乳化炸药空中爆炸冲击波衰减规律的研究.pdf

第4 6 卷第4 期 2 0 1 7 年8 月 爆破器材 E x p l o s i v eM a t e r i a l s V 0 1 ．4 6N o ．4 A u g ．2 0 1 7 d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．1 0 0 1 培3 5 2 ．2 0 1 7 ．0 4 ．0 0 4 乳化炸药空中爆炸冲击波衰减规律的研究来 夏曼曼吴红波徐飞扬朱可可余杭 安徽理工大学化学工程学院 安徽淮南，2 3 2 0 0 1 [ 摘要]为了研究乳化炸药空中爆炸冲击波的衰减规律．利用空中爆炸测试系统测定了乳化炸药空中爆炸的冲 击波超压。根据试验数据，提出了描述冲击波超压峰值与比例距离关系的修正经验式，并将试验数据和经验公式 计算值进行了对比分析。结果表明当比例距离。 L ／W ”3 ≤2 ．4 时，修正公式与除M i l l s 公式以外的其他经验公式 吻合得较好；当z L ／W ”3 2 ．4 时。修正公式与所有经验公式基本吻合。通过对比．乳化炸药空中爆炸修正经验式 可应用于工程爆破实践，对于减少空气冲击波危害具有重要的理论和实际应用价值。 [ 关键词]空中爆炸；冲击波；传播规律；乳化炸药 [ 分类号] T D 2 3 5 ．2 l ；T Q 5 6 1 A t t e n u a t i o nR u l e so fS h o c kW a v ei nA i rB l a s t i n go fE m u l s i o nE x p l o s i v e X I AM a n m a n ，W UH o n g b o ，X UF e i y a n g ，Z H UK e k e ，Y UH a n g S c h o o lo fC h e m i s t r yE n g i n e e r i n g ，A n h u iU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ． A n h u iH u a i n a n ，2 3 2 0 0 1 [ A B S T R A C T ] I no r d e rt os t u d yt h ea t t e n u a t i o nr u l eo fs h o c kw a v ei na i re x p l o s i o n so fe m u l s i o ne x p l o s i v e ，o v e r p r e s s u r e o fs h o c kw a v ei na i rb l a s t i n go fe m u l s i o ne x p l o s i v ew a sm e a s u r e db vt h ea na i rb l a s tt e s ts y s t e m ．B a s e do nt h ee x p e r i m e n t a l d a t a ，am o d i f i e de m p i r i c a lf o r m u l a1 0d e s c r i b et h er e l a t i o n s h i pb e t w e e np e a kv a l u eo fo v e r p r e s s u r eo fs h o c kw a v ea n dp r o - p o r t i o n a ld i s t a n c ew a sp r o p o s e d ．M e a n w h i l e ，e x p e r i m e n t a ld a t aa n dc a l c u l a t e dv a l u e so ft h en e we m p i r i c a lf o r m u l aw e r e c o m p a r e da n da n a l y z e d ．R e s u l t ss h o wt h a tt h en e we m p i r i c a lf o r m u l aa g r e e sw e l lw i t ht h eo t h e re m p i r i c a lf o r m u l a se x c e p t f o rM i l l sf o r m u l aw h e nt h ep r o p o r t i o n a ld i s t a n c e 。 