裝置參數對125kg燃料成霧性能的影響

中圖分類號：O383；TJ55 國標學科代碼：13035 文獻標志碼：A

Abstract： The large-scale explosive dispersal andthe unconfined detonation of particle-spray-air ternary mixtures are closely relatedtoindustrial acidentsandmilitaryapplications.However，mostoftheexistingresearch focusesonthesma-scale experimentinthelaboratorywithlarge-scaleexplosivedispersalexperimentsbeingrelativelyscarce.Theinitiationstateofthe aerosolcloud determines the blast power，andthedevice structure andspecific explosive charge arethe main factors ffcting thecloud morphology.To study the damaging eect of aerosol， the large-scale dispersed experiment of fuel was carried out.The processof aerosol development was observed byhigh-speed video recording.VariationcharacteristicsofFAEcloud withdiffrentcanistersandthe specificcentral explosivewere studied.The aerosol diameter and heightwere usedto describing theaerosol shape，then they were analyzed under different initial experimentconditions.Three types of canisters wereutilized，namelythebasiccanister，thecompound canister，andthestrengthncanister，withtheprimarydiference being their radialrestraint mechanisms.The specific central explosive was adopted the T-shaped charge.Theresults show that the aerosol formatioisreliablethroughthereplicationexperiments.Becauseof itsstrongradialrestraint，thecompoundcanister has the advantage in the aerosol diameters. The aerosol diameters of compound canister can reach ，compared to strong canister coverage area increased by 13 % .Therefore，the compound canister with the specific central explosive of 0 . 8 % has the best aerosol performance for fuel.On this basis，characteristics of the aerosol were further analyzed.The optimal secondarydetonationdelaytimeis .Thecalculatingaerosol concentration before burst is and the chemical equivalent ratio of fuel to oxygen in theair is 0.54.

Keywords：FAE cloud formation； explosion dispersion；device structure； specific central explosives

對自由場條件下大體積燃料拋撒成霧的研究，在民用和軍事工業（例如火山噴發、工業粉塵爆炸事故、湍流爆轟等[-3]）中具有重要的理論和應用價值。在軍事工業中，被廣泛運用的燃料空氣炸藥是一種新型爆炸能源，其作用機理是通過爆炸驅動燃料拋撒成霧后，在云霧內用2次延遲裝置進行直接起爆，實現云霧爆轟，放出巨大的熱量和強烈的沖擊波，從而實現大面積的毀傷范圍。與傳統炸藥相比，燃料空氣炸藥的沖擊波持續時間更長。

自由場條件下燃料空氣的混合形成過程復雜，學者們通過大量實驗對其影響因素和形成規律進行了深入研究。19世紀80-90年代，學者們通過縮放實驗[4、尺寸縮放實驗5、圓盤形氣云實驗研究了可燃氣云在自由場條件下的擴散特征，并分析了障礙物、罐體結構、開口孔徑、初始壓力對可燃氣云尺度的影響規律。對于氣-液、氣-固兩相云霧形成過程的實驗研究表明，中心拋撒藥質量和種類、爆炸裝置材料和結構會影響燃料空氣混合物的形成結果[7-9]。由此可知，燃料拋撒的最終狀態與爆炸初始裝置相關[0]。對于多相大體積的云霧形成，劉慶明等[11]研究了 裝藥量FAE（fuel-airexplosive）的云霧拋撒和爆轟威力；陳明生等[12-13]利用試驗和數值模擬研究了 裝藥殼體形狀、燃料拋撒速度對云霧形成的影響；王永旭等[14]進行了 燃料爆炸拋撒成霧過程的實驗研究。大體積燃料云霧形成過程更復雜，影響因素較多，目前針對該過程沒有準確的物理模型和計算方法，只能從大量的場外試驗中探索燃料濃度隨時間的變化關系，從而取得理想的爆轟效果。

