方 偉, 趙省向, 李文祥, 賈憲振, 姚李娜

(西安近代化學(xué)研究所, 陜西 西安 710065)

1 引 言

燃料的爆炸拋撒是形成燃料空氣炸藥(FAE)的主要方式[1],FAE的爆轟性能在宏觀上受到云霧形狀和尺寸的影響,在微觀上受到燃料粒度大小和空間分布的影響,而這些影響因素很大程度上決定于燃料的拋撒過程。

爆炸拋撒形成FAE云霧是一個相當(dāng)復(fù)雜的過程,目前,FAE燃料爆炸拋撒的研究主要以試驗為主。李席[2]利用高速攝影技術(shù)研究了燃料種類和比藥量對液固FAE云霧狀態(tài)的影響，利用同樣的技術(shù),張奇[3]研究了比藥量與云霧尺寸之間的對應(yīng)關(guān)系,蔣治海[4]研究了不同厚度殼體的破裂過程。同時,通過相關(guān)測試技術(shù),拋撒顆粒粒度和動能特征也得到了廣泛研究[5-8]。此外,仿真計算技術(shù)在近年來也逐步開始應(yīng)用于爆炸拋撒的研究[9-10]。分析已有文獻(xiàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn),對FAE燃料爆炸拋撒全過程及不同階段云霧發(fā)展變化規(guī)律的研究比較缺乏。為此,本研究利用外場實驗與仿真計算相結(jié)合的方法,針對新型FAE燃料體系,對燃料爆炸拋撒全過程和各階段燃料運(yùn)動特征進(jìn)行描述分析,并結(jié)合濃度測試,揭示云霧內(nèi)部燃料的分布特征。

2 實驗部分

2.1 試驗裝置及測試條件

FAE燃料的拋撒試驗在野外靶場進(jìn)行,拋撒裝置結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。中心拋撒裝置殼體為圓柱形,圓柱尺寸為Ф195 mm×205 mm; 圓柱中心軸向設(shè)置中心管用于固定中心拋撒藥柱,中心管直徑為26 mm; 中心管與圓柱殼體之間的空間用于裝填FAE燃料,殼體采用聚氯乙烯(PVC)材料制成。選用TNT作為拋撒藥,藥柱尺寸為Ф25 mm×175 mm,密度為1.56 g·cm-3,比藥量為3.5%左右。

圖1 FAE爆炸拋撒裝置

1—雷管, 2—起爆藥柱, 3—殼體, 4—拋撒裝藥, 5—FAE燃料, 6—殼底

Fig.1 FAE explosion dispersal device

1—detonator, 2—initiating explosive grain, 3—shell, 4—dispersal charge, 5—FAE fuel, 6—shell bottom

采用高速攝影記錄燃料拋撒過程,拍攝速率為3800幀/s,像素為1024×624。裝填完畢的拋撒裝置水平放置于高2m的木支架上,以拋撒裝置所在位置為中心,在兩邊同一直線上,距爆心距離為2 m和4 m處,分別設(shè)置2個高3 m的標(biāo)桿,以便于估測拋撒云團(tuán)尺寸, 高速攝影裝置距爆心50 m,與拋撒裝置同高,兩者中心連線與標(biāo)桿所在平面垂直。

2.2 FAE燃料的選擇

為了盡量減少影響因素,試驗采用同種體系的燃料,主要組分包括烴、硝酸酯、鋁粉以及添加劑。通過變化液體組分比例和添加鋁粉來調(diào)節(jié)FAE燃料的密度,試驗對象分為液體型和液固復(fù)合型兩類,對應(yīng)的裝藥密度和裝藥質(zhì)量見表1(每發(fā)裝藥體積基本保持一致)。

表1 燃料密度和裝藥質(zhì)量

Table 1 Density and charge mass of fuel

typesoffuelNo．density/g·cm-3massofcharge/gliquid1#0．8639332#0．8940703#1．024665liquid/solidmixture4#1．1050265#1．2054806#1．305935