L ／形”3 ≤2 ．4 ．a n dw h e nt h ep r o p o r t i o n a ld i s t a n c ei sg r e a t e rt h a n2 ．4 ． t h en e we m p i r i c a lf o r m u l ai si ng o o da g r e e m e n tw i t ha l le m p i r i c a lf o r m u l a s ．T h r o u g hc o m p a r a t i v ea n a l y s i s ，t h ei m p r o v e d e m p i r i c a lf o r m u l ao fa i re x p l o s i o n so fe m u l s i o ne x p l o s i v e ，w h i c hh a st h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c ef o rr e d u c i n gt h e d a m a g eo fa i rs h o c kw a v e ，c o u l db ea p p l i e dt ot h ep r a c t i c eo fe n g i n e e r i n gb l a s t i n g ． [ K E Y W O R D S ] a i rb l a s t i n g ；s h o c kw a v e ；p r o p a g a t i o nr u l e ；e m u l s i o ne x p l o s i v e s 引言 近年来。乳化炸药作为工业炸药的主流品种，广 泛应用于民爆行业。但乳化炸药爆炸时产生的空气 冲击波超压使邻近建筑物门窗玻璃破碎、人和动物 受伤的案例时有发生。因此，对乳化炸药爆炸空气 冲击波产生的超压的衰减规律及影响因素的研究显 得尤为重要H j 。 国内外已有不少学者对炸药冲击波超压的特性 进行了研究仲倩等心1 研究了T N T 空中爆炸超压的 相似律牛余雷等- 3 - 通过试验与理论计算，研究了 炸药爆轰参数与空中爆炸冲击波超压的关系，得到 了炸药空中爆炸冲击波超压由其爆热、爆容和爆速 共同决定，且三者对冲击波超压的影响相同的结论； 刘玲等_ 4 ] 对5 种自制炸药进行了冲击波超压测试及 T N T 当量估算．得到的5 种自制炸药当量系数计算 结果与文献值基本一致．且相对误差在2 ％以内。 多数学者仅限于单质炸药冲击波参数的研究，而对 于混合炸药超压的传播规律的文献报道甚少。 本文中，利用空中爆炸测试系统测试乳化炸药 在不同距离、药量下的超压大小，得到描述冲击波超 压峰值与比例距离关系的修正经验公式，为研究乳 化炸药空中爆炸冲击波的衰减规律、减少爆破冲击 米收稿日期2 0 1 7 - 0 3 ．2 0 基金项目安徽省大学生创业创新训练项目 作者简介夏曼曼 1 9 9 2 一 ，女，硕士，主要从事工业炸药方面的研究。E - m a i l 1 0 0 3 4 7 0 2 8 9 q q ．c o i n 通信作者吴红波 1 9 7 5 一 ，男，博士，副教授，研究牛导师，从事乳化炸药性能研究及爆炸安全技术与管理的教学与科研工作。E - m a i l h b w u a u s t ．e d u ．c n 万方数据 爆破器材 第4 6 卷第4 期 波的危害提供理论指导。 1 试验部分 1 ．1 试验试剂与仪器 试剂硝酸铵、硝酸钠、高分子乳化剂、复合蜡、 树脂微球、水等。 仪器电子天平、加热板、温度计、乳化器、力科 数字示波器 H D O4 0 3 4 、电荷放大器、C Y ．8 0 9 5 压 电式压力传感器等。 1 ．2 乳化炸药的制备 按照表1 称取各组分，分别把水相材料混合且 加热溶解，油相材料加热熔化，制备乳化炸药。 表1 乳化炸药配方 T a b ．1F o r m u l a t i o no fe m u l s i o ne x p l o s i v e％ 1 ．3 乳化炸药超压的测定 超压测试主要利用压电式压力传感器、电荷放 大器、数字示波器等试验仪器。称取一定质量的乳 化炸药，制作球形药包。按图1 所示的测试系统原 理图连接好仪器。使药包中心与传感器保持水平，按 下起爆装置，炸药爆炸时产生冲击波作用于压电式 压力传感器，经电荷放大器将信号放大，再经存储示 波器以电压的形式输出。药包质量不变，改变药包 与传感器的距离，测得5 组数据；保持药包与传感器 距离不变，改变药包质量，另测得5 组数据。