小比距離密閉空腔爆炸爆后氣體溫度和壓力測(cè)量技術(shù)研究

張繼軍，張東亮，趙建偉，張寶國，崔云霄

(西北核技術(shù)研究所，陜西 西安 710024)

空腔爆炸中，爆后空腔內(nèi)氣體的溫度及壓力變化歷程對(duì)于分析評(píng)估爆炸實(shí)施效果及氣體封閉和擴(kuò)散規(guī)律具有重要意義。準(zhǔn)確測(cè)量空腔內(nèi)溫度、壓力變化歷程存在以下3個(gè)難點(diǎn):(1)爆炸瞬時(shí)產(chǎn)生的高壓沖擊波及高溫灼燒，對(duì)傳感器生存和正常工作構(gòu)成了極大威脅，傳感器的長期生存率較低；(2)爆炸產(chǎn)生的強(qiáng)電磁脈沖，會(huì)對(duì)采集系統(tǒng)造成嚴(yán)重?fù)p傷，測(cè)量系統(tǒng)的抗電磁防護(hù)要求較高；(3)要完整取得爆后空腔內(nèi)氣體的溫度、壓力變化歷程，傳感器的量程選擇存在一定難度，既要保證爆炸瞬時(shí)能夠生存，又要求量程不能過高，以免溫度壓力變化歷程測(cè)量后期的數(shù)據(jù)不確定度過大。在相似領(lǐng)域內(nèi)，李媛媛等[1]通過壓力傳感器和熱電偶進(jìn)行了半密閉條件下爆炸場(chǎng)的溫度和壓力測(cè)量，獲得了不同爆炸條件下爆炸場(chǎng)溫度和壓力的響應(yīng)特征，該系統(tǒng)適用于半密閉條件下爆炸溫度、壓力測(cè)量。王長利等[2]等使用錐體的形式安裝侵蝕熱電偶，獲得小比距爆炸瞬時(shí)溫度。李芝絨等[3-4]、馬紅等[5]、王代華等[6]、王等旺等[7]、 黃亞峰等[8]、王鐵良等[9]分別對(duì)密閉內(nèi)爆炸條件下溫度及準(zhǔn)靜態(tài)壓力的特征進(jìn)行了深入研究，對(duì)空腔爆炸溫度、壓力變化歷程測(cè)量具有較大的指導(dǎo)意義。本文中在參考已有研究成果的基礎(chǔ)上，基于鎧裝K型熱電偶和壓阻式絕壓傳感器，設(shè)計(jì)密封隔熱防護(hù)裝置，建立空腔爆炸靜態(tài)溫度、壓力測(cè)量系統(tǒng)，以期實(shí)現(xiàn)小比距離密閉空腔爆炸爆后氣體溫度、壓力變化歷程的完整測(cè)量。

1 測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 測(cè)量系統(tǒng)基本組成

如圖1所示，系統(tǒng)前端為溫度、壓力傳感器，通過安全隔離后，信號(hào)被數(shù)據(jù)采集單元采集并進(jìn)行轉(zhuǎn)換；中央控制單元接收轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)，同時(shí)根據(jù)監(jiān)測(cè)實(shí)施程序，遠(yuǎn)程控制數(shù)據(jù)采集單元和前端信號(hào)的通斷，以保護(hù)后端采集系統(tǒng)免受爆炸瞬時(shí)電磁脈沖沖擊。同時(shí)中央控制單元還完成遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸顯示功能，并接收遠(yuǎn)程終端的指令控制。

圖1 測(cè)量系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)Fig.1 Basic structural of measurement system

1.2 安全隔離單元設(shè)計(jì)

在傳感器單元與系統(tǒng)采集單元之間，應(yīng)采取隔離防護(hù)措施[10]，當(dāng)前端在測(cè)量過程中出現(xiàn)瞬間的電流或電壓沖擊時(shí)，能夠阻斷其傳導(dǎo)至后端采集和控制系統(tǒng)，保證系統(tǒng)核心單元的生存安全。該防護(hù)采用的技術(shù)方法是：安全隔離單元能夠接收來自前端傳感器的正常測(cè)量信號(hào)，同時(shí)在經(jīng)過信號(hào)隔離轉(zhuǎn)換后，能夠無失真地保持原輸入信號(hào)的大小，并傳輸至信號(hào)采集系統(tǒng)。同時(shí)，當(dāng)信號(hào)線上出現(xiàn)沖擊電流或電壓時(shí)，安全隔離單元能夠有效地阻止該沖擊，從而保證后端采集和控制系統(tǒng)的正常運(yùn)行。在本系統(tǒng)中，選用上海晨竹生產(chǎn)的FBE054-AAAA型信號(hào)隔離安全柵對(duì)系統(tǒng)采集儀器進(jìn)行隔離保護(hù)，每塊安全柵共有2個(gè)通道，可以對(duì)2個(gè)傳感器輸出的標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)進(jìn)行無失真隔離傳輸，從而有效地保護(hù)了后端的采集控制儀器，如圖2所示。

