黃 勇，解立峰，葉經(jīng)方，魯長波，安高軍，熊春華，李永堅(jiān)，徐 淳

(1.南京理工大學(xué)化工學(xué)院，江蘇南京 210094； 2.常州大學(xué)環(huán)境與安全工程學(xué)院，江蘇常州 213164；3.南京理工大學(xué)瞬態(tài)物理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京 210094；4.中國人民解放軍總后勤部油料研究所，北京 102300；5.山西江陽化工有限公司，山西太原 030043)

1 引 言

柴油被廣泛用作為大型車輛、艦船和武器裝備的燃料，而一旦車輛、裝備發(fā)生安全事故或遭受炮火襲擊，容易引發(fā)油箱中柴油的“二次爆炸效應(yīng)”，這是造成車輛裝備損毀和人員傷亡的重要原因。另外，消防車、救護(hù)車等專用車輛經(jīng)常出現(xiàn)在火災(zāi)事故救援現(xiàn)場，其油箱處于高溫環(huán)境中也可能引爆油料。因此，近三十年來，國外學(xué)者[1-3]開展了用于消防滅火、處突維穩(wěn)、反恐救援、軍事裝備等特殊領(lǐng)域的具有抑爆功能且動力性能基本保持不變的的微乳化體系安全柴油的研究。但由于技術(shù)保密等原因，相關(guān)研究成果以及抑制爆炸機(jī)理方面的報(bào)道非常少。

關(guān)于液體燃料的爆炸機(jī)理，國內(nèi)外的研究主要集中在激波作用下液滴的變形、破碎和霧化等方面，因?yàn)榭扇家旱芜M(jìn)一步破碎、霧化可以大大加快燃料液滴與氧化劑的混合及其反應(yīng)速率,從而影響液霧爆轟的特性[4]，如Hsiang等[5-6]研究了激波誘發(fā)擾動作用下拋撒出的液滴變形和二次破碎的特性；Samirant等[7]利用多種測試技術(shù)開展的燃料液體爆炸拋撒瞬態(tài)過程實(shí)驗(yàn)，測量了燃料液滴運(yùn)動速度、液滴平均直徑、濃度等重要參數(shù)；耿繼輝等[8]在水平方型激波管中進(jìn)行了激波誘導(dǎo)液滴變形和破碎的實(shí)驗(yàn)，并詳細(xì)分析了初始液滴形狀對變形和破碎過程的影響。但對于更接近于油箱爆炸沖擊波作用燃料的激波拋撒燃料液膜的研究還不多，Antipas[9]研究了高速氣流作用液膜，建立了液體表面波不穩(wěn)定性引起的液膜霧化、破碎機(jī)理模型；李斌等[10]通過實(shí)驗(yàn)研究了激波拋撒不同厚度水膜的速度、粒徑等參數(shù)的變化，但以上研究的對象的理化性質(zhì)與柴油有較大差別，其拋撒、霧化過程也不盡相同。

本研究在立式激波管上開展激波及其誘導(dǎo)的高速氣流作用安全柴油的實(shí)驗(yàn)，并采用陰影照相技術(shù)，掌握激波驅(qū)動下不同配方柴油油膜的拋撒規(guī)律及其油粒的運(yùn)動特征，確定影響安全柴油霧化效果的關(guān)鍵因素。

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)樣品

實(shí)驗(yàn)樣品為-10號柴油和另外3種以-10號柴油為基礎(chǔ)燃料，并在其中添加少量乳化劑、水和抑爆劑的微乳化柴油(即安全柴油)。各柴油的組分和理化性質(zhì)如表1所示，其中Tf是閉口閃點(diǎn)，ρ是密度，μ是運(yùn)動黏度，α是黏性系數(shù)，σ是表面張力。

表1 柴油樣品的組分和理化性質(zhì) Table 1 Components and physical & chemical properties of diesel fuel samples

2.2 實(shí)驗(yàn)裝置

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖 Fig.1 Schematic of experimental device

實(shí)驗(yàn)裝置主要有立式激波管、壓力測試系統(tǒng)、不銹鋼金屬網(wǎng)、高壓空氣鋼瓶等，如圖1所示。

立式激波管為圓管型，長1 000 mm，內(nèi)徑為32 mm。激波管的中下部有一個(gè)法蘭，法蘭夾固一張略大于管徑的塑料膠片。激波管上方管口處安裝一張60 mm×60 mm的2 500目不銹鋼金屬網(wǎng)，并用4個(gè)螺栓固定與激波管口同截面的金屬環(huán)，保證激波管、金屬網(wǎng)和金屬環(huán)3者之間緊密連接。由于預(yù)先實(shí)驗(yàn)表明實(shí)驗(yàn)樣品在金屬網(wǎng)上需20 s左右才滴落，而在金屬網(wǎng)上添加完樣品的后續(xù)實(shí)驗(yàn)操作不到10 s即可完成，因此完全可以保證油膜在激波作用前不滴落。

