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doi10. 3969/ j. issn. 1001-8352. 2020. 02. 004 300 kg 装药 FAE 燃料爆炸抛撒成雾的实验研究 ❋ 王永旭① 解立峰① 贾晓亮② 张 莹② 李 斌① ①南京理工大学化工学院江苏南京,210094 ②辽宁锦华机电有限公司辽宁葫芦岛,125000 [摘 要] 为了研究大装药扇形壳体结构燃料空气炸药（FAE）云雾的发展和变化特征,为下一步的云雾爆轰提供 依据,通过高速相机和无人机观测了装药量为 300 kg 的扇形壳体结构燃料的爆炸抛撒和雾化过程。 结果表明燃 料在各个方向上的运动速度存在差异,导致最终云雾形状不规则,为带有许多条状突出的五角星形状;云雾临爆前 的浓度为 70 g/ m3,燃料与空气中氧气的化学当量比为 0. 46;对于 300 kg 燃料,最佳二次起爆延迟时间为 300 ms。 最佳二次起爆位置在扇形壳体 45或 315方向、距离中心 4. 2 m 处。 [关键词] 爆炸抛撒;云雾;扇形结构 [分类号] TJ55 Experimental Study on 300 kg Charge of FAE Clouds by Explosion Dispersal WANG Yongxu①, XIE Lifeng①, JIA Xiaoliang②, ZHANG Ying②, LI Bin① ① School of Chemical Engineering, Nanjing University of Science and Technology （Jiangsu Nanjing, 210094） ② Liaoning Jinhua Electromechanical Co. , Ltd. （Liaoning Huludao, 125000） [ABSTRACT] The dispersion and atomization process of the sector-shaped shell structure with a charge of 300 kg fuel was observed by high-speed video recording and drone to understand the development and variation characteristics of fuel air explosive （FAE） cloud in large charge sector structure and to provide a theoretical basis for further cloud detonation. The results show that there is a difference among the speeds along various directions, thus creating an irregular shape for the cloud, i. e. a five-pointed star along with many strips. Cloud concentration before burst is 70 g/ m3, and the chemical equivalent ratio of fuel to oxygen in the air is 0. 46. For 300 kg fuel, the optimal secondary detonation delay time is 300 ms. The optimum secondary initiation position is 4. 2 m from the center and along the 45 or 315directions of the sector shell. [KEYWORDS] explosion dispersal; cloud; sector structure 引言 燃料的爆炸抛撒和雾化在消防、工业和军事上 都具有重要意义。 在消防上,可以利用爆炸作用力 将大量的抑爆剂快速分散到火源上方,实现快速灭 火[1];在工业上,燃料的分散和雾化机理可以为工 业防护提供理论指导;在国防军事上,最典型的应用 是燃料空气炸药（fuel air explosive,简称 FAE） [2-4]。 关于燃料爆炸抛撒形成云雾的研究,初期多采 用数值仿真的手段进行。Zabelka等[5]根据燃料上 的爆炸力与气动阻力的相对大小,将燃料运动分为 两个阶段云雾的运动主要由爆炸作用力来决定的 阶段,称之为近场阶段;气动阻力支配云雾运动的阶 段,称之为远场阶段。