艦船艙室水霧抑爆技術研究進展

張國棟，侯海量，劉貴兵，朱 錫

(1. 海軍工程大學 艦船與海洋學院，湖北 武漢 430033；2. 中國人民解放軍92941 部隊，遼寧 葫蘆島 125000)

0 引 言

氣液兩相混合介質廣泛應用于爆破除塵[1]、化工生產、綠化灌溉等領域，在軍事上主要用于消防[2]和紅外隱身[5]等。在現代海戰中，各種艦船抗爆抗沖擊防護技術層出不窮，每一種防護手段都針對艦船特有的毀傷形式。現代艦船外壁普遍較薄，因而會出現導彈穿透外壁，在艙室內發生爆炸的毀傷形式[7]。氣液兩相混合介質衰減爆炸沖擊波正成為一種新興的防護技術進入各國視野[8]，因此進行水霧抑爆的研究意義重大。

本文簡要總結和評述水霧抑爆技術的研究現狀，重點針對水霧抑爆機理從氣液混合介質中沖擊波的傳播特性，液滴的響應特性及其對爆炸沖擊波的衰減作用，液滴在爆轟產物中的升溫、氣化及該技術在實際中的應用等方面較為系統地回顧分析近年的來研究工作，探討其發展趨勢。

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1 水霧抑爆技術與艦艇防護方法

在艦艇抗爆抗沖擊領域中，防護方法一般有兩大類：泄爆和隔爆。泄爆指膨脹泄壓，通過膨脹空艙[11]或者艦船的長通道等使爆炸沖擊波傳播更長的距離，耗散爆炸釋放的能量，同時由于所處空間體積更大，準靜態壓力也會相應降低。隔爆是指在爆炸沖擊波傳播過程中設置結構或介質相耗散能量。隔爆結構方式多樣，如優化的雙層板架、蜂窩結構等[13]；隔爆所使用的介質相也比較靈活，如應用水和空氣層交替分布，造成較大的波阻抗比，從而較大衰減沖擊波的能量[18]。類似的隔爆思想在其他工程中也有體現，如為了保護目標結構，降低受到的沖擊波能量，在結構前設置沙墻，利用沙墻受到沖擊拋撒形成的沙粒耗能等[23]。

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水霧抑爆的方法屬于隔爆中設置介質相法。由于水霧在空氣中是彌散分布的，且顆粒數多，沖擊波在傳播中會與小液滴發生無數次透射、反射，使得研究更加復雜。液滴在沖擊波的作用下首先會產生壓縮，并進一步產生拋撒和霧化[24]。同時，水有較大的比熱容，液滴吸收高溫爆炸產物的能量，一部分用于提高液滴溫度，另一部分用于蒸發，會消耗較多爆炸產物的能量。研究表明，在一個標準大氣壓下，單位質量的水由298 K 升至373 K 需要吸收313.5 kJ 的能量，等溫條件下，水由液態轉變為氣態需要吸收2 257 kJ 的能量，與0.6 kgTNT 炸藥釋放的能量基本相同。氣液兩相混合介質的吸熱效應在消防領域應用較多，水霧可以衰減火焰傳播速度，爆炸沖擊波的峰值超壓[26]，從而實現抑火抑爆。

縱觀整個歷史,中國文化向來不是“一脈單傳”的“本土文化”或“地方性知識”,而是一個不斷演化與進化的開放體系。它對外來的文化多用“加法”,對本土性的內容多用“減法”。這種“加法”不是簡單的照搬,而是在交流、交匯、交融的基礎上加以吸收、改造和利用,曾經“外來化”的內容不斷被本土化,從而去更好地應對新的“外來化”內容。

當液滴處在高溫環境中，液滴表面的溫度首先開始上升，并以熱傳導的方式將熱量傳遞給內部，從而使液滴的溫度不斷升高。液滴表面會隨著其溫度升高積累熱量，當熱量的值大于液滴在該溫度下的氣化潛熱時，液滴開始蒸發。液滴的蒸發會帶走一部分能量，所以此時液滴吸放熱同時進行，這就是瞬態加熱階段。但該過程一般持續時間較短，很多學者常常忽略。隨后，液滴蒸發的速率又隨著液滴表面溫度的升高而加快，當溫度達到飽和溫度時，速率趨于穩定。此時即進入了平衡蒸發階段[69–73]。