试验结 束后，取3 发雷管对测试系统灵敏度进行标定。 2 试验结果与分析 对测试系统电荷灵敏度进行标定，传感器的压 力电荷灵敏度S 。 1 8 9 ．5p C ／M P a 。 2 ．1 冲击波超压的经验公式 1 9 5 5 年，B r o d e 提出高爆炸药爆炸冲击波超压 峰值的表达式为‘5 | △p 。 O ．r 6 7 0 ．1 ，z 1 ； 幽 掣 掣一0 ．0 0 19 。 i 一 T 一一． ． Z Z 。Z ‘ 0 ．0 l ≤z ≤1 ．0 0 。 1 1 9 7 9 年，H e n r y e h 述空气中冲击波的超压峰值 表达式为‘6 I ／、 、 ，爆破碉堡 球形药包 ＼传感器 ＼，，， ＼，7 一r，．．，，，，，，一 、掺、} 一放大器Ll 示波器 △p 。 ＼、导爆管雷管 图1测试糸统原土里图 S c h e m a t i cd i a g r a mo ft h et e s ts y s t e m 幽 掣 半 0 ．0 0 F 06 2 5 ，0 ．0 5 ≤二 0 ．3 0 ； 堕警一盟竽 譬竽， 2 彳三‘Z 。 、。 0 ．3 ≤。 1 ．0 0 ．0 6 620 ．4 0 500 ．3 2 88 了一 7 一 7 一， Z Z 。Z 。 l ≤彳≤1 0 ． M i l l s 用相似理论及数值模拟相结合的方法得 到T N T 爆炸冲击波超压峰值的表达式为[ 7 ] △p m - 幽一半 半。 3 △p 。 一广十_ ．r oL j ， Z Z 。彳 S a d o v s k y i 根据模型相似理论建立比例距离关 系比较式．由试验确定系数，得到高爆炸药冲击波超 压峰值的表达式为[ 8 ] △p 。 1 ．0 广7 0 ．1 ，石≤1 ； 巡 半 掣，№钏1 。‘4 ’ r - ．j 三≤ 。 名 彳‘Z 。 文献[ 9 ] 给出T N T 爆炸冲击波超压计算公式 △p 。 式 1 ～式 5 中z 为比例距离，定义为 三 杀。 6 ‘一1 一o ＼／ √W 式中￡为爆心距，m ；W 为等效T N T 药量，k g 。 对其他炸药，需要换算成T N T 当量后进行等效 计算W r - 志。 ㈩ 式中Q 。为乳化炸药爆热，J ／k g ，经查阅文献，计算 ； ≤ ≤ O 一 0 一 塑，石塑， O 一 0 0 5 一 翌石箜彳 0 一 O 一 半半 万方数据 2 0 1 7 年8 月乳化炸药空中爆炸冲击波衰减规律的研究夏曼曼，等 得Q ． 30 0 8 ．0 1k J ／k g 。由传感器标定结果可知， 测定的乳化炸药超压值可由下式计算 ”盎。 8 式中y 。为峰值电压，m V ；K 为电荷放大器灵敏度， m V ／p C ；S 。为传感器的压力电荷灵敏度，p C ／M P a 。 2 ．2 经验公式计算值与测试结果的对比分析 计算值和实狈0 值如表2 所示。表2 中，根据文 献[ 9 ] 计算出的△p 。用△p 。文表示。 为了更直观地分析经验计算值与试验数据之间 的区别。绘出不同距离处和不同药量时的超压峰值， 如图2 、图3 所示。 观察图2 发现，试验所测的超压峰值小于经验 公式计算值。一般说来，相对误差率随着距离的增 大而减小，当距离较大时，实i 贝0 值与经验公式匹配较 好。分析误差产生的原因经验公式是早期试验所 得，试验进行的时间早，测试仪器简单，而超压峰值 的获取对试验装置的灵敏度、精度及采样频率的要 求都很高．本试验中所使用的力科数字示波器 H D 0 4 0 3 4 采样频率大，C Y ．8 0 9 5 压电式压力传感 图2 不同距离时测试值和经验公式超压峰值 F i g ．2 O v e r p r e s s u r ep e a kf r o mt e s tw i t hd i f f e r e n t d i s t a n c e sa n dt h ee m p i r i c a lf o r m u l a 图3 不1 司药量时测试值和经验公式超压峰值 F i g ．3O v e r p r e s s u r ep e a kf r o mt e s tw i t hd i f f e r e n t c h a r g e sa n dt h ee m p i r i c a lf o r m u l a 器灵敏度、精度高，因此，所得试验结果更为可信。 但是，无论是试验值还是经验计算值，两者都随 着距离的增加迅速下降。其原因为空气冲击波以 球形向四周传播，随着球半径尺的增加，球表面以 4 r r R 2 的速率增加；因而，即使在没有其他能量损耗 的条件下。