这一划分在后续研究中被广 泛接受和采用。Gardner[6]提出了径向膨胀的薄膜 线性不稳定模型,假设连续液体环在膨胀变薄过程 中,内外界面的扰动也在增长,当内外界面扰动增长 到大于膨胀的液体环厚度时,即发生首次破碎。许 多学者在燃料爆炸抛撒过程理论分析、燃料云雾特 征参数（形状、尺寸和扩散速度等） [7-10] 数值仿真 以 及抛撒装置参数（ 壳体材质、结构和比药量 等） [11-14]对云雾状态影响实验等多个方面开展了研 第 49 卷 第 2 期 爆 破 器 材 Vol. 49 No. 2 2020 年 4 月 Explosive Materials Apr. 2020 ❋ 收稿日期2019-09-02 第一作者王永旭（1992 - ）,男,博士研究生,主要从事燃料空气炸药研究。 E-mailwangyongxu216＠163. com 通信作者解立峰（1962 - ）,男,教授,博导,主要从事爆炸力学研究。 E-mailxielifeng319＠ sina. com 万方数据 究。 对于大体积的燃料抛撒,陈明生[14]通过数值模 拟和实验相结合的方法,对比了圆形和扇形壳体结 构燃料（装药量 85 kg）爆炸抛撒形成云雾外形的差 异特性;刘庆明等[15]研究了 100 kg 装药量 FAE 的 云雾抛撒和爆轰威力;郭学永[16]研究了 5、20、50 kg 3 个量级燃料爆炸抛撒过程,给出了云雾最大空洞、 最大直径与燃料质量的经验公式。 对于 FAE,燃料 的爆炸抛撒和雾化是一个复杂的过程,目前针对该 过程还没有精确的物理模型和计算方法。 只能在实 验中探索云雾尺寸和燃料浓度随时间的变化关系, 寻找最佳的二次起爆实验条件[17]。 针对 FAE,以往研究的壳体结构多为圆柱体, 为了满足不同弹体结构的设计与应用,扇形结构应 运而生[18]。 本文中,根据弹体设计的需求,对大体 积扇形壳体结构的 FAE 进行了爆炸抛撒实验研究, 探索扇形结构壳体云雾形成的特征参数,为进一步 的云雾爆轰实验打下基础。 1 实验装置及方法 1. 1 燃料抛撒结构 扇形壳体的结构示意图见图 1。 装置高度为 2 m,壳体材质为铝板,厚度为 3 mm。 此次实验中,抛 撒的燃料为以乙醚和铝粉为主体的液固复合燃料, 燃料装填质量为 300 kg,密度为1. 2 g/ cm3。 燃料爆 炸抛撒的中心管药总长 2 m,直径 120 mm。 装药量 为 3 kg,中心分散药与燃料的质量比（简称比药量） 为 1％。 （a）横截面 （b）剖面 1 - 壳体;2 - 燃料;3 - 抛撒载荷。 图 1 抛撒装置结构示意图（单位mm） Fig. 1 Schematic diagram of the dispersing device（unitmm） 1. 2 测试方法 爆炸抛撒实验如图 2。 装置固定在高 2 m 的架 子上,在距离中心 16 m 处设置 4 个标杆,在底部利 用 8＃雷管起爆中心分散药柱。 采用高速相机和无 人机记录燃料爆炸抛撒的整个过程。 高速相机型号 为 Fastcam Mini UX100,拍摄速度为 2 000 帧/ s。 无 人机型号为大疆悟 2,最大拍摄速度为 120 帧/ s。 图 2 抛撒实验布置图 Fig. 2 Layout of dispersing experiment 2 实验结果与分析 2. 1 燃料抛撒过程 扇形壳体结构爆炸抛撒过程如图 3 所示。 在整 个爆炸抛撒过程中云雾没有发生窜火,成功实现了 比药量为 1％的情况下 300 kg 燃料的爆炸抛撒。 为 了获得最佳的爆轰效果,一般要求云雾呈扁平圆柱 体,这样可以增大云雾爆轰的直接作用范围。 因为 FAE 属于体积爆轰,在云雾区内压力衰减比云雾区 外慢,云雾区域越大,对目标的毁伤和破坏范围越 大。 从图 3 可以看出,燃料的运动主要以横向为主, 有利于形成最终的爆轰威力。 云雾最终形成了类似 于五角星的形状。 这是由壳体的形状特征导致的。 本次抛撒实验中,壳体的截面为扇形,各个方向的燃 料装填质量是不一样的。 在 50 ms 时,云雾整体还 能维持圆形,但随着时间的推移,由于各个方向的燃 料质量不一样,运动速率也不相同,最终形成了类似 于五角星的云雾形状。 图 3 燃料爆炸抛撒过程 Fig. 3 Dispersal process of fuel explosion dispersal process 42 爆 破 器 材 第 49 卷第 2 期 万方数据 2. 2 云雾运动特性 为了研究扇形壳体结构爆炸抛撒的云雾运动特 性,定义了扇形结构的各个方向,并与云雾最终的形 状相结合,可以更好地看到壳体截面外形与云雾外 形的关系,如图 4 所示。 