液固复合FAE云雾状态影响因素的试验研究.pdf
doi 10. 3969/ j. issn. 1001 8352. 2013. 05. 005 液固复合 FAE 云雾状态影响因素的试验研究 李 席 王伯良 韩 早 王兴龙 南京理工大学化工学院( 江苏南京, 210094) [ 摘 要] 通过野外静爆试验, 采用高速摄影技术观测液固复合燃料空气炸药( FAE) 云雾发展过程, 研究燃料种 类和比药量对液固复合燃料空气炸药云雾状态的影响。结果表明 液态燃料为 B 燃料时, 云雾均匀性更好; 在一定 范围内, 比药量只影响燃料轴向分散。实验证明 液态燃料为 B 燃料时的液固复合燃料, 比药量为 2. 50%左右时, 获得的云团状态最佳。 [ 关键词] 燃料空气炸药; 爆炸抛撒; 云雾状态 [ 分类号] TQ560 引言 二次引爆型 FAE( 燃料空气炸药) 是在中心抛 撒炸药爆炸作用下, 把燃料抛撒到周围空气中, 迅速 扩散, 并与空气混合形成爆炸性云雾, 通过二次引信 引爆发生云雾爆轰, 从而产生爆炸冲击波。其中燃 料爆炸抛撒是燃料成为燃料空气炸药的关键阶段, 因此 FAE 燃料抛撒的动力学研究具有极其重要的 意义。 有关 FAE 燃料抛撒及云团形成的规律性研究, 一直是国内外学者研究的热点[ 1 4]。郭学永等[ 5]研 究了壳体材料、 比药量和长径比等装置参数对燃料 空气炸药云雾状态的影响, 指出钢质壳体更有利于 云雾的径向分散, 适当的比药量可形成最优化的云 雾尺寸, 调节云雾内部浓度以及长径比不是云雾最 终状态的决定因素。肖绍清等[ 6]利用多因素二水 平的正交实验方法, 研究 FAE 弹体的上端板厚度 ( A) 、 侧面板预弱方式( C) 、 分散药上底面所填充的 多孔惰性材料高度( B) 对宏观固体燃料云雾形成及 形状的影响, 认为三因素对云雾径向截面积没有显 著的影响, 但 B、 C 的交叉因素对云雾体积有显著的 影响, 在兼顾两考察指标前提下, 较优条件 是 A2B1C1。丁钰等[ 7]通过建立抛撒初期液体燃料运 动、 液体瞬间破碎及远场燃料云团运动的一维多相 流数学物理模型, 对燃料抛撒全过程进行了数值模 拟。但这些研究倾向于液态和固态燃料爆炸抛撒特 性。白春华等[ 8]全面研究了固液混合云爆燃料状 态、 组分表面能、 理化研究方法以及制备与装药方 法, 但缺乏对液固复合 FAE 燃料抛撒动力学过程方 面的研究。 本文在试验基础上, 借助高速摄影技术, 观测中 心爆炸作用下燃料分散的全过程, 主要研究燃料种 类和比药量对液固复合 FAE 云雾状态的影响, 以寻 求获得理想云团的最优条件, 为液固复合 FAE 燃料 配方设计及装置优化奠定基础。 1 试验装置 野外静爆试验FAE装置( 图1 ) 由中心高能炸 药、 上下端盖( 5 mm厚碳素钢板) 、 中心管( 30 mm 碳素钢) 和塑料壳体组成。 实验装置为薄壁圆筒结 构, 侧壁无预制凹槽。 弹体长径比为2. 45, 装药容 图 1 FAE 装置 Fig. 1 Experimental apparatus of FAE 322013 年 10 月 液固复合 FAE 云雾状态影响因素的试验研究 李 席等 收稿日期 2013 05 30 作者简介李席( 1989 ~ ) , 男, 硕士, 主要从事爆炸理论及其应用研究。E mail 1029887318@qq. com 通信作者王伯良( 1964 ~ ) , 男, 教授, 主要从事爆炸理论及其应用研究。E mail boliangwang@163. com 积 10 L。实验时, 将弹体直立放置于钢质弹架上, 弹体质心距地面 1. 3 m, 地面平整, 硬度适中, 采用 8 号军用电雷管起爆。 采用高速摄影技术记录燃料抛撒过程, 高速摄 影机型号为 Phantom V12, 最大分辨率为 1280 800 像素, 最大拍摄速率 1000000 帧/ 秒, 实验时采用的 拍摄速率为 2000 帧/ 秒, 视场大小可根据现场实际 情况调整, 仪器安放在距爆源安全距离内。 