本文中，對大體積云霧的成霧性能進行試驗研究，探討裝置結構和比藥量（比藥量為中心藥質量與燃料質量之比）對云霧成霧特征的影響規律，以期為進一步探索云霧爆轟試驗奠定基礎。

1試驗方法

1.1 試驗方案

將 的燃料拋撒裝置垂直擺放在試驗架上，試驗架固定住試驗裝置，裝置下端板距地面 。將下端板中心作為爆心（原點），距爆心 處布置2對標志桿，2對標志桿的夾角為 。高速攝影儀布置在爆心與標志桿的延長線上，距離爆心 以上，屬于安全范圍。2臺高速攝影儀的拍攝頻率為 ，架設高度為 。圖1為試驗現場布置示意圖。

1.2 試驗裝置結構

裝置結構由中心管、上下加強端板以及筒壁組成。裝置結構為薄壁圓柱體結構，殼體材料為鋁，筒壁厚度為 ，上下端板為圓形截面，直徑為 ，其筒壁長度為 ，在筒壁上均勻分布深度為 的16道預制刻槽，利于燃料拋撒，不易竄火。未裝填燃料的裝置質量分別為30 和 。內部裝填約為 液固混合燃料，中心管內部裝填TNT高能炸藥，采用T形裝藥。研究[15-16]表明，扁平狀云霧有利于云霧爆轟且云霧形狀與殼體結構相似，加強軸向約束力，能夠形成扁平狀云霧，因此，設計了3種裝置結構（圖2），以研究裝置結構中軸向連接處強度對云霧形態的影響，區別為：（a）連接處用4個直徑為 的鉚釘連接，其裝置結構稱為弱結構裝置，結構強度為 ；（b）連接處用直徑為4個 的鉚釘連接，其裝置結構稱為強結構裝置，結構強度為 ；（c）連接處用直徑為4個 鉚釘連接，另有4根加強桿對稱分布，其裝置結構稱為復合結構裝置，結構強度為 。在相同比藥量（ 0 . 9 % ） 下對3種結構進行云霧成霧試驗。

1.3 比藥量

在燃料分散時，燃料爆炸載荷驅動具有最大距離，且存在不發生“竄火”的最大炸藥比例。因此，試驗方案中，中心裝藥采用低爆速炸藥，其結構為T形裝藥，并配合充填惰性材料以降低爆炸產物溫度等措施，防止燃料在分散過程中“竄火”。T形裝藥結構示意圖如圖3所示。

對于復合結構，比藥量分別為 0 . 8 % 、 0 . 9 % 、1 . 0 % ；對于強結構，比藥量分別為 0 . 9 % 、 1 . 0 % 、1 . 1 % 。進行2種結構的云霧成霧試驗，以獲得比藥量與裝置結構的最佳參數。試驗方案如表1所示。

1.4云霧直徑和云霧高度的數據處理方法

通過在云霧區邊界設置標志桿，借助圖像處理軟件，得到不同時刻的云霧尺度。拍攝照片

像素為 1 2 8 0 × 8 0 0 ，由于云霧形態近似為圓柱，選取云霧直徑 D 和云霧高度 觀察云霧形成特征（圖4），其中， 和 分別為云霧最大高度、中間高度、最小高度。讀取時，去除毛刺和模糊不清的邊界。

2試驗結果與分析

2.1裝置結構對云霧分散性能的影響

相同比藥量（ 0 . 9 % ）下，對3種不同的裝置結構進行燃料拋撒試驗，其成霧過程如圖5所示。由圖5（a）可知，弱結構在 時出現火花， 時完全燃燒。比藥量較低時，弱結構依然竄火，若繼續降低比藥量，則云霧形成狀態較差。復合結構和強結構成功形成云霧。竄火機理是中心藥能量低于破殼能量，因此，增加縱向約束力是防止竄火的有效措施之一。