2 艙內氣液兩相混合介質中爆炸過程

艙內氣液兩相混合介質中爆炸過程如圖1 所示。艙內氣液兩相混合介質的爆炸過程始于炸藥爆轟[32]，該過程持續時間極為短暫。爆轟完成后形成一個小火球，由于炸藥爆轟釋放了大量能量，火球內部是高溫高壓的。火球未膨脹時，沖擊波波峰與熱力學波峰基本重合，之后，火球會以較慢的速度沿徑向擴散，在此過程中，兩波峰逐漸分離。沖擊波波陣面處是壓力和密度間斷面。在沖擊波波陣面前，空氣未被擾動，隨著波的傳播，水滴被迅速掃過，水滴的速度和溫度逐漸增大。在液滴表面的強剪切作用導致液滴發生變形破碎，形成粒徑極小的顆粒，液滴之間由于碰撞發生聚并融合現象[33]。液滴吸收氣化潛熱而蒸發形成水蒸氣。在該過程中同時會降低沖擊波動能。

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圖 1 艙內氣液兩相混合介質中爆炸過程示意圖[34]Fig. 1 Schematic diagram of explosion process in gas-liquid two-phase mixing medium in cabin [34]

3 氣液兩相混合介質中沖擊波的傳播特性

沖擊波與單個液滴相互作用如圖2 所示[31]。沖擊波作用于液滴的初始時刻，會同時產生透射波和反射波。圓弧狀的反射波向外凸出，向沖擊波傳播的反方向發展，透射波的方向與沖擊波傳播方向相同。在沖擊波傳播的過程中，液滴還會產生稀疏波，由稀疏波引起的環流與反射波疊加削弱反射波的壓力。透射波傳至液滴邊界時同樣產生稀疏波，分散透射波能量，導致壓力衰減。隨著沖擊波傳播，液滴兩側的環流影響區域隨之擴大，當達到一定程度時，環流產生的衍射波將繞過液滴向后方傳播。

圖 2 沖擊波傳播過程示意圖[31]Fig. 2 Schematic diagram of shock wave propagation process[31]

沖擊波波速是影響波在液滴中傳播的重要因素。當沖擊波馬赫數較低時，入射波波速小于透射波波速，透射波波速即為水中聲速1 484 m/s。此時，透射波凸出于液滴后方的界面超過沖擊波界面。在該種情況下，繞射波影響的流場區域較小，壓力較低，環流區的發展緩慢。當沖擊波馬赫數高時，在液滴后方繞射波的界面超過沖擊波界面。在2 種馬赫數之間有一臨界值使得入射波波速等于透射波波速，繞射波影響的流場區域更大，壓力較低，高馬赫數時，環流區的發展更加迅速。

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水霧顆粒對沖擊波的衰減可以從動力學和能量的角度解釋。從能量的角度看，沖擊波在傳播中與液滴相遇，液滴由于受到氣動力作用而加速，從而增大了液滴動能，液滴還會由于發生擠壓變形而產生破碎，增大了表面能，沖擊波提供了液滴加速和破碎所需的能量。從動力學角度，細小的液滴顆粒與空氣充分混合形成均相流，沖擊波傳播過程中會無數次與兩相的界面發生作用形成反射波、透射波、衍射波，波之間還會相互疊加，使得沖擊波的強度減弱。若液滴顆粒更小，則混合更加均勻，總表面積更大，發生入射、反射的次數會更多，因而對沖擊波的衰減更大。

4 液滴的響應特性

高能炸藥的爆炸中爆轟過程持續時間極短，燃料分子中包含了燃燒所需要的氧。極細的水霧對于抑制炸藥爆轟過程的貢獻不大。在爆轟結束形成火球后，高溫高壓氣團在艦艇艙室內迅速膨脹，持續的時間在毫秒量級，爆炸沖擊波在艙室壁面發生多次反射，此過程需要的時間在幾百毫秒量級。因此，細水霧可以與沖擊波和火球相互作用，從而抑制爆炸威力。

在低馬赫數激波下，液滴的破碎模式為剝離破碎。在激波與液滴相遇初期，液滴的形貌變化與振蕩破碎類似，液滴后方在透射波的作用下逐漸趨于一個平面，但在后期，液滴展向兩側的部分成為容易發生破碎處，細小的顆粒開始從液滴主體分離，液滴主體又繼續向扁平化發展，逐漸演化成月牙狀。隨著液滴剝離的進行，液滴主體最終破碎。

水霧在空氣中與爆炸沖擊波相互作用的方式主要有以下幾種：1）液滴為了克服自身慣性而吸收沖擊波動能，降低沖擊波傳播的速度；2）液滴與沖擊波作用后發生破碎，需要吸收能量以維持表面積的增加；3）液滴吸收爆炸產生的熱輻射能量；4）液滴吸收顯熱用于自身溫度的升高；5）液滴吸收氣化潛熱用于蒸發相變；6）水蒸氣的形成稀釋了氧氣濃度，阻礙了爆炸的后續反應；7）由于水蒸氣比空氣的比熱更大，所以蒸汽會吸收額外的顯熱；8）液滴因聚并融合克服分子斥力；9）液滴聚并融合形成的水層一定程度上隔絕了氧氣，阻礙了后續化學反應。在微觀上，液滴與沖擊波相互作用導致的破碎現象以及液滴在高溫環境中的蒸發吸能顯得尤為重要。