通过冲击波波阵面单位面积上的能量也 不断减少。另一方面，由于冲击波传播过程是不等 熵过程，空气受冲击压缩后要将部分机械能转变成 热能而消耗掉，使维持冲击波运动的能量减少；因 此，空气冲击波在传播过程中必然要迅速衰减。 观察图3 可知，在药量较少时，B r o d e 公式和其 他经验公式偏差较少。随着药量增加，偏差越来越 大不同药量测试值与经验计算值相比偏差较大，其 他各个经验公式所得数值之间差距也较大；随着药 量的增加，试验冲击波峰值变大，但药量和峰值之间 无规律可循，爆心距一定时，可以借助H e n r y c h 公式 对其进行粗略估算。 借助爆炸相似率原理，可得超压与比例距离的 关系为 表2 乳化炸药超压经验公式计算值和实测值 T a b ．2T h e o r e t i c a lv a l u ea n dm e a s u r e dv a l u eo fo v e r p r e s s u r eo fe m u l s i o ne x p l o s i v e s 药} ／距离m m 捌“ 距离k g - 1 ／∥3 帅V 瓴k P a ／ ≮／智／ △k P a p m s ／‰／剃“黔／ 0 ．4 0 0 ．6 0 O ．8 0 0 ．9 0 1 ．0 0 0 ．8 0 0 ．8 0 0 ．8 0 0 ．8 0 1 ．2 1 2 1 ．8 1 8 2 ．4 2 4 2 ．7 2 7 3 ．0 3 0 2 ．0 7 3 1 ．8 6 4 1 ．7 2 0 1 ．6 1 2 加∞印加踟加∞印加 4 4 3 3 2 2 2 l l O O 0 O 0 O O O O O 0 O m∞∞鲫为∞如∞如狮m m加m卵铒∞踯甜铝 4 l 1 1 1 2 2卿拼啪舛％旧Ⅲ獬姗鲫拼啪舛％旧Ⅲ糯姗 “ 2 9 2， 4 3 2 6姗况m兰|盯拟奶m蛳 Ⅲm m 够鸺m 嬲m 掰 6 1 7 3 4 5 3 2 O 轴扒M B 他“ 加为拍 3 2 8 7 ●6●6 O卯驼加屹佗拍弘钙钾 如∞如∞∞∞ⅢⅢⅢ 万方数据 2 4 爆破器材第4 6 卷第4 期 却。‰ 生 等 粤 K 。 Z0Z 9 故具有理论和实际应用价值 根据最小二乘法原理．利用表2 测试数据．对乳 化炸药超压测试数据进行公式拟合，拟合公式如下 『幽 单一半舟4 ； z 彳一 z 。 △n f 】0 1 ““I 一堕坐 半一O ．0 广0 4p 2 ．4 ，、。 i z z ‘Z 。 同时将修正公式与经验公式所得结果作图比 较，如图4 所示。 2 j [ 3 ] z ／ m ‘k g “’ 图4 不同比例距离s e n 试值和经验公式超压峰值 F i g ．4O v e r p r e s s u r ep e a kf r o mt e s tw i t hd i f f e r e n t p r 。p 。r t i 。n a ld i s t a n c e sa n dt h ee m p i r i c a lf o r m u l a [ 4 ] 由图4 可知，比例距离较小时，修正公式与除 M i l l s 公式以外的其他经验公式的超压峰值接近，偏 差较小；比例距离越大，修正公式和经验公式的超压 峰值越接近，偏差越小。揭示了乳化炸药冲击波超 压峰值随比例距离的衰减规律。 3结论 利用空中爆炸测试系统研究了乳化炸药不同距 离、药量与超压的关系，结果表明 1 在乳化炸药冲击波传播规律研究中，得到乳 化炸药超压峰值和比例距离的改良经验公式 惮 单一半闲4 ； 瓴2 { - 章 章一茸p 2 ．’4 。 I z z 。彳。 2 试验所测数据与除M i l l s 公式以外的其他经 验公式接近，尤其在冲击波传播后期冲击波衰减特 性吻合较好，说明乳化炸药空中爆炸冲击波传播规 律研究中超压公式的拟合和试验方法是有效的。 3 通过试验分析了实际情况下炸药爆炸冲击 波的传播规律，对于减少爆炸冲击波产生的安全事 [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] 参考文献 乔小玲．胡毅亭．彭金华．等．岩石型乳化炸药的T N T 当量J ．爆破器材，1 9 9 8 ，2 7 6 5 - 8 ． Q I A OXL ．H UYT ．P E N GJH ，e ta 1 ．T N Te q u i v a l e n c e o far o c ke m u l s i o ne x p l o s i v e J ．