2.3 云霧濃度測量

采用波長為630 nm的激光照射燃料拋撒云團(tuán),并對透過云團(tuán)的激光強(qiáng)度進(jìn)行探測,通過比較光能量的衰減情況來實現(xiàn)云團(tuán)內(nèi)顆粒平均濃度的測量。濃度測量系統(tǒng)主要由激光發(fā)射器、發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)、接收光學(xué)系統(tǒng)、激光接收器、信號處理電路、多通道高速數(shù)據(jù)記錄儀、系統(tǒng)軟件等組成,構(gòu)成示意圖如圖2所示。

圖2 濃度測量系統(tǒng)構(gòu)成示意圖

Fig.2 Schematic diagram of concentration test system structure

3 結(jié)果與討論

3.1 FAE燃料爆炸拋撒過程及分析

圖3為1#～6#燃料拋撒過程的高速攝影照片,其主要拋撒現(xiàn)象為: 0.26 ms時,拋撒裝藥的爆轟產(chǎn)物突破周圍包裹的燃料而發(fā)出亮光; 1 ms時,燃料呈圓環(huán)狀將大部分爆轟產(chǎn)物包裹在軸向中心位置,燃料環(huán)沿徑向快速擴(kuò)展; 5 ms時,燃料環(huán)表面密布針狀燃料射流; 10 ms時,1#、2#、3#燃料射流明顯減少,而4#、5#、6#燃料射流仍清晰可見,通過觀察對比該時刻的拋撒照片,可發(fā)現(xiàn)射流運(yùn)動持續(xù)時間隨燃料密度增大而變長的趨勢; 40ms時,射流已完全消失,燃料完全與空氣混合形成云霧。此外,燃料環(huán)上部射流指向為斜上方而非水平方向,這是由于TNT拋撒藥從上端起爆,下部燃料受到的壓力高于上端,并且支架平面對爆轟波具有一定的反射作用的結(jié)果。

對試驗現(xiàn)象進(jìn)行分析認(rèn)為,燃料在爆炸拋撒條件下的運(yùn)動主要包括以下過程: TNT爆轟產(chǎn)物氣體作用于燃料形成沖擊波,沖擊波壓力迅速傳遞到拋撒裝置殼體并使之破裂,燃料隨即從裂縫中噴出形成射流,燃料射流由于受到界面不穩(wěn)定性的影響失去穩(wěn)定產(chǎn)生紊動,在隨后的運(yùn)動中,氣液固界面不穩(wěn)定性得到充分發(fā)展,燃料破碎成顆粒群,最終形成燃料空氣混合云霧。通過上述分析可知,燃料在形成云霧之前,其運(yùn)動主要以射流為主,云霧形成后,燃料的運(yùn)動主要為擴(kuò)散運(yùn)動。

3.2 拋撒云霧運(yùn)動特性

對拋撒過程的高速攝影照片進(jìn)行處理,得到不同燃料云霧直徑隨時間的變化曲線,如圖4所示。從圖4中可以看出,各燃料云霧直徑在前40 ms增長較快,隨著時間的延長,云霧直徑的增長速率逐漸減小。燃料拋撒時先受到爆炸驅(qū)動力的作用,隨著云霧的擴(kuò)展,爆炸驅(qū)動力逐漸減弱,氣動阻力的影響相對增強(qiáng),燃料云霧的直徑增長速率出現(xiàn)由快到慢的變化過程。從圖4還可以看到1#、2#燃料云霧直徑變化曲線基本重合,這是由于1#和2#燃料密度(0.86 g·cm-3和0.89 g·cm-3)相差較小,物理性能也基本相同,相同拋撒條件下的云霧尺寸差別很小。對比3#～6#直徑變化曲線可以看出,相同時刻,燃料密度越大,拋撒云霧直徑也越大。

為了進(jìn)一步分析液體和液固復(fù)合型燃料拋撒運(yùn)動的差異,將2#和6#燃料拋撒結(jié)果進(jìn)行比較。從圖5看出,拋撒后10 ms左右的時間內(nèi),2#燃料的直徑大于6#燃料,之后,6#燃料的直徑超過2#。通過比較燃料運(yùn)動速度能更直觀的解釋這兩種燃料拋撒尺寸變化的差異,因此對圖5中的曲線求導(dǎo),得到2#和6#燃料邊界運(yùn)動速度變化曲線,如圖6所示。從圖6中看出,在測量時間范圍內(nèi),2#和6#燃料邊界的運(yùn)動速度均持續(xù)降低,10 ms之前,兩種燃料均大致處于勻減速狀態(tài),其中2#燃料速度降低的更快,10～20 ms,燃料的減速運(yùn)動狀態(tài)發(fā)生了擾動,20 ms以后,燃料邊界速度漸趨平穩(wěn)。