將記錄的所有數據利用SPSS 18.0統計學軟件進行分析處理，計數資料[n（%）]以 χ2來檢驗，計量資料（±s）以 t檢驗，P<0.05為差異有統計學意義。

4.1 液滴破碎現象研究現狀

4.1.1 液滴破碎的模式及理論模型

液滴的破碎可按液滴形貌的變化進行分類[35–41]，這種分類法比較直觀。3 種典型破碎模式為振蕩破碎、剝離破碎和爆炸破碎，如圖3所示。

圖 3 三種破碎模式示意圖[42]Fig. 3 Schematic diagram of three crushing modes[42]

在低速氣流時液滴發生振蕩破碎。初始時刻，氣流與液滴相遇，由于液滴是不可壓縮的，液滴會首先產生變形抵抗外力的作用，此時液滴形態為環狀褶皺。當氣流經過液滴表面時，液滴內外流場產生了速度差，由于該切向力的作用，液滴的形態由環狀褶皺結構轉變為波紋狀結構。液滴受到氣流的影響繼續變形，逐漸變扁平，最終形成圓餅狀。

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在高馬赫數激波下液滴發生爆炸式破碎。激波與液滴相遇初期，液滴主體便剝離出顆粒，且剝離的速度和顆粒數遠大于剝離破碎模式。剝離出的顆粒按流場跡線分布，在液滴后方受氣流影響，在液滴中心水平線聚集，從而形成刺狀形態。隨著氣流的持續進行，液滴向兩側擴展的寬度逐漸增加，液滴主體也已破碎成小顆粒，最終成爆炸式破碎。

學者們發現僅僅按液滴形貌進行分類不足以反映液滴破碎的本質，所以后來提出液滴的破碎按照作用機理又可分為2 種破碎模式：Rayleigh-Taylor 不穩定性（R-T 不穩定性）發展刺入模式和剪切誘導裹挾模式[43–45]。

R-T 不穩定性破碎模式如圖4 所示。R-T 不穩定性發展刺入指液滴破碎主要以R-T 不穩定性為主導。當密度較小的流體被密度較大的流體作用時，就會產生界面之間的不穩定，且2 種密度不同的流體會相互混合，此為R-T 不穩定性。在該種模式下，液滴表面首先會出現較多小孔，這種小孔發展迅速，當達到一定程度，孔洞之間相連，孔洞的液膜間就會形成不規則液線，在液滴表面振蕩波動的作用下，液滴發生破裂。

圖 4 R-T 不穩定性破碎模式示意圖[46]Fig. 4 Diagram of R-T unstable breaking mode [46]

剪切誘導裹挾式破碎模式如圖5 所示。剪切誘導裹挾式破碎模式發生在韋伯數較大的情況。該破碎模式可以分為3 個部分：擠壓變形、迎風面干擾波的形成和傳播、背風面的變形。一開始，液滴前后駐點由于受到高壓，且液滴是不可壓的，從而產生擠壓變形。接著，在迎風和背風面分別產生了不光滑區。迎風面的不光滑區認為是由氣液兩相界面不平衡所產生的液滴不穩定，背風區的褶皺跟液滴上下兩側的流動及渦旋的產生及分離相關。在迎風面，氣流的剪切以及裹挾夾帶作用使液滴主體產生細小顆粒并被拋撒分離出去形成液霧，在背風面，褶皺結構同樣是破碎易發生的區域，也會產生霧化，但迎風面是破碎的主要發源地。在氣流強剪切作用下，液滴最終完全破碎、霧化。

圖 5 剪切誘導裹挾式破碎模式示意圖[46]Fig. 5 Schematic diagram of shear-induced shrouded fracture mode[46]

表面模型是假定液滴的熱擴散系數無限逼近于0，且認為液滴的表面和內部一直存在較大的溫度差。假定液滴內部的溫度是初始狀態的溫度，傳熱傳質過程只在液滴表面溫度達到熱力學平衡溫度時才會發生。一般表面模型用于分析液滴在靜止氣流中的蒸發。

4.1.2 液滴破碎的試驗研究

研究液滴破碎一般有3 種方式：激波管法、連續射流法和液滴塔法。

激波管[53–58]最早用于研究礦井的爆炸，可以根據氣體動力學理論造出任意條件的激波并與研究對象發生作用。激波管法最大的優點是可以精確控制氣體的參數，在激波管中，氣體的流速可以達到上萬米每秒；壓力可達幾千兆帕，且實驗的花費較少；缺點是實驗的時間只有幾毫秒，這對測量技術是較大的挑戰。用激波管法研究液滴破碎的文獻已有較多文獻：Hsiang 和Faeth[59–61]研究了袋狀破碎至剝離破碎的過渡階段，液滴界面和激波的擾動對破碎產生的效果，發現雷諾數的影響不可忽視；Kobiera 等[62]用激波管法研究了激波與燃料液滴的相互作用，發現氣流馬赫數對液滴形貌變化起主要作用，液滴的粒徑基本不影響液滴變形，但液滴的霧化時間受二者共同作用等。

