陳愛艷，范錦彪，，李玲玲

(1中北大學(xué)電子測試技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原 030051; 2儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原 030051)

爆炸場熱通量與溫度的理論與實(shí)驗(yàn)研究*

陳愛艷1，范錦彪1，2，李玲玲2

(1中北大學(xué)電子測試技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原 030051; 2儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原 030051)

由于爆炸場的環(huán)境特殊，從而使測量的溫度比實(shí)際要偏低。故研究熱通量與溫度的關(guān)系，通過測量熱通量得到更加準(zhǔn)確的爆炸場溫度。論文從理論上研究分析了熱通量與溫度之間的關(guān)系，通過測試系統(tǒng)對爆炸場的熱通量和溫度進(jìn)行了實(shí)際測量，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析。最終得出通過測量的熱通量換算得到的溫度比直接測量得到的溫度更能真實(shí)地反應(yīng)爆炸場的爆溫。

爆炸場;熱通量;溫度

0 引言

由于爆炸場的環(huán)境特殊，從而使測量的溫度比實(shí)際要偏低。Baker、Dorofeev S B等人對爆炸火球進(jìn)行了理論研究［1］，Rakaczky.J.A［2］結(jié)合BLEVE模型中大氣傳輸率對Baker模型作了進(jìn)一步改進(jìn);陳云珠等人提出了熱阻對熱通量失真影響的理論基礎(chǔ)［3］;尹福炎［4］等人提出了熱流的測量方法，余凱凱［5］基于Zig-Bee無線傳感網(wǎng)絡(luò)對爆炸場的瞬態(tài)溫度進(jìn)行了測量;黃磊等人［6］基于熱通量傳感器對爆炸場的熱輻射予以了測量。

基于前人對熱毀傷研究所需模型的理論分析及對熱通量和溫度的測量實(shí)驗(yàn)，文中對熱通量與溫度之間的關(guān)系做了進(jìn)一步的分析。

1 熱毀傷威力的理論研究

1.1 火球的熱輻射模型

目前，國內(nèi)外的學(xué)者大多將火球的爆炸過程看成一個靜態(tài)過程，他們認(rèn)為火球的直徑、表面熱輻射等是在瞬間達(dá)到最大，因而提出了一系列相關(guān)的理論模型。但是，分析可知，即使是同一種物質(zhì)，在不同的質(zhì)量范圍、爆炸條件環(huán)境下，所得到的火球的模型之間也存在差異。因此，Baker等人提出了普適火球模型，引入火球的溫度作為參數(shù)，具有一定的實(shí)用價值。

火球的直徑：

結(jié)合BLEVE模型中的大氣傳輸率，將BLEVE模型和火球動態(tài)輻射模型都考慮進(jìn)去，得到了更接近炸藥爆炸真實(shí)情況的火球模型：

式中：q為熱通量(W/m2);T為火球溫度(K);D為火球直徑(m);G為常量，G取0.958×10－7;L為目標(biāo)到火球中心的距離(m);F為常量161. 7;M為火球中消耗的燃料質(zhì)量(kg)。

1.2 影響熱通量失真的因素

在爆炸場中的熱通量傳感器會受到周圍介質(zhì)的輻射換熱和對流換熱的影響，而且，由于傳感器制作工藝的原因，其自身的熱阻會影響熱通量的輸出值，使傳感器所指示的熱通量低于未經(jīng)失真的熱通量，測量得到的數(shù)據(jù)不能反應(yīng)實(shí)際的情況，為此，通過計(jì)算得到未經(jīng)失真的熱通量值是很有必要的。對于放置在爆炸場空氣中的傳感器，熱阻主要分為兩部分：傳感器本身的熱阻以及傳感器與周圍環(huán)境的熱交換(對流和輻射)而引起的熱阻。

傳感器與周圍環(huán)境的熱交換(對流和輻射)而引起的熱阻：

式中：T1為爆炸后對流換熱過程中的溫度;q1為傳感器對流換熱過程中總熱通量。

用傳感器測量得到的實(shí)際的熱通量與未經(jīng)失真的熱通量的比值為：

式中：q1為實(shí)際測量得到的熱通量;qs為未經(jīng)失真的熱通量;R1為傳感器與周圍環(huán)境的熱交換(對流和輻射)而引起的熱阻;R2為傳感器本身的熱阻。

1.3 熱通量的測量方法

熱流的測量方法一般有兩種：溫度差法(定常法)和溫度上升法(過渡法)。

1)溫度差法

熱源產(chǎn)生的熱流，在其經(jīng)過測量物體的時候，會形成溫度相等的等溫面，且該等溫面不隨時間而有位置形狀的變化。那么，單位時間內(nèi)垂直等溫面的面積dS上流過的熱量dQ為：

式中：k為物質(zhì)的熱傳導(dǎo)率;эT/эx為與等流面垂直方向的溫度梯度。

因此，熱傳導(dǎo)率為k，厚度為Δx時，在面積dS上板材的溫度差ΔT與熱量關(guān)系式為：

聯(lián)立以上兩式，則可以得到熱流傳感器損失的熱通量與其溫度差的關(guān)系。

2)溫度上升法

熱電偶傳感器的熱容量為C，在t時間內(nèi)溫度變化為T2時，在單位時間內(nèi)轉(zhuǎn)移到傳感器的熱量Q為：

在輻射場中，溫度由置于輻射條件下的傳感器測得，S1為輻射的垂直面積，則可求得輻射熱通量為dQn/S。

1.4 實(shí)驗(yàn)的技術(shù)路線

文中先用Baker的修正模型對測量得到的熱通量與溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)，在滿足條件的情況下，利用熱通量和溫度求得未經(jīng)失真的熱通量值。并根據(jù)熱通量的測量方法(溫度差法)，由傳感器損失的熱通量計(jì)算得到了傳感器在實(shí)驗(yàn)時自身的溫度變化。最后，根據(jù)熱通量的測量方法(溫度上升法)，由未經(jīng)失真的熱通量值求得了一定距離處的溫度，并與實(shí)際測量值進(jìn)行比較分析。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 樣品及儀器

