爆炸驅動固/液介質爆炸拋撒的實驗研究*

蔣海燕，王樹山，魏繼鋒，饒 彬，張之暐

(1.北京理工大學爆炸科學與技術國家重點實驗室，北京 100081;2.中國兵器工業(yè)導航與控制技術研究所，北京 100089)

借助于爆炸驅動作用實現物質的拋撒分散，使被拋撒介質在特定區(qū)域空間內快速形成滿足一定條件的氣/液、氣/固或氣/固/液多相混合體，在軍事(如燃料空氣炸藥、高密度惰性金屬炸藥)和民用(如爆破除塵、滅火抑爆)等領域中具有廣泛的應用背景。國內外學者在爆炸拋撒方面開展了大量的研究[1-15]，包括針對爆炸拋撒的過程尋求合理的物理數學描述[3-7]；從拋撒整體效果(終點效應)出發(fā)，研究中心裝藥的裝置參數和拋撒介質物化特性對云霧拋撒范圍的影響規(guī)律[8-11]；通過研究爆炸拋撒過程中的殼體破碎、界面演變和射流，揭示了控制固/液及其混合物拋撒分散的關鍵機制[12-15]。本文中針對固/液復合材料在勤務處理和貯存過程中經常出現固/液分層現象[16]，提出固/液物理分置的雙層拋撒裝置。拋撒裝藥位于拋撒裝置中心，周圍被內外兩層固/液介質包圍，通過中心裝藥的爆炸驅動作用，使內層固體粉末與外層液體混合并拋撒到一定的區(qū)域空間。借助高速運動分析系統捕捉到固體粉末和液體介質爆炸拋撒特征的一系列圖像，分析爆炸驅動作用下固/液界面的演變過程及初期的拋撒形態(tài)。

1 實驗設計

實驗在室外自由場進行，實驗設備主要有拋撒裝置、背景布、高速運動分析系統、中心裝藥、雷管和同步裝置等，如圖1所示。拋撒裝置豎直懸掛于空中，其中心離地約1.2 m；高速攝影的拍攝鏡頭正對拋撒裝置的中軸，為了更清楚的觀察介質的拋撒過程，選用藍色背景布作為襯托。

1.1 拋撒裝置設計

拋撒裝置為同心圓式的內、外雙層結構，如圖2所示，該結構分為內、外2個腔體，內腔裝填固體粉末，外腔裝填液體。為便于觀察爆炸驅動作用下固/液界面的演變過程，拋撒裝置的殼體采用透明的有機玻璃，內層殼體壁厚2 mm，直徑為35 mm，外層殼體壁厚為3 mm，直徑為110 mm，上、下端蓋厚為10 mm的鋁板。

圖2 實驗裝置Fig.2 Experimental device

1.2 驅動設計

中心裝藥采用裝填黑索金的導爆索，導爆索長度與拋撒裝置高度相同，導爆索兩端與拋撒裝置上、下端部平齊，以盡可能保證界面運動的線性膨脹。為避免起爆藥量過大對實驗結果造成影響，采用?2.5 mm的微型雷管起爆。

1.3 觀測系統

采用Photron公司的FASTCAM SA4型高速攝像儀記錄爆炸拋撒過程，拍攝頻率為104s-1，實驗時，利用同步裝置建立起爆和觸發(fā)高速運動分析系統。

2 實驗結果分析

2.1 靜爆實驗

拋撒裝置高度100 mm，導爆索線密度為5 g/m，實驗中所用固體粉末為300目的鐵粉，裝填液體為水基聚乙烯醇，裝填比為0.05%，為保證數據的可靠性，共進行3組實驗，所有實驗條件均相同。

采用Phantom Camera Control (PCC) Application軟件，對記錄的圖像進行讀取，可以清晰看到拋撒裝置的破碎過程和固/液界面演變過程，以及固/液介質拋撒形態(tài)隨時間的變化，圖3所示為爆炸拋撒過程的高速錄像分幅照片。

