蔣 麗，白春華，劉慶明

（1.北京理工大學(xué)爆炸科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；

2.中國(guó)民航管理干部學(xué)院，北京 100102）

氣／固／液三相混合物燃燒轉(zhuǎn)爆轟過(guò)程實(shí)驗(yàn)研究*

蔣 麗1，2，白春華1，劉慶明1

（1.北京理工大學(xué)爆炸科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；

2.中國(guó)民航管理干部學(xué)院，北京 100102）

利用多相燃燒爆炸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，通過(guò)高壓噴粉／噴霧以及高能點(diǎn)火等過(guò)程，對(duì)化學(xué)當(dāng)量比條件下3種典型燃料空氣炸藥，即硝基甲烷／鋁粉／空氣、硝酸異丙酯／鋁粉／空氣、乙醚／鋁粉／空氣三相混合物的燃燒轉(zhuǎn)爆轟過(guò)程進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，同時(shí)根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比了3種三相混合物的燃爆性能。得到了三相懸浮混合物燃燒轉(zhuǎn)爆轟過(guò)程的宏觀規(guī)律以及三相混合物燃爆性能隨質(zhì)量濃度變化的規(guī)律。

爆炸力學(xué)；燃爆性能；燃燒轉(zhuǎn)爆轟；氣／固／液三相混合物；燃料空氣炸藥

1 引 言

20世紀(jì)50年代末60年代初，美國(guó)就開(kāi)始了對(duì)爆炸場(chǎng)壓力高、沖量大、殺傷威力強(qiáng)的燃料空氣炸藥（fuel air explosive，簡(jiǎn)稱(chēng)FAE）的研究。FAE武器主要工作原理是FAE燃料經(jīng)過(guò)拋撒，與周?chē)諝庋杆倩旌?，形成均勻的多相混合云霧，在適當(dāng)?shù)哪芰考?lì)下發(fā)生爆轟，利用產(chǎn)生的爆轟波、沖擊波、地震波、輻射熱等效應(yīng)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行毀傷。經(jīng)過(guò)不斷的摸索，學(xué)者們一致認(rèn)為：FAE燃料主要由液態(tài)燃料（如硝基甲烷、硝酸異丙酯、乙醚、環(huán)氧丙烷、環(huán)氧乙烷等）、固態(tài)燃料（如鋁粉、鎂粉等）以及敏化劑組成。

隨著研究的不斷深入，進(jìn)一步提高FAE武器的性能成為研究的熱點(diǎn)。F.Sauer等［1］、R.T.Sedgwick等［2］、惠君明等［3－5］、張?zhí)盏龋?－7］、王文京［8］、熊祖釗等［9］對(duì)爆炸場(chǎng)超壓分布進(jìn)行了理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)研究、對(duì)爆炸威力進(jìn)行了評(píng)估。本文中利用大型水平多相燃燒轉(zhuǎn)爆轟系統(tǒng)，在當(dāng)量比條件下，對(duì)3種典型FAE燃料（硝基甲烷／鋁粉／空氣、硝酸異丙酯／鋁粉／空氣、乙醚／鋁粉／空氣）的燃燒轉(zhuǎn)爆轟過(guò)程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。并在氣／固兩相［10－17］、氣／液兩相［18－22］混合物燃燒轉(zhuǎn)爆轟過(guò)程研究的基礎(chǔ)上，對(duì)氣／固／液三相混合物的燃燒轉(zhuǎn)爆轟過(guò)程進(jìn)行分析，揭示氣／固／液三相混合云霧燃燒轉(zhuǎn)爆轟的內(nèi)在規(guī)律，同時(shí)分析不同種類(lèi)三相混合物燃爆性能之間的差異。

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)介紹

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要包括水平多相燃燒爆炸管、噴霧／噴粉系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)、測(cè)試系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等。水平多相燃燒爆炸管內(nèi)徑為0.2m，總長(zhǎng)28m，中間用法蘭盤(pán)連接。在管道兩側(cè)以0.7m的間距均勻裝有40套噴粉／噴霧揚(yáng)塵系統(tǒng)。在管道上方均勻布置有測(cè)試孔，間距為0.7m。整條實(shí)驗(yàn)管道的一端由法蘭盤(pán)密封，另一端與體積為13m3的泄壓罐相連，全部管道安放在組合支架上。噴粉、噴霧系統(tǒng)能夠確保在水平燃燒爆炸管內(nèi)形成均勻彌散、懸浮時(shí)間達(dá)到秒級(jí)的混合云霧；點(diǎn)火過(guò)程為DX高能點(diǎn)火，發(fā)火電壓約2kV，單次儲(chǔ)能40J；測(cè)試系統(tǒng)由Kistler壓電式傳感器、適配器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成，用于測(cè)試氣／固／液三相混合云霧在燃燒轉(zhuǎn)爆轟過(guò)程中的瞬態(tài)壓力；控制系統(tǒng)用于控制噴射系統(tǒng)的開(kāi)啟、點(diǎn)火。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的詳細(xì)介紹見(jiàn)文獻(xiàn)［23］。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