4.2.1 液滴的蒸發機理及影響因素

液滴塔法[68]是讓產生的液滴做自由落體運動，在液滴加速過程中，液滴與周圍流場的相對速度也在不斷變大，從而發生變形壓縮，進而發生破碎。液滴塔法中的載荷并非階躍式的。

4.2 液滴蒸發的研究現狀

水霧抑爆過程中，液滴實際是受到變溫度場作用而產生，而目前，關于此類研究文獻較少，目前多集中在液滴在恒定溫度中的蒸發。

連續射流法[63–67]是利用射流器產生氣流使液滴發生破碎的方法。該方法操作簡單，但是對噴嘴的設計有特殊要求，以便減少液滴所受氣流剪切層的影響，更好進入流場。

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液滴的蒸發涉及到傳熱傳質學、多相流體動力學等，受到的影響因素較多，如環境條件、液滴的初始狀態、液滴間的相互作用等[74–78]。

液滴的初始溫度主要影響瞬態加熱階段，初始溫度越高，則達到飽和溫度需要吸收的能量越少，蒸發所需要的時間越短。液滴初始直徑的大小主要影響平衡蒸發階段。根據d2定律（液滴蒸發的時間與液滴直徑的二次方成正比）[79–81]，初始粒徑越小，蒸發速率越大。

環境壓力和溫度對液滴蒸發的影響比較復雜。在超臨界壓力下，若液滴表面的溫度始終未達到蒸汽與環境氣體組成的混合物的溫度，或達到了該溫度，但未發生由亞臨界向超臨界狀態的轉變，則蒸發一直受相平衡控制，若發生了狀態轉變，則液滴表面沒有液相，此時蒸發快慢由擴散系數決定，擴散系數反比于壓力，此時壓力越大，蒸發越慢。

細水霧在消防領域有著成功的應用，水霧可以通過吸收顯熱和潛熱及稀釋可燃物所需氧氣的濃度抑制火焰燃燒[99]。研究人員已經可以通過數值模擬[100]和實驗[101]較準確給出抑制火焰傳播所需的最小水霧濃度，如均勻彌散的質量濃度為0.1 kg/m3的水霧可以有效抑制庚烷的燃燒并將其完全撲滅[34]。雖然水霧在消防領域有較多研究，但在抑制炸藥爆炸方面還沒有透徹研究。

在密集噴霧中研究液滴的蒸發需要考慮液滴之間的相互作用。研究表明[87]，霧滴粒徑尺寸分別為40 μm和100 μm 的噴霧蒸發與單液滴的蒸發特性有明顯不同，粒徑為40 μm 的噴霧中單個液滴蒸發速率增大，粒徑為100 μm 的噴霧蒸發速率減小。此外，有學者還指出，在飽和狀態下，若將噴霧考慮成液滴串，則蒸發速率與單個液滴的蒸發相比不在同一量級，若噴霧較密，霧滴也不可能完全蒸發，因為蒸汽所占比例會在環境中不斷增大，達到飽和狀態[88]。

什么是描寫語體？描寫語體，與敘事語體的注重時間連續性特征不同，更注重對同一個空間場景中的靜態事物的描述。如下例：

4.2.2 液滴蒸發的理論模型

液滴蒸發的理論模型大致可以分為表面模型[89–94]和均勻溫度模型[95]2 種。

液滴破碎的理論模型最早由Hinze 于1955 年提出[47]。該理論以均勻能量耗散為理論基礎，提出了液滴破碎動力學的概念。Hinze 認為，液滴的破碎是由環境的干擾力和液滴自身的恢復力決定的，干擾力又可分為慣性力和粘性力，將干擾力與恢復力的比值定義為韋伯（We）數，若We 數大于臨界值，液滴便破碎。另外，由該模型還可進一步推出在液滴破碎時的We數，即臨界值Weerit。此后30 年，國外學者根據此液滴破碎模型又進行了改進[48–50]，但均有不足之處。Karabelas 沒有考慮分散相受到的粘性力；Sleicher 理論只適用于分散相粘度在一定的區間內（0.3～30.0 mPa·s）；Grace 理論中的破碎液滴中有來自于母液滴的小突起部分，而不是真正的破碎液滴。在之后的破碎模型均可看做是對Hinze 理論的補充和完善[51–52]。