圖3 爆炸拋撒過程分幅照片Fig.3 Sequential photos of explosive dispersal process

2.2 殼體破碎

從圖3中可以看出，中心裝藥爆炸后，內層殼體的上端部率先破碎，并向外膨脹，隨著爆轟自上向下傳播，在外層液體約束和殼體上部膨脹稀疏的共同作用下，內層殼體的中部向外隆起，同時拋撒介質整體向外不斷地膨脹；緊接著外層殼體出現裂紋，隨著時間的推移，裂紋寬度不斷增大。此外，照片清楚地顯示，殼體裂紋的產生和斷裂首先出現在軸向方向，緊接著在上、下端部和殼體中部出現周向斷裂，整個破碎過程呈現出軸向斷裂為主導，周向斷裂為輔的共同作用結果。出現這種情況的可能原因是：有機玻璃材料的脆性，局部缺陷等非均勻、非各向同性因素的影響，殼體在破碎前期，絕熱剪切導致的裂紋在大趨勢上軸向占主導，后期主要靠慣性驅動，局部開始出現周向斷裂。

圖4 殼體變形示意圖Fig.4 Distortion sketch of shell

由于上、下端板較厚且連接強度較大，中心炸藥爆炸作用下殼體出現裂縫后，可將外壁看作兩端受約束力的一組板條，如圖4(a)；板條受到內側壓力產生變形，殼體開始解體，在此過程中，由于有機玻璃是脆性材料，殼體膨脹半徑較小，板條首先在上、下端板處產生剪切斷裂，此時，殼體還未完全解體，于是在上下端板處出現了泄爆，導致板條兩端壓力大于中部，如圖4(b)，此時殼體產生周向斷裂。

2.3 運動特征

2.3.1 固/液界面演變與介質拋撒形態(tài)特征

從高速錄像可知，爆炸拋撒初期，雷管起爆點火，中心裝藥開始沿拋撒裝置軸向產生滑移爆轟，固體粉末在爆轟產物的高壓作用下向外運動，固/液界面上端部(靠近起爆點)迅速向外彎折，中部出現鼓脹，如圖3中t=0.1 ms時所示；t=0.2～0.4 ms時，隨著爆轟產物的膨脹，固/液界面進一步向外運動，液體層逐漸變窄，在這個過程中內層殼體還未完全解體，內層固體粉末與外層液體有部分接觸，二者所形成的固/液界面光滑且清晰可見；t=0.5 ms時，內層殼體完全解體，內層固體粉末與外層液體大面積接觸，在爆轟產物作用下，固/液界面失穩(wěn)，變得模糊，難以辨識，固體粉末和液體介質之間交界面的不穩(wěn)定性是否主要為Richtmyer-Meshkov(R-M)不穩(wěn)定性，由于實驗觀測手段的限制，不能給出明確的判斷，有待進一步研究。

當t=1.0 ms時，外層殼體上側裂開，在沖擊波和稀疏波的共同作用下，介質由外及里被加速，部分液體從殼體上側噴出；到t=3.0 ms時，由于外層殼體完全解體，對拋撒介質的約束消失，固/液介質整體呈倒圓臺形向外運動；當t=4.0 ms時，隨著固/液介質進一步向外運動，由于前驅液體速度較大，液體層被拉寬，液體形態(tài)變得復雜，有的以液體塊的形態(tài)存在，有的以液體絲的形態(tài)存在。在實驗所觀察的5.0 ms時間范圍內，始終能清楚的看到固體粉末與液體介質存在分層，這說明固/液介質在拋撒初期未能完全混合，需要擴大高速攝影視場，以便對爆炸驅動固/液介質拋撒混合的全過程進行觀察。

此外，從實驗拍攝的錄像來看，當t=0.4 ms時，拋撒裝置的上下端部發(fā)生泄爆，有少量液體開始從上下端部噴出，這是由于有機玻璃殼體的脆性，殼體膨脹很小，導致殼體軸向裂縫還未完全發(fā)展，上、下端蓋連接處就已達到斷裂極限。