圖5不同方向的云霧形成過程

2.2復合結構和強結構的重復性試驗

為保證云霧成型的穩定性、可靠性，在相同比藥量（ 0 . 9 % ）下進行了強裝置結構和復合裝置結構的3次重復性試驗，試驗結果如圖 所示。可以看出，云霧分散參數的增大趨勢相同，部分強結構破片未破裂；相較于強結構，復合結構的破裂效果較好，刻槽處均已開裂，分布均勻完整；弱結構因為竄火現象，破片無法成形。

統計學上，標準差能夠反映多次測量數據之間的相差程度，用來衡量試驗結果的穩定性。云霧直徑（ 和高度 的標準差可表示為：

式中： 為第 n 時刻的云霧直徑， 為云霧的平均直徑， 為第 n 時刻的云霧高度， 為云霧的平均高度，n 為統計數量。

由式（1）計算可知，復合結構的 為 為 ；強結構的 為 為 。（204號 和 均沒超過 ，說明2種結構的拋撒過程的穩定性較好，成霧效果較可靠。對比2參數的標準差，發現云霧直徑的穩定性大于云霧高度，這可能是由于端蓋沒有均勻刻槽，導致分散不穩定。

2.3裝置結構對云霧特性的影響

3種裝置的云霧分散試驗結果如表2和圖5所示。由圖5可知，云霧的形成過程大致均分為3個階段：（1）加速形成階段，加速過程很快，高速攝像幾乎捕捉不到該階段；（2）減速階段；（③）穩定湍流階段，云霧形成。弱結構的縱向約束力較弱，起爆時能量過于集中，使得中心藥的分散能量大于破裂能量，引起自燃，導致竄火現象， 時，出現明顯火光，云霧持續燃燒， 時，完全燃燒。

對強結構和復合結構進行相同比藥量（ 0 . 9 % ）下的燃料拋撒試驗，不同裝置結構的云霧直徑和云霧高度隨時間的變化如圖 所示。可以看出，復合結構的云霧直徑最大，可達 ，此時，云霧高度為 ；強結構的云霧高度最大，可達 ，此時，云霧直徑為 。由于起爆后，峰值超壓在云霧中最大，在云霧外呈冪次衰減，因此，云霧的直徑越大、覆蓋面積越廣，成功爆轟后的毀傷范圍越大。將云霧形態近似成圓形，經計算，復合結構的云霧覆蓋面積 ，強結構的云霧覆蓋面積 相較于強結構，復合結構的覆蓋面積增大了 1 3 % 。因此，按照實際需要，選擇云霧直徑較大的復合結構最合理。

為了進一步分析影響因素的穩定性，利用單因素方差分析方法，研究裝置結構對云霧成霧性能影響的顯著性。原假設 為裝置結構對云霧直徑無影響，備擇假設 為裝置結構對云霧直徑有影響。方差分析的基本思想是通過分析不同來源的變異對總變異的貢獻，確定可控因素對研究結果的影響，構建統計量 F

式中： 為組間離均差， 為組間自由度， 為組內離均差， 為組內自由度。若 ，則 0.05，拒絕 ，接受 ，即裝置結構對云霧的成霧性能有影響；反之，則不拒絕 ，裝置結構對云霧性能無影響。其中， 為自由度為 且顯著性水平為0.05時的統計量， P 為在 成立的條件下，計算現有樣本統計量以及更極端情況的假設檢驗概率值。利用 SPSS（statistical product and servicesolutions）軟件，選用單因素ANOVA分析方法，得到 ，小于0.05，說明裝置結構對成霧性能有顯著影響。但這不能說明3種結構均對云霧性能有影響，利用邦弗倫尼多重比較檢驗方法進行比較，利用P 值判斷統計顯著性，分別為 （下標1-2表示方案1弱結構與方案2強結構進行顯著性分析的概率值）， ，均小于0.05，說明3種結構對云霧性能都有顯著影響。