圖3 燃料拋撒過程高速攝影照片

Fig.3 High-speed photographs of fuel dispersion process

圖4 FAE燃料云霧擴(kuò)展直徑與時間關(guān)系

Fig.4 Variation in FAE fuel cloud expanding diameters with time

圖5 2#和6#燃料云霧擴(kuò)展直徑與時間關(guān)系

Fig.5 Variation in 2#and 6#FAE fuel cloud expanding diameters with time

分析認(rèn)為,燃料受拋撒裝藥爆轟產(chǎn)物驅(qū)動速度很快達(dá)到最大值,然后,在氣動阻力作用下,燃料射流作為整體速度不斷降低,拋撒后10 ms左右,燃料射流在界面不穩(wěn)定性影響下開始破碎成大小不一顆粒,燃料整體性遭到破壞,由于大小不同的燃料顆粒受到的阻力不同,界面處燃料顆粒的運(yùn)動速度變化出現(xiàn)差異(圖6中燃料速度的擾動就發(fā)生在該階段),隨著時間的發(fā)展,燃料射流完全破碎成顆粒并形成緩慢擴(kuò)散的燃料云霧。通過上述分析可得到的結(jié)論是: 燃料射流破碎速度越慢,持續(xù)時間越長,越有利于拋撒云霧直徑的擴(kuò)展?；谠摻Y(jié)論,密度較大的燃料受到氣動阻力的影響較小,導(dǎo)致破碎成燃料顆粒的速度更慢,射流持續(xù)時間更長,所以具有更大的拋撒云霧直徑。

圖6 2#和6#FAE燃料邊界運(yùn)動速度與時間關(guān)系

Fig.6 Variation in boundary movement velocity of 2#and 6#FAE fuel with time

3.3 燃料運(yùn)動速度計算

由上節(jié)分析可知,燃料在拋撒裝藥爆轟產(chǎn)物驅(qū)動下,運(yùn)動速度很快達(dá)到最大值,由于時間尺度太小,高速攝影無法觀測到燃料的加速過程,為此,采用AUTODYN程序[11]對6#燃料爆炸拋撒過程進(jìn)行數(shù)值模擬,得到了特定位置處燃料質(zhì)點A(A點位于燃料圓柱外表面中心點處)的速度變化情況。計算模型(圖7)包含三種材料: 炸藥、燃料和空氣。

圖7 燃料拋撒模型

Fig.7 Dispersion model of fuel

TNT炸藥爆轟產(chǎn)物的狀態(tài)方程采用JWL方程[11]:

(1)

式中,p為壓力,Pa;e0為初始比內(nèi)能,J·m-3或Pa;v為相對比容,無量綱量;A,B,R1,R2和ω均為JWL狀態(tài)方程參數(shù),A=3.712×1011Pa,B=0.0323×1011Pa,R1=4.15,R2=0.95和ω=0.4。

燃料的狀態(tài)方程采用Mie-Gruneisen方程,該方程可以模擬燃料在爆炸波高壓驅(qū)動作用下的燃料狀態(tài),在AUTODYN中該方程的形式為[11]:

p=pH+Γρ(e-eH)

(2)

式中,p為壓力,Pa;pH為沖擊Hugoniot壓力,Pa;Γ為Gruneisen系數(shù);ρ為密度,kg·m-3;e為單位質(zhì)量內(nèi)能,J·kg-1,eH為單位質(zhì)量參考內(nèi)能,J·kg-1。計算時認(rèn)為Γρ=Γ0ρ0=constant,并且:

(3)

(4)

式(3)和(4)中μ為壓縮比,μ=ρ/ρ0-1,c0和s分別為Hugoniot沖擊關(guān)系式中的常數(shù),即:

us=c0+sup

(5)

