸有隨著H變化發(fā)生線性變化的趨勢(shì)。當(dāng)激波強(qiáng)度為Ma＝1.62±0.11時(shí)，△p會(huì)隨著H的改變呈現(xiàn)線性變化；εmin≈2.6，εmax≈3.0，ε會(huì)隨著H的增加而增大。

表3 傳感器P4測(cè)得的入射激波壓力與反射激波壓力Tab.3 Incident shock pressure and reflected shock pressure measured by Sensor P4

石油醚是云爆武器的另一種典型燃料。有關(guān)石油醚[8]研究表明，4~16 mm厚的石油醚液膜的反射超壓為654.7 kPa。在激波強(qiáng)度相同的情況下，IPN的超壓要明顯小于石油醚，說(shuō)明相同條件下，激波作用在IPN液膜后能量衰減更多。這表明，同等條件下，IPN液膜分散過(guò)程所需的能量更大。

2.3 液體云霧超壓的研究

通過(guò)位于液膜上方的間距為10 cm的壓力傳感器測(cè)量液膜分散形成的云霧的壓力變化，對(duì)壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到表4。表4中，p5~p8分別為對(duì)應(yīng)傳感器P5~P8測(cè)得的壓力。

表4 傳感器P5~P8測(cè)得的壓力Tab.4 Pressure measured by Sensor P5-Sensor P8

由于傳感器P5與法蘭直接接觸，會(huì)因設(shè)備振動(dòng)等原因產(chǎn)生一定誤差，對(duì)此在討論時(shí)忽略傳感器P5的值，分析其他3個(gè)傳感器(P6、P7、P8)的壓力變化情況。當(dāng)以傳感器與液膜的距離為變量進(jìn)行研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，云霧形成的壓力與傳感器距液膜的距離呈負(fù)相關(guān)；以激波馬赫數(shù)為變量研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，云霧形成的壓力與激波馬赫數(shù)呈正相關(guān)。

8 mm液膜產(chǎn)生的壓力僅次于20 mm液膜產(chǎn)生的壓力；12 mm的液膜所產(chǎn)生的壓力均較小。由于壓力傳感器所測(cè)數(shù)據(jù)是云霧壓力的最大值，考慮此現(xiàn)象是因?yàn)橐耗ず穸燃凹げ◤?qiáng)度兩種因素共同影響導(dǎo)致的。結(jié)合圖4發(fā)現(xiàn)，在相同時(shí)間間隔內(nèi)，h以及l(fā)均與H負(fù)相關(guān)。理論上，此時(shí)云霧壓力應(yīng)與液膜厚度正相關(guān)，但仍需考慮激波強(qiáng)度帶來(lái)的影響。

δ可以作為分散程度的判據(jù)。單位時(shí)間內(nèi)，δ越大，表示液膜分散得越快。通過(guò)圖5可以得到，激波強(qiáng)度為Ma＝1.53±0.08時(shí)，δ8＞δ20＞δ16＞δ12。故8 mm液膜分散得最快，20 mm液膜次之。在8~20 mm液膜厚度的范圍內(nèi)，8 mm厚的液膜主要是受激波強(qiáng)度的影響，分散得更徹底，分散效果更好。20 mm液膜的分散過(guò)程主要是受液膜厚度的影響，隨著液膜厚度的增加，透射激波強(qiáng)度減小，反射激波強(qiáng)度增大，液滴的二次破碎情況減弱。液滴粒徑增大[17]，液膜分散效果變差，分散程度逐漸減弱。激波能量主要用于一次分散霧化過(guò)程，故而距液膜10 cm處形成的分散云霧仍具有較大的壓力。但由于初次分散霧化產(chǎn)生的液滴體積及速度均較大，方向不定，粒子間相互碰撞而使其能量降低，致使距液膜20 cm處的云霧壓力與16 mm液膜相比下降更多。因此，隨著液膜厚度的增加，激波強(qiáng)度的影響逐漸降低，液膜厚度的影響逐漸增高。當(dāng)液膜厚度為12 mm時(shí)，δ最小，說(shuō)明其分散的過(guò)程最慢、效果最差?；诖爽F(xiàn)象以及表1~表2有關(guān)內(nèi)容認(rèn)為:IPN液膜厚度H＝12 mm時(shí)，激波強(qiáng)度及液膜厚度的影響均最小，液膜分散效果最差；H＜12 mm時(shí)，液膜的變化過(guò)程主要受激波強(qiáng)度影響；H＞12 mm時(shí)，液膜的變化過(guò)程主要受液膜厚度影響。

3 結(jié)論

1)IPN液膜在激波作用下水平與豎直方向上均發(fā)生分散。初始階段，以水平方向的分散為主；隨后，以豎直方向的分散為主。水平方向，液膜拋灑先進(jìn)入減速階段，隨著液膜厚度的增加，液膜分散效果變差，分散時(shí)間變長(zhǎng)，其分散表征與石油醚相似。

2)IPN液膜分散所需能量要高于石油醚，在Ma為1.53±0.08與1.62±0.11之間存在一個(gè)激波強(qiáng)度，在這個(gè)激波強(qiáng)度下，超壓比ε隨液膜厚度H呈線性變化的趨勢(shì)，可以為液膜分散提供足夠的能量。

3)IPN液膜分散過(guò)程中，H＝12 mm時(shí)，液膜分散過(guò)程的主要影響因素發(fā)生變化。H＜12 mm時(shí)，液膜的變化過(guò)程主要受激波強(qiáng)度影響；H＞12 mm時(shí)，液膜的變化過(guò)程主要受液膜厚度影響。