利用上述實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行當(dāng)量比條件下的硝基甲烷／鋁粉／空氣、硝酸異丙酯／鋁粉／空氣、乙醚／鋁粉／空氣三相混合物燃燒轉(zhuǎn)爆轟過(guò)程的研究。實(shí)驗(yàn)用鋁粉為片狀，蓋水面積0.7m2／g，活性鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)不小于82%，粒度分布為當(dāng)篩網(wǎng)孔徑為45μm時(shí)，篩上料（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）不大于0.5%，篩網(wǎng)孔徑為56μm時(shí)，篩上料（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）不大于0.3%。硝基甲烷、硝酸異丙酯、乙醚均是從市場(chǎng)購(gòu)買(mǎi)的分析純。當(dāng)量比條件下硝基甲烷／鋁粉／空氣、硝酸異丙酯／鋁粉／空氣、乙醚／鋁粉／空氣中可燃液體的質(zhì)量濃度分別為458、324、162g／m3，鋁粉的質(zhì)量濃度為473g／m3。

3.1 當(dāng)量比條件下硝基甲烷／鋁粉／空氣三相混合物燃燒轉(zhuǎn)爆轟過(guò)程

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，噴霧、噴粉壓力均為0.8MPa，點(diǎn)火延遲為380ms，點(diǎn)火條件為電火花引燃管道左端2.1m范圍內(nèi)濃度為391g／m3的環(huán)氧丙烷／空氣兩相云霧，用環(huán)氧丙烷／空氣兩相混合云霧燃燒產(chǎn)生的平面波引燃硝基甲烷／鋁粉／空氣三相懸浮混合物。布置在水平燃燒爆炸管內(nèi)壁面不同點(diǎn)處的壓力傳感器一共15個(gè)，距管道左端分別為2.45、3.85、5.25、6.65、8.05、9.45、10.85、12.25、13.65、17.15、19.25、21.35、23.45、25.55和27.65m，用來(lái)測(cè)試三相混合物燃燒轉(zhuǎn)爆轟過(guò)程中的瞬態(tài)壓力。

表1為上述條件下，當(dāng)量比濃度的硝基甲烷／鋁粉／空氣三相混合云霧燃燒轉(zhuǎn)爆轟過(guò)程實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，表中x為壓力傳感器距管道左端距離、pmax為峰值超壓、t為引導(dǎo)沖擊波到達(dá)時(shí)間、vi為平均速度、vi＝（xi＋1－xi）／（ti＋1－ti），i表示實(shí)驗(yàn)序號(hào)。表1揭示了硝基甲烷／鋁粉／空氣三相懸浮云霧燃燒轉(zhuǎn)爆轟（DDT）的宏觀過(guò)程。

表1 當(dāng)量比條件下硝基甲烷／鋁粉／空氣三相混合物爆轟參數(shù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 1 Experimental results of DDT process in stoichiometric nitromethane／aluminum powder／air mixture

當(dāng)電火花點(diǎn)燃環(huán)氧丙烷云霧時(shí)，火花周?chē)脑旗F顆粒處于高溫狀態(tài)，云霧顆粒表面發(fā)生剝離、破碎、霧化，隨后發(fā)生蒸發(fā)、擴(kuò)散，以氣相反應(yīng)的形式進(jìn)行燃燒，點(diǎn)火過(guò)程得以維持自動(dòng)傳播。起初，燃燒速度非常低。隨著燃燒產(chǎn)物的膨脹，在燃燒陣面前產(chǎn)生一個(gè)壓縮波，因此形成了前驅(qū)壓縮波陣面和火焰陣面兩波三區(qū)結(jié)構(gòu)。由于是電火花點(diǎn)火，火焰以及前驅(qū)的壓縮波都是以球面的形式向外傳播的。當(dāng)碰到管壁時(shí)，管壁使前驅(qū)壓縮波運(yùn)動(dòng)受阻，管壁附近處流場(chǎng)湍流強(qiáng)度驟然增大，且在此出現(xiàn)回流區(qū)，并使得火焰面發(fā)生變形，以反射波的形式快速經(jīng)過(guò)點(diǎn)火頭下端未燃區(qū)域，并最終以平面波的形式向硝基甲烷／鋁粉／空氣三相懸浮云霧區(qū)域流動(dòng)。