式中,us和up分別為沖擊波速度和質(zhì)點速度,二者的單位均為m·s-1,c0=1560 m·s-1,s=1.72。

空氣的狀態(tài)方程采用理想氣體狀態(tài)方程[11]:

p=(γ-1)ρe0

(6)

式中,p為壓力,Pa,γ為絕熱指數(shù),空氣γ=1.4,ρ為密度,kg·m-3,e0為初始比內(nèi)能,J·m-3或Pa。

圖8為燃料質(zhì)點A的速度變化計算結(jié)果。從圖8中可以看出,拋撒裝藥起爆后沖擊波通過燃料傳播到A點經(jīng)歷了34.6 μs,在34.6～54.8 μs,A點受到爆炸沖擊波的直接作用,速度從0迅速增大到377 m·s-1,之后,沖擊波對A點的驅(qū)動作用持續(xù)減弱,氣動阻力的作用相對增大,A點速度開始緩慢降低。

圖8A點運(yùn)動速度計算結(jié)果

Fig.8 Calculated results of movement velocity of pointA

3.4 云霧濃度測量結(jié)果及分析

激光強(qiáng)度衰減程度與云霧顆粒濃度有直接關(guān)系,光強(qiáng)衰減程度的測量結(jié)果能間接反映云霧濃度的大小,因此需要確定光強(qiáng)衰減程度與云霧濃度之間的關(guān)系。首先,定義透過云霧的激光強(qiáng)度的衰減程度為云霧相對濃度(c)表達(dá)式為:

(7)

式中,I0為入射光強(qiáng),I為出射光強(qiáng),單位均為W·cm-2。I和I0的關(guān)系為:

(8)

式(8)中,K為消光系數(shù)，m-1;λ為光源波長,m;m為折射率,d顆粒粒徑,m;L為待測粉塵區(qū)厚度,m;NV為云霧濃度,表示每平方米云霧中包含的粒子個數(shù)。由式(7)和(8)得到云霧濃度與相對濃度關(guān)系式為:

(9)

由(9)式可知,云霧濃度NV隨著相對濃度c的變化而單調(diào)變化,表明通過相對濃度的測量能夠反映真實云霧濃度的變化趨勢。

圖9為6#燃料距爆心2.5 m處的云霧相對濃度變化曲線。之所以將探測點定在2.5 m處是因為通過試驗發(fā)現(xiàn),該位置既避開了中心空洞薄弱區(qū),又具有較長的數(shù)據(jù)采集時間。從圖9中可知,拋撒開始10.78 ms后燃料到達(dá)濃度探測點,10.78～27.66 ms,相對濃度值在18.75%～96.08%范圍內(nèi)出現(xiàn)了劇烈的高低震蕩變化,27.66 ms之后,相對濃度變化幅度放緩,濃度值變化范圍(57.07%～100%)減小。

圖9 距離拋撒中心2.5 m處云霧相對濃度變化

Fig.9 Variation in cloud relative concentration at 2.5 m from the center

濃度測量結(jié)果表明,燃料云霧內(nèi)部顆粒的空間分布具有非均勻性的特點,并且隨著時間的發(fā)展,濃度變化越來越小,粒子空間分布的非均勻性逐漸降低。說明適當(dāng)?shù)匮娱L拋撒時間,可以改善云霧濃度的均勻性。

4 結(jié) 論

(1)在爆炸拋撒形成云霧之前,燃料的運(yùn)動形式主要以射流為主,其最高運(yùn)動速度(以6#燃料為例)的計算結(jié)果為377 m·s-1,射流運(yùn)動持續(xù)10 ms左右,并且射流運(yùn)動時間隨燃料密度增大而變長; 射流受界面不穩(wěn)定性影響破碎成燃料顆粒,在空氣中進(jìn)行擴(kuò)散運(yùn)動而形成燃料空氣炸藥云霧。

(2)密度越大的燃料其射流受到氣動阻力的影響較小,射流運(yùn)動持續(xù)時間更長,形成燃料空氣炸藥云霧后,在相同時刻具有更大的云霧直徑。

(3)云霧內(nèi)部燃料粒子的空間分布具有非均勻的特點,并且燃料濃度變化的幅度隨時間的延長而減小,表明燃料粒子空間分布的均勻性可通過延長云霧的擴(kuò)散運(yùn)動時間而得到改善。

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