動物學科英語的翻譯是ESP發展的重要組成部分，同時也是科技英語發展的重要組成部分。本文將系統功能語言學的語法隱喻理論運用到動物學科英語的翻譯中，以及物性隱喻，名詞化和形容詞化為例，分析了在概念語法隱喻指導下如何譯出地道正宗的動物學科英語譯文。概念語法隱喻不僅可以幫助我們發現、解釋動物學科英語翻譯中的一些現象，而且對構建動物學科英語也具有一定的啟示意義。本文只涉及了概念語法隱喻，對于人際語法隱喻和語篇語法隱喻在動物學科英語中的應用尚未提及，此領域仍需進一步的探索。

均勻溫度模型假定液滴的熱擴散系數趨近無窮，液滴內部由于環流等始終與表面有相同的溫度，且內部溫度均勻。均勻溫度模型一般用于分析對流較強、液滴內部環流較好且液滴粒徑較小的情況。

在研究蒸發預熱階段時，表面模型認為液滴升溫時蒸發極少，所以忽略不計，且蒸發是非穩態的，液滴按照球體處理，當液滴的溫度達到熱力學平衡溫度，才有相平衡的傳熱傳質過程。均勻溫度模型認為，液滴在該階段的蒸發只跟熱擴散系數有關，蒸發是非平衡的。液滴在此階段吸收的熱量一部分用于升高溫度，另一部分用于蒸發相變，當達到熱力學平衡溫度，就轉變為穩態蒸發，擴散與傳熱平衡。在液滴穩態蒸發階段，熱力學平衡溫度與來流溫度成正相關。

4.2.3 液滴蒸發的實驗研究方法

液滴蒸發的實驗研究方法大致可分為4 種[96]：液滴懸掛法、氣懸法、落滴實驗法和多孔球法。

液滴懸掛法是先產生一個液滴，然后用石英絲或其他材料將液滴懸掛并移動至高溫環境，用高速攝像記錄蒸發過程，環境的溫度可以通過熱電偶監測。該方法操作簡單，在實驗室容易實現，且液滴懸掛法會使得液滴處于相對靜止的狀態，便于測量出各種參數。但是該方法受到石英絲尺寸的限制，液滴的尺寸需大于1 mm。由于懸掛的液滴對石英絲有張力的作用，使得蒸發過程中會產生液滴大變形，石英絲本身也會導致液滴熱量傳輸的損失，從而影響測量結果。

氣懸法是使液滴的重力與周圍環境氣流的浮力相平衡，從而處于受力平衡的懸浮狀態。該方法由于沒有石英絲等材料的影響，所以不會有傳熱的損失，且液滴也不會產生大變形。但是由于環境氣流的作用，液滴的位置難以控制，不易測量結果。同時，環境的對流也對蒸發過程的傳熱傳質有影響，使得分析更加復雜。

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落滴實驗法是使產生的單個液滴在高溫環境中做自由落體運動，在此過程中，液滴被加熱，液滴的速度逐漸變大，從而產生與周圍環境的對流傳熱和傳質，且傳熱傳質的速率不斷變大。該方法可以產生任何粒徑的液滴，而且不會受到液滴以外材料的干擾，沒有液滴的大變形。但是由于液滴是不斷運動的，數據不易測量，且由于液滴與周圍環境是相對運動的，這也會帶來一定的影響。

多孔球法是向一個小球注入液體，該小球的尺寸與液滴大小相當，從而將研究單液滴轉化為研究小球。該方法操作簡單，容易實現，不會產生液滴的大變形。但是該方法只能用于研究液滴的穩態蒸發，且會產生較大的誤差。

5 水霧抑爆衰減效果研究現狀

在湍流環境中，液滴的蒸發會與其相互作用，主要體現在湍流流動下液滴分散分布、湍流對液滴傳熱傳質速率的影響及液滴蒸發對湍流流動特性的修正[82–85]。但是有學者指出，當液滴粒徑尺寸遠小于湍流積分長度時，可以不必考慮湍流的影響[86]。