圖2 雙通道信號(hào)隔離安全柵基本結(jié)構(gòu)Fig.2 Basic structural of guard grating

2 密封隔熱防護(hù)裝置設(shè)計(jì)與分析

2.1 安裝防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

爆炸瞬時(shí)會(huì)產(chǎn)生高溫高壓沖擊波，尤其在小比距、大當(dāng)量爆炸情況下，爆炸瞬時(shí)產(chǎn)生的高溫高壓沖擊波可能會(huì)直接摧毀傳感器，為確保測(cè)量取得完整的氣體溫度、壓力信號(hào)曲線，需對(duì)傳感器進(jìn)行抗爆防護(hù)，設(shè)計(jì)如圖3所示傳感器安裝防護(hù)結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)安裝在爆炸迎爆面，主要由錐形引氣裝置、保護(hù)擋板、引氣管、安裝隔板組成，整個(gè)防護(hù)結(jié)構(gòu)澆注在混凝土中。爆炸產(chǎn)生的高溫高壓氣體通過錐形引氣裝置和引氣管進(jìn)入密閉氣室，密閉氣室和傳感器安裝室之間有一道密封隔板，將兩個(gè)氣室隔開。通過密封螺母將溫度、壓力傳感器固定在安裝隔板上，安裝完成后，傳感器的敏感面與爆室連通，信號(hào)調(diào)理模塊與爆室隔開，可以有效避免爆炸產(chǎn)生的高溫高壓氣體損壞傳感器的信號(hào)調(diào)理模塊。

2.2 錐形導(dǎo)氣裝置抗沖擊性能分析

圖4(a)所示的錐形導(dǎo)氣裝置為防護(hù)結(jié)構(gòu)最關(guān)鍵部件，該裝置的抗沖擊性能直接關(guān)系傳感器的生存與否。其設(shè)計(jì)參數(shù)如下：最大外徑10 cm，內(nèi)孔直徑2 cm，總高15 cm，側(cè)壁通孔直徑1 cm，錐角120°。裝置采用Q345鋼整體加工，通過焊接的方式固定在厚度不低于30 cm的保護(hù)擋板板上。材料參數(shù)如表1所示，其中：E為楊氏模量；EP為硬化模量；ν為泊松比；σy為屈服強(qiáng)度；ρ為密度。

圖3 傳感器安裝防護(hù)裝置基本結(jié)構(gòu)Fig.3 Basic structural of protective device

圖4 錐形導(dǎo)氣裝置基本結(jié)構(gòu)Fig.4 Basic structural of gas-conducting device

表1 材料參數(shù)Table 1 Mechanical parameters of relevant materials

為分析該裝置在小比距、大當(dāng)量爆炸條件下的抗沖擊性能，按照其實(shí)際尺寸建立三維計(jì)算模型，網(wǎng)格平均尺寸為2.5 mm，網(wǎng)格劃分效果如圖4(b)所示。由于裝置所處環(huán)境比較復(fù)雜，分析時(shí)沒有考慮爆炸沖擊波在爆室壁面的反射會(huì)聚作用，僅考慮小比距下的正反射沖擊波。根據(jù)Kingery-Bulmash公式，假設(shè)裝置的比距離為0.86 m/kg1/3。引爆后，沖擊波約到達(dá)錐頂?shù)姆瓷鋲毫Ψ逯禐? MPa，正相持續(xù)時(shí)間約48 ms。計(jì)算時(shí)，在支座的錐形頂部施加爆炸載荷，由Load-Blast關(guān)鍵字施加，底面施加位移約束，計(jì)算時(shí)長8 ms,爆炸沖擊作用下不同時(shí)刻裝置的von Mises 應(yīng)力分布如圖5所示。

圖5 不同時(shí)刻裝置von mises 應(yīng)力分布圖Fig.5 Von Mises tress distribution at different time