高壓空氣鋼瓶的作用是向激波管提供高壓驅(qū)動空氣。當(dāng)高壓氣體入口處的電磁閥打開后，高壓空氣急速進(jìn)入激波管中使塑料膠片瞬間破裂，產(chǎn)生激波及其高速氣流。

2.3 測試系統(tǒng)

2.3.1壓力測試系統(tǒng)

壓力測試系統(tǒng)包括PCB公司的113A21系列的壓電式壓力傳感器，481A16型多通道信號調(diào)理器、四通道數(shù)據(jù)采集卡及配套的連接線。

壓力傳感器P1、P2安裝在離激波管出口6.0、3.0 cm處的管壁上，且傳感器受壓面與激波管壁相齊。壓力傳感器P3、P4固定在金屬網(wǎng)上方1.5、2.5 cm處。

壓力傳感器不僅可以測定激波及其高速氣流的壓力，而且可以根據(jù)激波通過兩個(gè)傳感器的時(shí)間差計(jì)算其速度。

2.3.2成像系統(tǒng)

圖2 激波成像系統(tǒng) Fig.2 Shock wave imaging system

(1) 激波成像系統(tǒng)

通過金屬網(wǎng)和油膜后的激波的成像由立式激波管、壓力傳感器、信號調(diào)理器、時(shí)序控制器、光源控制器、閃光電源、凹面反射鏡和單反照相機(jī)等組成的系統(tǒng)來獲得，如圖2所示。其成像原理是壓力傳感器受到激波作用后將信號反饋到信號調(diào)理器，信號調(diào)理器再將信號同類放大后輸出到時(shí)序控制器。時(shí)序控制器控制信號反饋給光源控制器的時(shí)間，光源控制器則控制閃光電源產(chǎn)生光及其持續(xù)時(shí)間，保證激波到達(dá)視場的時(shí)間與光源產(chǎn)生同步。操作者提前啟動單反相機(jī)Bulb開關(guān)，當(dāng)瞬間光源經(jīng)視場中凹面反射鏡反射后被單反照相機(jī)接受，獲得激波照片。

(2) 陰影成像系統(tǒng)

陰影成像系統(tǒng)由立式激波管、高速照相機(jī)、影視燈、白色反光板等組成。激波管處于白色反光板和高速照相機(jī)之間，呈一直線。黑暗環(huán)境條件下，影視燈的強(qiáng)光源投射在白色反光板上，此時(shí)激波及其高速氣流拋撒油膜的陰影呈現(xiàn)在白板上，通過高速照相機(jī)將其拍攝下來。

高速照相機(jī)為Photron公司的Fastcam nltima APX型。本次實(shí)驗(yàn)中，高速照相機(jī)的拍攝速率為3 000幀每秒，影視燈的使用功率為1 800 W。

2.4 實(shí)驗(yàn)方法

首先調(diào)節(jié)好高壓空氣瓶的氣體輸出壓力(1.5 MPa)，再用注射器在金屬網(wǎng)上均勻滴定1 mL實(shí)驗(yàn)樣品，最后開啟高壓氣體入口處的電磁閥，高壓氣體瞬間破膜產(chǎn)生的激波及其高速氣流拋撒油膜，同時(shí)用高速照相機(jī)拍攝下其拋撒過程。

各次破膜產(chǎn)生的激波在管內(nèi)的速度誤差不超過5%才為有效實(shí)驗(yàn)。

圖3 壓力波形圖 Fig.3 Pressure waveforms

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析討論

3.1 激波與油膜作用的波系結(jié)構(gòu)

圖3為壓力測試系統(tǒng)測得的金屬網(wǎng)上未添加油樣時(shí)的激波與其誘導(dǎo)氣流的壓力波形圖。黑、紅、藍(lán)、綠色曲線分別為P1、P2、P3、P4的壓力曲線。

圖3顯示，每條波形曲線的初始波峰均是急速上升，破膜后大約只用十幾微秒即達(dá)到波峰，顯然這是激波作用傳感器受壓面引起的。激波在管內(nèi)由下向上運(yùn)動遇到金屬網(wǎng)，一部分通過金屬網(wǎng)形成透射激波，另一部分則反射回來形成反射激波，因此可以看出P1、P2波形曲線在第1個(gè)波峰過后又迅速上升，并且壓力值約為第1個(gè)波峰壓力值的2倍，這基本符合反射激波壓力增長規(guī)律。第2個(gè)波峰持續(xù)的時(shí)間較長，是因?yàn)榇藭r(shí)激波誘導(dǎo)的高速氣流正通過傳感器。氣流過后，壓力開始快速持續(xù)下降，但在下降過程中P1、P2的壓力波形曲線又出現(xiàn)了數(shù)個(gè)小峰，這是因?yàn)榧げㄔ诠軆?nèi)不斷上下反射，其能量逐漸衰減，波速持續(xù)降低。