2.4比藥量對云霧特性的影響

比藥量是影響云霧形成過程的重要因素之一。比藥量越高，云霧的形成效果反而不符合預期，甚至有竄火的風險。按表1所示的試驗方案，進行復合結構和強結構的云霧成霧試驗，試驗結果如圖 1 0 ～ 11所示。可以看出，提高比藥量到 1 . 1 % ，破殼時的初始速度依舊很低，云霧形成慢，導致能量積累，局部溫度升高，達到燃料的燃燒臨界點，比藥量為 1 . 1 % 的強結構方案出現竄火現象。

利用 SPSS 軟件對強結構試驗的云霧直徑進行方差分析，利用 P 值判斷統計顯著性，分別為 0.039（下標0.9-1.0表示比藥量 0 . 9 % 與比藥量 1 . 0 % 方案進行顯著性分析的概率值）， 0.058，說明比藥量為 0 . 9 % 與 1 . 0 % 0 . 9 % 與 1 . 1 % 之間有差異，反之，比藥量為 1 . 0 % 與 1 . 1 % 之間沒有差異，比藥量到達一定值后，繼續提高比藥量不會對云霧性能產生有效影響。利用相同方法對復合結構試驗的云霧直徑進行方差分析，概率分別為 ，說明比藥量為 0 . 9 % 與$1 . 0 ＼% . ＼ 0 . 8 ＼%$ 與 1 . 0 % 之間有差異，反之，比藥量為 0 . 8 % 與 0 . 9 % 之間沒有差異，說明繼續提高比藥量會對云霧性能產生影響。

綜上，燃料分散時，存在不發生竄火的最大炸藥比例，繼續提高比藥量反而導致成霧性能下降。

3二次起爆位置和起爆延遲時間

基于第2節的分析，應綜合考慮竄火可能性和云霧分散性能，選用靜爆方案。比藥量較低的情況下，弱結構發生竄火現象，且不利于云霧形成，因此不選用弱結構。強結構在本試驗條件下未發生竄火現象，但在裝置結構比較時不具有優勢，也不選用強結構。復合結構在比藥量超過 1 % 時會發生竄火現象，但是比藥量為 0 . 8 % 和 0 . 9 % 時，其云霧形態沒有顯著差別。因此，選用復合結構且比藥量為 0 . 8 % 的裝置，不易竄火且云霧性能最優。

從圖11可以看出， 之后，云霧形態基本不變。而云霧濃度隨著時間推移不斷降低，在臨近爆炸前，云霧的計算瞬時濃度約為 ，此時，燃料的化學當量比為 0 . 5 4 。試驗和理論[17]表明，當量比為1.19時，最小起爆能為 ，則臨界起爆能為 。可見，燃料的化學當量比稍大于1時，云霧具有最小的臨界起爆能量，因此，需要提高起爆能量才能實現爆轟，宜采用強起爆方式。復合結構在比藥量為 0 . 8 % 時，最佳延遲時間為 。

綜上， 燃料復合結構的2次起爆最佳延遲時間為 。由于云霧有空洞現象（圖4），起爆藥的水平位置定在距爆心 處。

4結論

為研究裝置參數對大體積燃料拋撒成霧狀態的影響，改變裝置結構和比藥量，進行了 燃料的燃料拋撒試驗，得到以下主要結論。（1）強結構和復合結構的拋撒試驗結果的重復性良好，標準差不超過 ，為單次試驗的可靠性提供了依據。（2）弱結構會發生竄火現象，提高了軸向強度的復合結構和強結構都能正常形成云霧，其中，復合結構的云霧直徑最大，可達 ；強結構的云霧高度最高，可達 。（3）隨著比藥量的提高，云霧直徑增大，但過高的比藥量有竄火的風險，最佳的比藥量為 0 . 8 % 。在 進行2次起爆，此時，云霧計算瞬時濃度約為 ，燃料的化學當量比為0.54。

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（責任編輯 王影）