可以看到,在云雾边缘有许 多条状突出,而且是不规则的。 其中,0方向的条状 突出最明显,说明该方向壳体强度最低,在冲击波作 用下首先破裂,壳体破片带着少量燃料往该方向运 动。 在下一步的改进实验中,可以加强出现条状突 出方向的壳体强度,使云雾形状更加规则。 图 4 扇形结构方向示意 Fig. 4 Direction of the sector structure 利用实验前布置的标杆,对高速相机和无人机 拍摄的爆炸抛撒过程的图片进行处理,同时去除云 雾边缘的条状突出,可以得到不同方向上云雾半径 随时间的变化规律,如图 5 所示。 图 5 不同方向上云雾半径随时间的变化 Fig. 5 Variation of cloud radius with time in different directions 从图 5 可以看出,当 t 100 ms 时,云雾半径增 长较快,说明此时云雾运动由爆炸作用力驱动,属于 近场阶段。 此阶段始于中心抛撒药爆炸瞬间,爆轰 产物推动周围的燃料向外运动。 随着爆轰产物的膨 胀,爆炸作用力逐渐减少。 当气动阻力大于爆炸作 用力时,云雾运动进入远场阶段。 云雾半径增长速 率变慢, 在气动阻力的支配下,云雾缓慢向外膨胀, 最终形成爆炸性云团。 当 t 80 ms 时,云雾尺寸在 各个方向上都基本一致,此时还是规则的圆形。 这 与高速相机拍摄的图片结果一致。 随着时间的推 移,各个方向的差异开始明显。 这是由 3 个方面的 原因导致的,一是相比于圆形壳体,扇形壳体在各个 方向的强度不一致;二是在各个方向的装药量也不 一样;三是冲击波到达各个方向的时间不同。 研究 表明,云雾半径在初期呈指数增长,之后增长速率变 慢,跟随渐近线,本次实验也符合该规律。 根据 Apparao 等[19]的研究结果,燃料爆炸抛撒 形成云雾的半径扩展公式可以表示为 R（t） a[1 - e（ - bt ct 2） ]。（1） 式中a、b、c 为常数。 对式（1）求导,可以得到云雾运动速度的公式 v（t） dR（t） dt - a（2ct - b）e（ - bt ct 2） 。（2） 对图 5 求导,可以得到云雾运动速度随时间的 变化规律,如图 6 所示。 图 6 云雾运动速度随时间的变化 Fig. 6 Variation of cloud movement speed with time 从图 6 可以看出,燃料没有加速过程,一直处于 减速状态。 这是由于燃料在中心装药爆轰产物的驱 动下迅速达到最大值,由于时间很短,高速相机无法 捕捉到。 当 t 100 ms 时,燃料基本做匀减速运动, 运动速度迅速下降,之后速度下降趋势变慢,但云雾 向外运动速度较低。 2. 3 云雾体积及燃料浓度 FAE 本身不含氧或者含少量的氧,反应时利用 空气中的氧气。 因此,只有燃料与空气中氧气形成 的浓度在爆炸极限范围内,云雾才能实现爆轰。 对 于圆形壳体,其爆炸抛撒的云雾可以近似为圆柱体, 通常用式（3）直接计算燃料的体积,从而计算燃料 的浓度。 V η πD2 4 H。（3） 式中V 为不同时刻的云雾体积,m3;D 为云雾直径, m;H 为云雾高度, m; η 为云雾空洞系数, 一般 η 0. 9。 但扇形壳体爆炸抛撒的云雾形状是不规则的, 需要采用特殊的方法计算云雾浓度。 本文中,无人 522020 年 4 月 300 kg 装药 FAE 燃料爆炸抛撒成雾的实验研究 王永旭,等 万方数据 机在正上方拍摄燃料爆炸抛撒过程,通过正上方的 投影面积计算云雾体积。 无人机拍摄图片如图 7 所 示,拍摄速度 120 帧/ s。 图 7 无人机拍摄的燃料抛撒过程图片 Fig. 7 Drone picture of fuel dispersal process 虽然无人机拍摄速度相对于高速录像较慢,但 对于大体积的 FAE,燃料爆炸抛撒的时间是百毫秒 量级,利用无人机可以完整观察到燃料爆炸抛撒的 整个过程。 而且无人机不受地理条件的限制,可以 从各个角度拍摄云雾爆炸抛撒过程,因此对于大体 积 FAE 来说,无人机是一个优秀的实验观测设备。 对无人机拍摄的图片,利用一开始布置在弹体四周 的标尺,得到图片的比例尺寸。 利用 PS 软件去除云 雾白边和条形突出后,将云雾的边缘画出,利用 PS 内置的功能就可以得到不规则图形的面积。 利用该 方法可以得到不同时刻云雾在正上方的投影面积。 云雾高度采用高速相机获得,不同时刻云雾侧 面的高速录像如图8所示。由于各个位置的云雾高 度 也不一致,取3个位置的高度平均值-H作为云雾 图 8 不同时刻云雾侧面的高速录像 Fig. 8 High-speed video recording of the cloud sides at different times 的高度。 