表2為激波在管內(nèi)外的速度和壓力參數(shù)，v1是激波在管內(nèi)首次通過P1、P2的平均波速，v2是激波作用金屬網(wǎng)和油膜后首次反射通過P2、P1的平均波速，v3是激波通過P3、P4的平均波速，p1、p2是反射激波首次通過P1、P2的壓力值，p3、p4是P3、P4測得的激波壓力值。

表2 激波參數(shù) Table 2 Shock wave parameters

圖4 激波波系示意圖 Fig.4 Schematic of shock wave structure

由表2可知，初始壓力為1.5 MPa的驅(qū)動空氣破膜產(chǎn)生的激波通過P1、P2的速度一般介于565～580 m/s之間。透射過金屬網(wǎng)和油膜后其激波速度將大幅減小，如未加油樣時(shí)激波通過P3、P4的速度馬赫數(shù)約為1.12，而透射過4種柴油油膜激波的馬赫數(shù)均小于1，這說明油膜吸收了激波大量的能量使其衰減為高速氣流。因此，綜合圖3和表2中激波運(yùn)動性質(zhì)及其參數(shù)得到管內(nèi)外的激波波系，如圖4 所示。

運(yùn)用激波成像系統(tǒng)獲取激波運(yùn)動到激波管口外的圖像(見圖5)，以驗(yàn)證此處激波的存在。

圖5 激波成像照片 Fig.5 Shock wave photographs

圖5證實(shí)了激波能通過不添加油樣的金屬網(wǎng)，并且激波誘導(dǎo)的高速氣流跟隨激波從管內(nèi)噴出。由于透射激波出管口瞬間會產(chǎn)生“活塞效應(yīng)”，因此激波后會出現(xiàn)負(fù)壓面。然而，當(dāng)金屬網(wǎng)上添加1 mL 1號柴油或其他柴油時(shí)，在管口處激波衰減為高速氣流。

3.2 激波及其高速氣流拋撒油膜過程

靜置在金屬網(wǎng)上的油膜在激波通過時(shí)，主要受到激波作用力、油膜自身重力、空氣阻力等作用。由于激波作用于油膜的力遠(yuǎn)大于其重力和空氣阻力，將使油膜產(chǎn)生脫離金屬網(wǎng)的趨勢及速度，油膜被拋撒。

運(yùn)用閃光電源、凹面反射鏡、高速照相機(jī)等構(gòu)成的成像系統(tǒng)拍攝了油膜被拋撒的過程，如圖6所示。

圖6 激波拋撒柴油油膜 Fig.6 Diesel fuel films dispersed by shock wave

拋撒過程中，作用在油膜上的氣動力等外力大于油膜的表面張力、粘性力等內(nèi)力，將使油膜破碎成液滴或液絲群，形成液霧炬。從圖6可以看出，2 ms時(shí)，1、2號液霧炬的高度接近，其次是3號油，最小是4號油；7 ms時(shí)，可見1、2號液霧炬的中心產(chǎn)生漩渦，油滴向四周拋撒，并進(jìn)一步破碎、霧化成細(xì)小油粒。此時(shí)液霧炬明顯有兩段，上方的幾乎完成霧化，下段液霧炬又迅速升起，這是因?yàn)樽畛醯囊红F炬是激波作用油膜瞬間的沖量引起的，液霧炬在慣性力作用下邊上升邊霧化，隨著激波誘導(dǎo)的高速氣流從管口噴出，使金屬網(wǎng)上剩余油樣持續(xù)拋撒并霧化，直至外力與內(nèi)力達(dá)到平衡停止霧化。3、4號柴油的霧化效果則較差，在高速氣流推動下呈液塊、液絲狀拋撒，3號柴油有部分液絲向四周散開，而黏度更高的4號柴油其液塊更聚集。

因此，4種油膜被拋撒的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可總結(jié)為：液膜在非穩(wěn)態(tài)空氣擾動波的作用下破碎成柱狀液絲，不穩(wěn)定液絲受擾動及表面張力的影響，進(jìn)一步破碎，收縮成初始液滴。液滴在運(yùn)動過程中受到空氣阻力的作用，表面形成不規(guī)則的壓力分布，導(dǎo)致液滴的變形及二次破碎。由文獻(xiàn)[11]可知，液滴破碎的條件為

(1)