由圖5可以看出，爆炸波到達(dá)時(shí)刻，von Mises應(yīng)力最大值出現(xiàn)在錐頂，峰值約8 MPa，0.17 ms后爆炸波傳至支座底部，在圓孔周圍von Mises應(yīng)力最大，約為21 MPa。隨著時(shí)間的增加，應(yīng)力值始終未超過21 MPa，說明裝置在爆炸波作用下沒有出現(xiàn)塑性變形，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求。

考慮到載荷作用時(shí)間較長，類似準(zhǔn)靜態(tài)壓力的作用，根據(jù)計(jì)算，裝置的等效靜載系數(shù)約為1.1，按安全系數(shù)為1.2考慮，取靜態(tài)壓力8 MPa作用于支座頂部，底部施加位移約束，分析防護(hù)裝置在靜力作用下的變形。

由圖6可知，模型最大位移位于支座錐頂靠近開孔位置，以及圓孔所對(duì)的圓柱側(cè)壁，位移峰值約0.05 mm；模型最大應(yīng)變位于支座開孔位置，應(yīng)變峰值約為1.88×10-4，其他部位應(yīng)變小于1.00×10-4，沒有出現(xiàn)塑性變形。由計(jì)算結(jié)果可知，結(jié)構(gòu)剛度也能夠滿足沖擊防護(hù)要求。

圖6 裝置的位移與應(yīng)變分布情況Fig.6 Distribution of displacement and strain

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試及結(jié)果分析

3.1 傳感器選型及量程選擇

某密閉空腔爆炸實(shí)驗(yàn)，比距離為0.86 m/kg1/3，假設(shè)爆炸后氣體初態(tài)溫度為500 ℃，爆后爆室內(nèi)的靜態(tài)氣壓峰值計(jì)算值約為1.5 MPa。綜合考慮性能特征及安裝便捷性，選用沈陽東大傳感技術(shù)有限公司生產(chǎn)的鎧裝K型熱電偶作為測(cè)溫器件，其基本性能參數(shù)為：溫度測(cè)量范圍0～1 250 ℃，響應(yīng)時(shí)間0.73 s，精確度±2.2 ℃；選用寶雞麥克傳感技術(shù)有限公司生產(chǎn)壓阻式絕壓傳感器作為測(cè)壓器件，其基本性能參數(shù)為：壓力測(cè)量范圍0～2 MPa，精度為全量程±0.25%，過載壓力為全量程的1.5倍。

3.2 測(cè)量結(jié)果及分析

圖7是爆后空腔內(nèi)氣體溫度變化歷程監(jiān)測(cè)結(jié)果，圖8是氣體壓力變化歷程監(jiān)測(cè)結(jié)果。

圖7 爆后溫度變化歷程監(jiān)測(cè)結(jié)果Fig.7 Temperature changing progress

經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，爆后17 s,熱電偶獲得爆后氣體溫度測(cè)量峰值708.6 ℃，爆后25 s,壓力傳感器測(cè)量獲得爆室內(nèi)氣體壓力測(cè)量峰值1518.5 kPa。隨后，爆室內(nèi)氣體溫度、壓力呈快速下降趨勢(shì)，最終傳感器輸出可恢復(fù)至初始值，說明在測(cè)量過程中，傳感器并未發(fā)生損壞，測(cè)量數(shù)據(jù)能夠真實(shí)反應(yīng)爆室內(nèi)氣體溫度、壓力變化趨勢(shì)。

4 結(jié) 論

(1)設(shè)計(jì)的溫度、壓力測(cè)量系統(tǒng)能夠完整的測(cè)量取得小比距、密閉條件下爆后氣體溫度、壓力變化歷程。通過錐形導(dǎo)氣結(jié)構(gòu)，有效的減小了爆炸瞬時(shí)高溫高壓對(duì)傳感器的損傷，通過密封隔熱設(shè)計(jì)，可確保傳感器在復(fù)雜環(huán)境中生存，該方法可以應(yīng)用到其他類似實(shí)驗(yàn)場(chǎng)合中。

(2)密閉空腔爆后壓力下降是氣體溫度下降和氣體總量減小2個(gè)因素共同作用的結(jié)果,在爆后空腔內(nèi)氣體總量分析時(shí)，需引入溫度測(cè)量結(jié)果進(jìn)行修正。

(3)通過合理有效的防護(hù)設(shè)計(jì)，可以通過降低壓力傳感器的量程，提高密閉空腔爆后氣體壓力測(cè)量精度。