當(dāng)環(huán)氧丙烷燃燒產(chǎn)生的前驅(qū)壓縮平面波進(jìn)入硝基甲烷／鋁粉／空氣三相懸浮混合物區(qū)域時(shí)，就會(huì)形成一個(gè)衰減的透射波。透射波過(guò)后，就會(huì)壓縮周?chē)南趸淄殪F滴以及片狀鋁粉顆粒，使得硝基甲烷霧滴進(jìn)一步霧化后蒸發(fā)，鋁粉表面熔化、蒸發(fā)、汽化，最終導(dǎo)致硝基甲烷／鋁粉／空氣三相混合物以氣相的形式進(jìn)行燃燒。燃燒產(chǎn)物膨脹壓縮周?chē)橘|(zhì)形成了壓縮波，且與化學(xué)反應(yīng)互相耦合，使得壓縮波不斷增強(qiáng)。因此，在距離點(diǎn)火端2.45～6.65m之間，由于壓縮波的形成，壓力有所上升，但上升速度緩慢，在6.65m處，壓力僅為0.85MPa；當(dāng)壓縮波傳播到8.05m處時(shí)，壓力突躍到1.32MPa，壓縮波在此處得到了增強(qiáng)；直到9.45m處，壓力為1.65MPa，此刻速度達(dá)到1.35km／s，反應(yīng)壓縮過(guò)程結(jié)束，進(jìn)入過(guò)渡過(guò)程。此后，燃燒過(guò)程由緩慢的反應(yīng)壓縮階段進(jìn)入過(guò)渡過(guò)程，燃燒速度突然從1.35km／s增加到2.13km／s，燃燒產(chǎn)物迅速膨脹導(dǎo)致反應(yīng)區(qū)內(nèi)壓力從1.65MPa降低到1.12MPa，過(guò)渡過(guò)程結(jié)束。隨后進(jìn)入快速的反應(yīng)沖擊階段，由于化學(xué)反應(yīng)與沖擊波耦合加劇，導(dǎo)致反應(yīng)速率加快，燃燒管內(nèi)壓力逐漸升高，直到在測(cè)點(diǎn)21.35m處，測(cè)試所得的超壓峰值達(dá)到最大值3.85MPa，爆轟波速度也達(dá)到了1.94km／s，過(guò)壓爆轟狀態(tài)出現(xiàn)。隨后，爆轟波速度逐漸趨于穩(wěn)定，火焰陣面追趕上了爆轟波陣面，自持穩(wěn)定的爆轟過(guò)程得以實(shí)現(xiàn)。

從表1可以看出，爆炸峰值超壓在21.35m（長(zhǎng)徑比L／D＝107）處達(dá)到最大值3.85MPa，具有明顯的爆轟特征。

同時(shí)，在相同的實(shí)驗(yàn)條件下，還分別進(jìn)行了當(dāng)量比條件下硝酸異丙酯／鋁粉／空氣、乙醚／鋁粉／空氣三相混合物燃爆實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致表明，氣／固／液三相混合物燃燒轉(zhuǎn)爆轟的宏觀過(guò)程主要包括反應(yīng)壓縮過(guò)程、過(guò)渡過(guò)程、反應(yīng)沖擊過(guò)程以及爆轟過(guò)程。

3.2 不同三相混合物燃爆性能對(duì)比

為了對(duì)比不同F(xiàn)AE燃料的燃爆性能，將上述3種實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。圖1、2分別為3種三相混合物在燃爆過(guò)程中，爆轟超壓峰值、爆轟波速度沿管長(zhǎng)的分布。

圖1 3種三相混合物燃爆過(guò)程中爆轟超壓峰值沿管長(zhǎng)的分布Fig.1Maximum overpressure peak with propagation distance during the DDT process in 3stoichiometric gas／solid／liquid mixtures

圖2 3種三相混合物燃爆過(guò)程中爆轟波速度沿管長(zhǎng)的分布Fig.2 Wave velocity with distance during the DDT process in 3stoichiometric gas／solid／liquid mixtures