為了驗(yàn)證上述方法的可靠性，文中基于熱電偶傳感器(E12型)和G-25系列戈登輻射熱流傳感器測得了所需的溫度和熱通量數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)時，樣品為27 kg的TNT炸藥，在距離爆心11 m、13 m和15 m處，分別放置了兩組測量溫度［7］和測量熱通量［8］的裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集。

2.2 測試結(jié)果

測試所得的部分?jǐn)?shù)據(jù)如圖1、圖2及圖3所示。

3 討論分析

3.1 熱通量曲線的分析

將測量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)整理，并結(jié)合以上理論分析所得結(jié)果如表1所示。

由表1可知，傳感器的熱阻對所測熱通量有一定程度的影響。當(dāng)測量的熱通量值越大時，其自身的熱阻對其影響越大。

表1 不同距離傳感器的熱通量及溫升

圖1 15m處的熱通量和溫度

圖2 13m處的熱通量和溫度

圖3 11m處的熱通量和溫度

根據(jù)熱通量傳感器測試方法(溫度差法)，當(dāng)傳感器自身損耗的熱通量較多時，傳感器的溫度上升也越高。但是，實(shí)際爆炸測試時，傳感器自身的溫度變化并不是太大。原因主要有以下兩個方面：一方面，傳感器放置在距爆炸火球較遠(yuǎn)的地方;另一方面，由于爆炸后熱流作用在傳感器上的時間及其短暫，而傳感器溫度的升高則需要一定的熱積累［9］。因此，在測量時不必考慮傳感器自身溫度對測量數(shù)據(jù)的影響。

3.2 溫度曲線的分析

將測量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)整理，并結(jié)合以上理論分析所得結(jié)果如表2所示。

由表2可知，通過熱通量換算得到的溫度比實(shí)際測量得到的溫度要偏高。原因主要有以下幾個方面：一方面，熱通量傳感器的精度比熱電偶傳感器的精度高，響應(yīng)時間快;另一方面，爆炸后，溫度衰減的速度較輻射熱流衰減的速度快得多。因此，用通過熱通量換算得到的溫度來衡量爆炸場某一點(diǎn)的溫度更準(zhǔn)確。

表2 爆炸場溫度計(jì)算值與測量值比較

4 結(jié)論

1)文中研究了傳感器熱阻對熱通量的影響及傳感器熱通量對其溫度上升的影響，并通過熱流傳感器得到的熱通量曲線進(jìn)行了分析與討論，其結(jié)果對評價爆溫有一定的意義。

2)文中研究了未失真的熱通量與溫度之間的關(guān)系，并與熱電偶傳感器測得的溫度進(jìn)行了比較分析，得出了一種較準(zhǔn)確的測量爆炸場溫度的方法。

［1］Baker W E，Cox P A，Westine P S，et al.Explosion hazards and evaluation［M］.Amsterdam：Elsevier，1983.

［2］Rakaczky J A.The suppression of thermal hazards from explosions of munitions：A literature survey.BRL Interim Memorandum Report，No.377［R］.1975.

［3］陳云珠，崔志尚，孫堅(jiān).熱通量傳感器的應(yīng)用及檢定［J］.中國高新技術(shù)企業(yè)，2011(9)：79-81.

［4］尹福炎.熱流傳感器及其應(yīng)用概況［J］.傳感器世界，2000(11)：7-13.

［5］余凱凱.基于ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)瞬態(tài)溫度存儲測試系統(tǒng)的研究［D］.太原：中北大學(xué)，2011.

［6］黃磊，何中其，李春光，等.熱通量傳感器在爆炸場熱輻射測試中的應(yīng)用［J］.火炸藥學(xué)報(bào)，2011，34(5)： 38-42.

［7］田壯，溫濟(jì)霞，祖靜，等.瞬態(tài)高溫測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.伺服控制，2012(3)：89-91.

［8］鄭燕露，張會新，李永慧.基于FPGA的高溫?zé)崃鱾鞲衅餍盘柌杉到y(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.化工自動化及儀表，2011，38(7)：809-811.

［9］黃磊.不同炸藥爆源的爆炸場熱效應(yīng)分析與測試［D］.南京：南京理工大學(xué)，2013：19-20.

The Theoretical and Experimental Research Between Heat Flux and Temperature in Blasting Field

CHEN Aiyan1，F(xiàn)AN Jinbiao1，2，LI Lingling2
(1National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology，North University of China，Taiyuan 030051，China; 2Key Laboratory of Instrumentation Science and Dynamic Measurement(North University of China)，Ministry of Education，Taiyuan 030051，China)

Because of special environment in blasting filed，the measured temperature is lower than actual temperature.By studying the relationship between heat flux and temperature，accurate temperature was got through the measured heat flux.In the paper，the relationship between heat flux and temperature was analyzed theoretically;the experimental result of heat flux and temperature that got through test system was analyzed.The temperature converted from the measured heat flux can more realistically reflect explosion temperature than the measured temperature.

blasting filed;heat flux;temperature

TB 941;TP27

A

10.15892/j.cnki.djzdxb.2015.05.018

2014-11-06

陳愛艷(1989－)，女，山西太原人，碩士研究生，研究方向：爆炸場瞬態(tài)溫度的研究。