國外的學者在實驗和數值模擬方面都做過較多嘗試，實驗的研究要早于數值模擬的研究。在實驗方面，由于激波管實驗容易控制，所以早年學者用激波管研究沖擊波與細小顆粒的相互作用。Sommerfeld[102]實驗探究了細小玻璃顆粒對于衰減弱沖擊波的效果，該實驗在激波管中完成。實驗表明，由于眾多玻璃顆粒的慣性和較大的比熱容，高質量濃度的玻璃顆粒使得沖擊波傳播速度降低，該實驗也在理論上解釋了玻璃顆粒衰減沖擊波的主要機理是顆粒吸收了沖擊波的動能。Joseph 等[103]用激波管實驗研究了水滴與激波的相互作用，闡明了液滴破碎現象的原因。液滴是由于受到剪切力的作用導致相界面不穩定發生破碎。在激波管中產生的壓力梯度相較于真正的炸藥爆炸要小得多，且激波管的溫度也遠低于液滴蒸發的溫度。后來，研究人員擴大了實驗規模，用水袋抑制炸藥爆炸。Catlin[104]的實驗中，水在爆炸物的作用下發生霧化。Keenan 和Wagner[105]的實驗表明沖擊波超壓被水袋衰減了90%。Van Wingerden[106]用粒徑較大的水霧抑制氣體的爆炸。Buzukov[107]首先做了水霧衰減沖擊波威力的實驗。粒徑小于200 μm 的細水霧在破碎程度和蒸發率均與水袋效果不同，這是由于單位體積內細水霧的表面積遠大于水袋產生的水霧表面積。Heather[108]開展了艙內水霧抑爆實驗。該實驗模型使用方艙結構，尺寸為4.6 m×4.6 m×3.1 m，實驗前，在艙室內預先噴60 s水霧，形成液滴彌散分布的均相流。該實驗室的高壓霧化噴嘴可以產生極細的水霧，水霧顆粒平均粒徑為54 μm，水霧密度為70 g/m3，炸藥量為50lbTNT及當量相同的Destex。實驗測定了在有無水霧的工況下沖擊波超壓、沖量及準靜態氣壓的數據，使用TNT 做爆源時，分別衰減40%，36%和35%，而使用Destex 工況下，則分別衰減43%，25%和33%。該實驗還闡明液滴吸收氣化潛熱對水霧抑制爆炸的貢獻不可忽視，使用該技術抑制高爆炸藥的爆炸威力前景廣闊。此外，美國海軍作戰實驗室也在防雷艙中進行過類似實驗，實驗中的TNT 質量分別為0.9 kg，2.2 kg和3.2 kg，水霧對于準靜態氣壓的衰減最高達到40%，在實驗中還發現水霧不僅衰減沖擊波強度，還降低沖擊波傳播的速度。

國外學者在水霧抑爆的數值模擬方面也做過有益的探索。Schwer 和Kailasanath[109–112]最早開展水霧抑爆數值仿真探索，以Ramagopal 的實驗[108]為基礎，分別以球形艙和圓柱形艙室為研究對象，使用了2.3 kgTNT 作為爆源，水霧粒徑的范圍為10～50 μm，水霧的質量濃度為30%～70%，對分散相液滴使用了歐拉模型。仿真結果表明，在水霧濃度較高的情況下，沖擊波超壓的衰減較為明顯，還得出引起沖擊波超壓衰減的主要機制是液滴吸收了爆炸沖擊波動能的結論。但是該仿真過程假定沖擊波與水霧作用后，水霧顆粒不發生破碎，且未考慮高溫氣體對液滴的蒸發，但其研究具有開創性。Adiga 等[113]對水霧抑爆過程考慮了熱力學效應，數值模擬了液滴破碎后由于表面積增加對沖擊波能量耗散的影響。仿真結果表明，液滴破碎所需的破碎能較小，但是破碎的小液滴的蒸發率要遠高于母液滴。

水霧抑爆在國內也有相關的研究，相應數學模型的研究較少，目前鮮有相關文獻。在數值模擬方面，丁鈺[114]用歐拉法模擬了水在爆炸作用下的霧化過程，討論了抑爆裝置在垂直和水平來流方向放置在爆炸后水霧濃度的變化，結果表明垂直與來流方向放置抑爆效果更佳，因為在爆炸初期該方式便產生了較高濃度的水霧，更好地覆蓋了火焰。劉貴兵[31]研究了沖擊波與液滴作用的微觀過程，結果表明，單個液滴隨著尺寸增大，對沖擊波的衰減呈線性增長的規律，多排液滴對沖擊波的衰減更加明顯。劉謀斌[22]用無網格粒子法（SPH 法）數值模擬了水幕減爆的過程，并將仿真結果與實驗對比，結果表明非直接接觸類減爆法若能夠合理布置多層水幕的間隔，減爆效果會優于直接接觸式減爆，相反，若沒有經過優化設計，則效果不如直接接觸式減爆。王健[115]用雙流體模型，將流體和顆粒均看做連續介質，運用TVD 格式[116]捕捉激波求解氣相方程，用MacCormack[117]格式處理顆粒相，解決兩相均為歐拉模型時，在激波間斷面出現的數值解抹平現象。該仿真同時考慮了顆粒相對流體的作用以及湍流的擴散，研究了不同水霧粒徑、不同水霧濃度及液霧區長度對于抑爆效果的影響，實現了宏觀水霧抑爆效果的仿真，并將結果與激波管實驗對比，結果吻合良好。但是該仿真沒有考慮液滴蒸發造成的傳熱傳質影響，即顆粒未蒸發造成對沖擊波動能衰減偏大，同時由于沒有計及液滴蒸發吸能，兩者對抑爆結果的貢獻沒有討論。目前對于水霧抑爆衰減效果的分析主要集中在實驗研究。謝波[118–119]開展了在開放空間中主動和被動水霧抑爆實驗的探究，實驗采用了將水槽區分散和集中布置2 種方式，發現分散布置效果更佳，且用水霧濃度劃分了抑爆和非抑爆區域。李營[120]探究了水袋對爆炸沖擊波的衰減，重點關注鄰艙結構準靜態氣壓、沖擊波強度，發現水介質均能起到較好衰減效果，且對超壓峰值的衰減效果最佳。水介質能夠有效抑制后燃燒反應，在一定范圍內，炸藥量越大，衰減效果越明顯。陳鵬宇[121]在船艙縮比模型中進行了水霧抑爆的實驗，方艙的尺寸為990 mm×224 mm×464 mm，TNT 炸藥的質量分別為20 g 和50 g,噴嘴壓力8 MPa,實驗表明，細水霧有效衰減了爆炸沖擊波的峰值超壓和準靜態氣壓，最高衰減可達63%，并衰減了沖擊波傳播的速度。