2.3.2 固/液介質拋撒半徑和速度變化分析

沿拋撒裝置軸線方向從上到下依次選取5個截面，至起爆端的軸向距離分別為0、20、40、60和80 mm，滑移爆轟波依次通過這5個截面，根據實驗測得的爆炸作用驅動固/液介質運動的分幅照片，采用圖像處理軟件進行判讀，得到離起爆端不同距離處，介質運動的位移-時間曲線和速度-時間曲線，如圖5～6所示。

圖5 云團半徑變化曲線Fig.5 Cloud radius varied with time

圖6 速度變化運動曲線Fig.6 Velocities varied with time

由圖5～6可知，在爆炸拋撒過程中，介質的運動都是先加速后減速。從圖6可以看出，不同截面上拋撒介質的運動速度隨截面到起爆端軸向距離的增大而減小，離起爆端距離越遠，該截面上拋撒介質的運動速度越小；且離起爆端越遠，該截面上拋撒介質初始加速越小，達到最大速度所需的加速時間越長。不同距離截面處，拋撒介質運動達到最大速度時所對應的相關參數如表1所示，其中y′表示截面到起爆端的軸向距離，vmax表示相應截面上拋撒介質運動的最大速度，Rv表示達到最大速度時拋撒介質的半徑，tv表示達到最大速度所用時間。

在爆炸拋撒過程中，作用于拋撒介質上的力主要為爆炸驅動力和氣動阻力，兩者作用的大小將直接反映在介質的拋撒速度上。中心裝藥起爆后，在理想條件下，爆轟波將沿著中心管壁面滑移前進，呈現出滑移爆轟的形態(tài)。若忽略拋撒介質的軸向運動，該滑移爆轟可近似為二維爆轟。首先設想殼體沒有膨脹和破碎，按一維爆轟計算出爆轟計算出爆轟波后面的流場中的壓力和速度，然后利用賴埃脫黑爾(Lighthill)的“活塞理論”來描述拋撒介質向外運動對爆轟產物的稀

表1 不同截面上拋撒介質運動參數Table 1 Parameters of motion on different sections

圖7 介質爆炸拋撒示意圖Fig.7 Schematic diagram of medium explosive dispersal

疏作用，可以得到一個二維近似模型[17]。

將坐標原點置于爆轟波陣面o-o′上，如圖7所示。假設拋撒介質沒有向外運動，得到爆轟產物的壓力為：

(1)

式中：p1為不考慮拋撒介質向外運動時，爆轟產物中y截面處的壓力，y′為y截面到起爆端的軸向距離，γ為質量熱容比，pH為爆壓。

隨著拋撒介質向外運動，在y處，介質內壁相對于y軸傾斜了α角，使爆轟產物產生了稀疏，爆轟產物的壓力變?yōu)?/p>

(2)

式(2)中方括弧中最后一項代表引爆端稀疏的影響。隨著滑移爆轟向前傳播，端部稀疏對爆轟產物壓力的影響遠小于介質向外運動造成的稀疏影響，若忽略引爆端稀疏的影響，爆轟產物壓力就成為：

(3)

由式(3)可知，由于殼體破裂產生稀疏波對爆轟壓力產生的影響，隨著爆轟波向前傳播，偏折角α越來越大，爆轟產物的壓力p1會越來越小，因而隨著離起爆端距離的增大，拋撒介質的速度逐漸減小；此外，由于起爆端在拋撒裝置的上側，爆轟傳播存在時間延遲，上側介質先于下側介質被加速向外運動，綜合以上2個因素，使得固/液介質的拋撒形狀呈現倒圓臺形。

3 結 論

設計透明雙層殼體結構，通過高速運動分析系統能夠清楚的觀測到爆炸驅動固/液界面初期失穩(wěn)、殼體破碎以及拋撒介質運動的過程，為進一步研究爆炸驅動固、液介質拋撒混合機理奠定基礎。

導爆索驅動下呈現滑移爆轟驅力特征，整個介質的拋撒形狀呈倒圓臺形，在實驗所能觀察到的時間范圍內，不同截面上拋撒介質的運動速度隨截面到起爆端軸向距離的增大而減小，而拋撒介質達到最大速度所用時間則隨截面到起爆端軸向距離的增大而增大，即最上側介質運動速度大，且達到最大速度所用時間短。

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