從圖1可以看出，3種三相混合物的燃爆過(guò)程均經(jīng)歷了反應(yīng)壓縮過(guò)程、過(guò)渡過(guò)程、反應(yīng)沖擊過(guò)程以及爆轟過(guò)程。從爆轟成長(zhǎng)過(guò)程來(lái)看，硝基甲烷／鋁粉／空氣、硝酸異丙酯／鋁粉／空氣、乙 醚／鋁 粉／空 氣 分 別 在 21.35m（L／D ＝106.75）處、19.25m（L／D ＝96.25）處、17.15m（L／D＝85.75）處達(dá)到了爆轟狀態(tài)。

從圖2可以看出，與硝酸異丙酯／鋁粉／空氣、乙醚／鋁粉／空氣三相混合物相比，硝基甲烷／鋁粉／空氣三相混合物爆轟波速度在過(guò)壓爆轟趨于穩(wěn)定后，震蕩較大，主要是由于硝基甲烷／鋁粉／空氣三相混合物還未達(dá)到穩(wěn)定爆轟狀態(tài)，而硝酸異丙酯／鋁粉／空氣、乙醚／鋁粉／空氣三相混合物均已達(dá)到穩(wěn)定爆轟狀態(tài)。原因可能是，在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，硝基甲烷閃點(diǎn)較高（35℃），飽 和 蒸 汽 壓 較 低 （3.71kPa），粘 度 較 高（648g／s），而硝酸異丙酯、乙醚的閃點(diǎn)相對(duì)較高（分別為12℃、－45℃），飽和蒸汽壓也相對(duì)較高，粘度較低。所以在相同的噴霧條件下，硝酸異丙酯、乙醚相較硝基甲烷來(lái)說(shuō)，易在管道內(nèi)形成均勻穩(wěn)定的懸浮混合云霧，閃點(diǎn)較低也易于發(fā)生燃燒爆炸，易于達(dá)到穩(wěn)定爆轟。實(shí)驗(yàn)用的水平管道長(zhǎng)28m，管徑200mm，因此直到管內(nèi)27.65m（長(zhǎng)徑比L／D＝138.25）處，硝基甲烷／鋁粉／空氣混合物爆轟波速度較硝酸異丙酯／鋁粉／空氣、乙醚／鋁粉／空氣混合物，波動(dòng)比較大，尚未達(dá)到穩(wěn)定爆轟狀態(tài)。

硝基甲烷／鋁粉／空氣、硝酸異丙酯／鋁粉／空氣、乙醚／鋁粉／空氣三相混合物的質(zhì)量濃度分別為465、399、318g／m3，對(duì)應(yīng)的穩(wěn)定爆轟波速度分別為1.63、1.68、1.75km／s，由此可以看出，隨著三相混合物質(zhì)量濃度的減小，穩(wěn)定爆轟波速度增大。

4 結(jié) 論

（1）大型水平管道三相混合物DDT的宏觀過(guò)程主要包括反應(yīng)壓縮過(guò)程、過(guò)渡過(guò)程、反應(yīng)沖擊過(guò)程以及爆轟過(guò)程。（2）大型水平管道三相混合物燃爆實(shí)驗(yàn)中，混合物質(zhì)量濃度越小，穩(wěn)定爆轟波速度越大。

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Experimental study on DDT process in 3-phase suspensions of gas／solid particle／liquid mist mixture＊

JIANG Li1，2，BAI Chun-hua1，LIU Qing-ming1
（1.State Key Laboratory of Explosion Science and Technology，Beijing Institute of Technology，Beijing100081，China；
2.Civil Aviation Management Institute of China，Beijing100102，China）

The deflagration to detonation transition（DDT）processes in stoichiometric three-phase fuel／air explosives，which include nitromethane／aluminum powder／air，isopropyl nitrate／aluminum powder／air and ethyl ether／aluminum powder／air，were studied experimentally by using the multiphase combustion and detonation experimental system.And the combustion and detonation performances of different 3-phase mixtures were analyzed.The general regulation of the 3-phase mixture DDT was obtained.The results show that the combustion and detonation performances of the 3-phase mixture vary with the mass concentration.

mechanics of explosion；combustion and detonation performance；deflagration to detona-tion transition；gas／solid／liquid 3-phase mixture；fuel air explosive

18August 2009；Revised 4November 2009

JIANG Li，jiangli3199＠163.com

（責(zé)任編輯 曾月蓉）

O381；TJ41 國(guó)標(biāo)學(xué)科代碼：130·35

A

1001-1455（2010）06-0588-05

2009-08-18；

2009-11-04

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（10772032）

蔣 麗（1977— ），女，博士，講師。

Supported by the National Natural Science Foundation of China（10772032）