6 國外艦船水霧抑爆技術的使用現狀

水霧可以有效抑制爆炸威力已經被充分得證實，在美國的艦船上已經列入實裝。以驅逐艦為例，在導彈穿艙內爆時若沖擊波的強度能衰減30%以上，便可以防止內部設備的嚴重損毀，保障艦船生命力[122]。水霧抑爆裝置在艦船的實裝需要考慮多方面因素，如艙室的大小和形狀，噴嘴的霧化特性，水霧噴出的時機等。有關該裝置更多的研究，需要更多的數值模擬計算和艙室內爆實驗來獲取數據。

美國海軍正在使用的水霧抑爆系統能夠用于艙室內部，該系統使用改進的高壓霧化噴嘴[123]，能夠噴出大量且極細的水霧，水霧的粒徑達到100 μm，在1 000 磅壓力（約15.2 MPa）下噴出的流量為每分鐘2 加侖（約7.6 t/min），相比于商用水霧系統，效率高2～3 倍。同樣，由于軍用的水霧抑爆系統效率更高，所以需要更大的吸水量和更大的電功率消耗。

美軍的DDG1000 融合了大量先進技術，其中包括水霧抑爆防護技術。由于該驅逐艦安裝外圍垂發裝置（PVLS 模塊），外壁為薄壁結構，內壁加強，所以若導彈在垂發系統穿艙內爆，外壁結構會首先破壞，通過泄爆的方式保證驅逐艦的生命力[124]。但同時，該驅逐艦在水線以上的結構向內傾斜，因而垂發系統外部的空間較小，該垂直發射單元如圖6 所示。在作戰中，導彈垂發系統容易成為敵方目標，且由于其船型設計和結構設計，使得DDG1000 在實際戰場環境中容易出現這種毀傷模式，所以在內外壁間安裝水霧系統對于提高DDG1000 的生命力是有益的。

圖 6 DDG1000 外圍導彈發射系統位置示意圖和外圍舷側結構草圖[31]Fig. 6 PVLS system and PVLS sketch of DDG1000

DDG1000 的剖面圖如圖7 所示，雖然內外壁間是安裝水霧系統較為理想的選擇，但是在該區域內水霧系統能否產生預期的效果仍待進一步研究，首先，驅逐艦不同位置處空間布局和強度設計均有差別，這會造成抑爆效果較大差別，如角隅處沖擊波會反射和疊加，大大增加沖擊波威力[126–127]，另外，艙內爆炸會產生準靜態氣壓[128]等，這些都是設計水霧抑爆系統需要考慮的方面。

圖 7 DDG1000 剖面結構示意圖[125]Fig. 7 Profile sketch of DDG1000

7 水霧抑爆技術難點及發展趨勢

7.1 實驗難點

目前，對于水霧抑爆的實驗研究，在激波管中實驗進行的多，在開放空間中尤其是艙室內進行的少。雖然激波管的條件容易控制，但無法模擬真實艙室結構，尤其是無法考慮沖擊波在角隅處的反射疊加。在開放空間中，水霧會對傳感器的測量產生一定影響，對于測試技術也有較高的要求。同時若采用真實爆源，由于每次使用的炸藥性質均有差異，炸藥的起爆過程也有不同。此外，傳統爆炸測試技術還有需要解決的問題，如以傳感器、示波器等組成的瞬態爆炸測試系統在測量溫度時，由于電壓與溫度的非線性關系，測試結果誤差較大，爆炸后結構本身產生的應力波也會在一定程度上影響結果。同時，傳感器的采樣頻率若較高，則測得的數據點較少，這需要研發人員開發更高頻采樣儀器，并注意測試方法的靈活性。在實際測試中，還可考慮用虛擬儀器測試技術替代現有的傳統測試系統。虛擬儀器測試系統[129]是計算機技術和測試理論相結合的產物，利用高性能計算機硬件和靈活的軟件進行測量，且在爆炸過程中的測量有著成功的應用。該方法有較強的可擴展性、低成本、精度更高，可以完成傳統儀器無法完成的實驗，已經逐步進入各行各業。在未來的實驗研究中，要將激波管實驗和開放空間實驗相結合，尤其多進行實尺度、大模型實驗，并提高針對水霧抑爆的測試技術水平。