E x p l o s i v eM a t e r i a l s ． 1 9 9 8 ．2 7 6 5 8 ． 仲倩．王伯良．黄菊．等．T N T 空中爆炸超压的相似律 iJ ‘．火炸药学报．2 0 1 0 ．3 3 4 3 2 3 5 ． Z H O N GQ 。W A N GBL ，H U A N GJ ．e ta 1 ．S t u d ．yo nt h e s i m i l a r i t yl a wo fT N Te x p l o s i o no v e r p r e s s u r ei na i r J ． C h i n e s eJ o u r n a lo fE x p l o s i v e s ＆P r o p e l l a n t s ．2 01 0 ．3 3 4 3 2 ．3 5 ． 牛余雷，冯晓军，李媛媛．等．炸药爆轰参数与空中爆 炸冲击波超压的关系 J ．火炸药学报．2 0 1 3 ，3 6 4 4 2 4 5 ． N 1 UYL ，F E N GXJ ，L IYY ，e ta 1 ．R e l a t i o no fa i ‘re x p l o s i o ns h o c kw a v eo v e r p r e s s u r ea n dd e t o n a t i o np a r a m e t e r so fe x p l o s i v e s [ J ] ．C h i n e s eJ o u r n a lo fE x p l o s i v e s ＆ P r o p e l l a n t s ，2 0 1 3 ，3 6 4 4 2 4 5 ． 刘玲，袁俊明，刘玉存，等．自制炸药的冲击波超压测 试及T N T 当量估算[ J ] ．火炸药学报，2 0 1 5 ，3 8 2 5 0 ．5 3 ． L I UL ．Y U A NJM ．L I UYC ，e ta 1 ．S h o c kw a v eo v e r p r e s s u r et e s ta n de v a l u a t i o no fT N Te q u i v a l e n to f s e l f - m a d ee x p l o s i v e s [ J ] ．C h i n e s eJ o u r n a lo fE x p l o s i v e s ＆ P r o p e l l a n t s ，2 0 1 5 ，3 8 2 5 0 5 3 ． B R O D EHL ．B l a s tw a v ef r o mas p h e r i c a lc h a r g e J ] ． P h y s i c so fF l u i d s ，1 9 5 9 2 2 1 7 ． 亨利奇．爆炸动力学及其应用M ．熊建国，译．北京 科学出版社，1 9 8 7 ． H E N R Y C HJ ．T h e d y n a m i c so fe x p l o s i o n a n di t suse [ M ] ．X I O N GJG ，t r a n s l a t e d ．B e i j i n g S c i e n c eP r e s s ． 1 9 8 7 ． T O L B AAFF ．R e s p o n s eo fF R P r e t r o f i t t e dr e i n f o r c e d c o n c r e t ep a n e l st ob l a s tl o a d i n g [ D ] ．O t t a w a ，C a n a d a C a r l e t o nU n i v e r s i t y ，2 0 0 1 1 2 ． 叶晓华．军事爆破工程[ M ] ．北京解放军出版社， 1 9 9 9 8 ． 杨鑫，石少卿，程鹏飞．空气中T N T 爆炸冲击波超压峰 值的预测及数值模拟[ J ] ．爆破，2 0 0 8 ．2 5 1 1 5 ．1 8 ， 3 1 ． Y A N GX ，S H ISQ ，C H E N GPF ．F o r e c a s ta n ds i m u l a t i o no fp e a ko v e r p r e s s u r eo fT N Te x p l o s i o ns h o c kw a v ei n a i r [ J ] ．B l a s t i n g ，2 0 0 8 ，2 5 1 1 5 1 8 ，3 1 ． 日舢芒。导 万方数据