3 个位置分别位于爆炸抛撒云雾的中心和 左、右两侧中心,如图 9 所示。 图 9 云雾高度示意图 Fig. 9 Schematic diagram of the cloud height 结合云雾高度和云雾在正上方的投影面积,可 以得到不同时刻的云雾体积,如表 1 所示。 表 1 不同时刻的云雾特征参数 Tab. 1 Cloud characteristic parameters at different moments t/ ms - H/ mS/ m2V/ m3 2005. 28628. 853 320. 33 2165. 47668. 243 655. 27 2325. 70695. 353 963. 50 2485. 52732. 854 045. 33 2645. 30739. 603 919. 88 2805. 30806. 794 275. 99 2965. 30797. 634 227. 44 3125. 30822. 534 359. 41 从表 1 可以看出,云雾高度先变大,后减小,之 后保持不变。 这是因为测量的是平均云雾高度,燃 料被中心分散药爆轰驱动向外运动,中间部分的云 雾高度很快保持不变。 云雾边缘高度则是先变大, 后减小。 而云雾的直径、面积和体积等其他特征参 数都随时间的增长而增大。 得到云雾体积随时间的变化后,在不考虑云雾 分散的均匀性的情况下,可以得到云雾浓度与时间 的变化关系。 云雾体积和浓度随时间的变化如图 10 所示。 从图10可以看出,在t 240 ms时,云雾体积 图 10 云雾体积和浓度随时间的变化 Fig. 10 Variation of cloud volume and concentration with time 62 爆 破 器 材 第 49 卷第 2 期 万方数据 迅速增大,之后增长变缓。 在此时,中心爆炸驱动的 力已经完全消失,云雾处于自由扩散阶段。 云雾浓 度随着时间推移不断降低,在临近爆炸前,云雾浓度 在 70 g/ m3左右,此时燃料的化学当量比为 0. 46。 实验和理论表明,燃料的化学当量比稍大于 1 时,云 雾具有最小的临界起爆能量。 因此,必须提高二次 起爆能量才能实现云雾的可靠爆轰。 2. 4 延迟时间及二次起爆位置 从一次引信作用引爆中心分散药到二次引信作 用引爆二次药柱的时间间隔称为延迟时间。 延迟时 间是二次型 FAE 的关键参数,延迟时间太长,云雾 浓度太低,不能稳定爆轰;时间太短,云雾覆盖范围 太小,爆炸威力降低。 二次药柱的起爆位置对二次型 FAE 也至关重 要。 不能离中心位置太近,因为存在云雾空洞,该区 域几乎没有燃料或者燃料浓度较低;同时,中心分散 药的爆轰产物和壳体破片也可能对二次起爆药柱造 成破坏,使二次药柱不能正常起爆。 也不能离中心 太远,否则二次药柱不能完全起爆整个云雾。 从表 1 可知,云雾高度从 260 ms 开始就保持不 变,280 300 ms 之间云雾面积基本不变。 综合分 析认为,300 kg 燃料的二次起爆最佳延迟时间为 300 ms。 扇形壳体结构形成的云雾空洞如图 11 所 示。 与圆形壳体一样,云雾空洞出现在中心位置,空 洞直径为 1. 84 m。 图 11 云雾空洞 Fig. 11 Cloud hollow 由于 45与 315方向是壳体面与面的连接处, 连接比较薄弱,在中心分散药的爆轰产物作用下会 首先裂开,不会在该方向形成破片,对二次药柱造成 破坏;因此,可以将二次起爆位置放在这两个方向。 郭学永[16]通过不同量级的 FAE 抛撒实验,总结了 二次起爆药柱位置的经验公式 R R空 R直 4 。（4） 式中R 为二次起爆药柱距离爆心的距离,m;R空为 云雾空洞半径,m;R直为云雾半径,m。 起爆时云雾半径为 16 m,云雾空洞半径为 0. 92 m,所以二次起爆药柱距离爆心的距离为 4. 2 m。 3 结论 为了研究大体积 FAE 燃料的分散特性,以扇形 结构壳体为研究对象,进行了 300 kg 燃料的爆炸抛 撒实验,结果表明 1）相比于圆形壳体,扇形壳体结构形成的云雾 形状是不规则的,云雾主要以横向运动为主,最终形 成类似于五角星形状,同时,云雾边缘有许多条状突 出; 2）FAE 云雾二次起爆前的燃料化学当量比远 小于 1,为了保证云雾的可靠爆轰,需要提高二次起 爆能量; 3）扇形壳体结构存在云雾空洞,300 kg 燃料形 成的云雾空洞直径大约为 1. 84 m。 参 考 文 献 [1] 蒋耀港. 冷激波灭火系统的应用研究[D]. 合肥中 国科学技术大学, 2012. 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