7.2 理論及仿真難點

對水霧抑爆的理論研究，主要是數值模擬研究的多，理論模型提出的少。水霧抑爆的理論基礎是爆炸力學和多相流體動力學，僅在微觀層面研究液滴的破碎和蒸發等還遠遠不夠，在密集水霧中液滴間的相互作用和湍流流動都會對宏觀現象產生影響，如水霧過于密集則單個液滴不可能完全蒸發等，另外沖擊波與液滴發生無數次入射、反射、透射等現象，如何從宏觀角度解決也是值得思考的地方。在數值模擬中，現在一般使用的兩相流模型一般可分為顆粒軌道模型和雙流體模型。顆粒軌道模型基于拉格朗日觀點，是將流體看做連續介質，充滿整個空間，將顆粒看做離散相，在這種模型中，用離散單元法或微粒的彈性碰撞來研究兩相流的流動。但是該方法一般適用于較稀疏的兩相流，若顆粒中速度值范圍較寬，則會大大增加計算量，計算的收斂性和精度難以保證，同時該方法難以考慮湍流的擴散。雙流體模型基于歐拉觀點，把氣液兩相均看做連續的介質，該方法可以應用于水霧濃度較大的情況，考慮了顆粒反作用于流體以及湍流的混合，同時還可以配合TVD 格式，使激波捕捉法在多相流中的應用成為可能。雙流體模型已經逐漸占據主導地位。目前還沒有相關文獻可以將抑爆機理中的各種因素考慮全面，只能對其中的因素分別加以研究，但水霧抑爆中的衰減機理也是相互影響的。在未來可發展宏觀的水霧抑爆理論模型，在考慮液滴破碎的基礎上同時考慮水霧的蒸發吸能和爆炸過程中的輻射換熱等，對水霧抑爆的機理有更多研究。

敲碎芋螺外殼，取出芋螺平放置于解剖盤內，剪開腹膜，取出毒腺、毒管、肌肉組織分別放置在滅菌后的預冷研缽中，緩慢加入液氮后迅速研磨，稱取約200 mg粉末轉移至1.5 mL離心管中。具體試驗步驟參照海洋生物基因組試劑盒說明書。取5 μL芋螺不同組織的DNA樣品經1.5%瓊脂糖凝膠電泳分析，使用凝膠成像系統照相并保存。

7.3 應用難點

對水霧抑爆應用方面，水霧抑爆技術是由消防滅火技術演化來的，要運用到抑制炸藥爆炸威力中，還需要考慮到艦艇艙內爆炸的特點針對性設計，如噴出的液霧可以是一種有效阻斷炸藥燃燒反應的化學制劑，噴出溫度較低的水霧等。同時，由于水霧抑爆技術是個系統工程，需要綜合考慮各種因素，如艦艇內艙室有限且艙室內布局也決定了沖擊波在傳播過程的復雜性，要保證噴出的水霧既要有效抑制爆炸威力、又不對內部設施造成二次損害。在導彈命中前應提前噴出水霧，如何判斷導彈即將命中，噴出的水霧濃度、水霧粒徑的大小都需要考慮。此外，為了能噴出不同的水霧，噴嘴的霧化特性顯得尤為重要，要設計出針對水霧抑爆的高壓霧化噴嘴等。水霧抑爆技術在艦船的應用涉及到船舶設計、自動化控制、系統工程等專業，需要聯合多種科研機構一起攻關，先在實驗室中做出模型，并不斷優化方案才能列入實裝，所以還有很長的路要走。

在未來的研究中，應多進行實尺度、大模型實驗，發展宏觀的水霧抑爆理論模型，在考慮液滴破碎的基礎上同時考慮水霧的蒸發吸能和爆炸產物的輻射換熱等，對水霧抑爆的機理進行更多研究，并不斷優化，從而提升戰斗力。

8 結 語

本文綜述了水霧抑爆防護技術研究現狀，分析了氣液兩相混合介質中沖擊波傳播過程，液滴在該過程中發生的破碎、蒸發氣化現象及氣液兩相混合介質對爆炸威力的衰減，簡要介紹了水霧抑爆系統在國外艦船的使用，從水霧抑爆的理論和實驗研究、數值模擬研究及應用上提出發展水霧抑爆技術目前存在的難點并指出下一步解決這些問題需要開展的工作。