式中:CD為阻力系數(shù)；ρg為氣體密度；Ur表示氣、液相對速度；σ為液體的表面張力；dmax為液滴發(fā)生二次破碎前的氣液相對速度下，最大的穩(wěn)定液滴直徑。處于氣流中的液滴若直徑ddmax，則液滴根據(jù)Weber數(shù)的大小，按照不同的模式發(fā)生二次破碎，得到直徑更小的液滴，直到達(dá)到相對穩(wěn)定的狀態(tài)。根據(jù)圖6，顯然1、2號油膜初始油滴發(fā)生了二次破碎，而3、4號油膜在高速氣流作用下只是破碎成液塊、液絲，幾乎沒有形成液滴，更未發(fā)生二次破碎。

3.3 油膜拋撒的運(yùn)動特征

為了擴(kuò)大視場,以便較完整地觀察和掌握油膜拋撒的運(yùn)動軌跡和特征，采用陰影成像系統(tǒng)記錄了4種油膜拋撒的情況(見圖7)，并根據(jù)拋撒最前沿云霧或液絲單位時(shí)間內(nèi)在拋撒圖片中位移和比例尺實(shí)際距離的對比獲得拋撒速度，如圖8所示，v是拋撒速度。

圖7 油膜拋撒運(yùn)動軌跡 Fig.7 The dispersion trajectory of diesel fuel films

圖8 油膜拋撒速度 Fig.8 The dispersion velocity of diesel fuel films

從圖7、圖8可以看出，1、2號油膜的初始拋撒速度明顯大于3、4號油膜，但之后由于液滴在運(yùn)動中與周圍空氣進(jìn)行能量交換而快速衰減，而3、4號油膜的拋撒速度的衰減則相對比較平穩(wěn)，在12 m后均高于1、2號油膜的拋撒速度，這是由于1、2號油滴發(fā)生了二次破碎后顆粒更加細(xì)小，迎風(fēng)面的空氣阻力則明顯增加，因此在高速氣流和空氣阻力的共同作用下，1、2號的霧滴趨向于向四周擴(kuò)散，豎直向上的速度迅速下降。整個(gè)拋撒過程，4號油膜的拋撒速度幾乎均小于3號油膜，主要是4號油膜較于3號油膜黏度過大，使作為拋撒驅(qū)動力的激波及其高速氣流的能量大量耗損，如表2所示,4號油膜的管口外附近的氣動力只有3號油膜的41.52%、52.94%，造成氣動力明顯不足，拋撒速度較小。

因此，根據(jù)管口外附近的激波及高速氣流速度、油膜拋撒速度及物性參數(shù)等可以計(jì)算1、2號油膜液滴二次破碎過程中的Weber數(shù)(We)、Ohnesorge數(shù)(Oh)、特征破碎時(shí)間t*，以獲知油滴二次破碎的模式。另由文獻(xiàn)[12]可知，當(dāng)液膜的表面直徑與其厚度比過大時(shí)，其變形及破碎效果更多由其厚度決定。因此，可用油膜的等效厚度代替油滴直徑進(jìn)行無量綱數(shù)計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表3所示，V是體積，S是油滴與氣流的相對速度，h是等效厚度,油膜等效厚度是運(yùn)用等效體積法[13]將同體積的油膜等效為球體，再將球體半徑增加10%，最后折算成厚度。

表3 油膜無量綱參數(shù)計(jì)算 Table 3 The calculation of dimensionless parameters for diesel fuel films

由于1、2號柴油Oh數(shù)較小(Oh<0.1)，而We又遠(yuǎn)大于350，所以兩者的初始油滴二次破碎模式均屬于完全破碎或爆炸破碎。由于特征破碎時(shí)間極短，油滴將迅速完成變形、破碎過程，且形成的液體碎片粒徑較小，霧化效果好。

4 結(jié) 論

(1) 馬赫數(shù)約為1.12的激波作用4種柴油油膜后均衰減為高速氣流，說明油膜對激波運(yùn)動產(chǎn)生了較大阻礙作用，吸收了其部分能量。

(2) 油膜在激波及其高速氣流作用下拋撒、破碎，其中1、2號油膜霧化效果好，發(fā)生了液滴的二次破碎，而黏度較高的3、4號油膜拋撒后呈液塊、液絲狀，并且黏度越大，液絲越聚集，霧化效果越差。

(3) 油樣黏度小，則初始拋撒速度較大，但由于油滴會發(fā)生二次破碎，空氣阻力將顯著增加，表現(xiàn)為黏度越小，拋撒速度衰減越快。油樣黏度較大，拋撒的距離和速度則隨黏度的增大而減小，主要是黏度大的油膜對激波及高速氣流的阻礙作用越大，急劇減小了起拋撒作用的氣動力。

(4) 4種實(shí)驗(yàn)油樣的密度、表面張力相近，但其運(yùn)動黏度相差較大，并且油樣運(yùn)動黏度越大，激波作用油膜后壓力衰減越大，表明激波能量被吸收越多，其氣動力越小，霧化效果越差，由此可以確定運(yùn)動黏度是影響柴油霧化效果的關(guān)鍵因素。

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