2 液固复合 FAE 云雾影响因素 2. 1 燃料种类对云雾状态的影响 液固复合燃料空气炸药实为液态烃类燃料和高 能金属粉的混合态, 采用高能金属粉可以得到比液 态高得多的爆炸强度及体积热值。然而金属粉引爆 困难、 起爆能大, 要求粉碎度高。同时金属粉耗氧量 小, 与空气形成云雾的体积( 反映云团覆盖面积) 比 液态燃料的小, 因此采用液态燃料和金属粉组成的 混合燃料可以兼顾彼此。 为了分析燃料种类对燃料抛撒的影响, 采用液 态燃料组分不同的两种液固复合燃料, 高能金属粉 种类及比例均相同, 液态燃料分别为 A 燃料和 B 燃 料, 记为 2 1 和 2 2。实验时保持其他条件不变, 从 高速摄影中获得了两种弹体云雾的状态参数随时间 的变化, 获得了 D t 曲线( 图 2) 、 H t 曲线( 图 3) 。 图 2 不同燃料种类时云雾直径与时间的关系 Fig. 2 Relation of cloud diameter and time for different fuels 图 3 不同燃料种类时云雾高度与时间的关系 Fig. 3 Relation of cloud height and time for different fuels 实验分析可知 从燃料抛撒开始至抛撒过程结 束, 2 1 燃料抛撒初速度、 云雾轴向分散程度和云雾 最终直径均大于 2 2, 但二者的云雾最终高度基本 不变。说明 A 燃料在实现远距离抛撒, 形成大直径 的云团方面优于 B 燃料。 图 4、 图 5、 图 6、 图 7 分别为高速摄影记录的弹 体在不同时刻的云雾图。结果发现, 2 1 弹体有相 当一部分燃料直接飞向弹体正下方地面和正上方空 中, 燃料的云团扩散速度较快, 使得云雾空洞尺寸增 大, 云雾区燃料浓度偏低。从而影响了云雾浓度的 均匀性。 图 4 2 1 弹体 4ms 时云雾图 Fig. 4 Photograph of cloud for 2 1 projectile body at 4 ms 图 5 2 2 弹体 4ms 时云雾图 Fig. 5 Photograph of cloud for 2 2 projectile body at 4 ms 图 6 2 1 弹体临爆前云雾图 Fig. 6 Photograph of cloud for 2 1 projectile body before blast 图 7 2 2 弹体临爆前云雾图 Fig. 7 Photograph of cloud for 2 2 projectile body before blast 综合分析认为 液体燃料为 B 燃料时, 云雾抛 撒性较好, 更容易形成扁圆柱形云团, 适宜作 FAE 42 爆 破 器 材 Explosive M aterials 第 42 卷第 5 期 实验装置的燃料。 2. 2 比药量对云雾状态的影响 比药量指的是中心装药质量与装填的燃料量之 比, 它是表征爆炸抛撒强度的物理量。惠君明等[ 9] 研究了比药量对液态 FAE 燃料的抛撒作用, 并指出 15kg 量级的实验装置, 比药量取 3%左右最佳。文 献[ 10] 指出, 在一定范围内, 液态燃料云雾最终半 径与比药量无关。本研究通过液固复合燃料不同比 药量时的对比试验, 给出了不同时刻云雾外形尺寸 变化曲线( 图 8、 图 9 和图 10) 和 50ms 时云雾图( 图 11、 图 12 和图 13) 。 图 8 比药量不同时云雾直径随时间变化曲线 Fig. 8 Relationship between cloud diameter and time for different specific central explosive 图 9 比药量不同时云雾高度随时间变化曲线 Fig. 9 Relationship between cloud height and time for different specific central explosive 图 10 比药量不同时云雾体积随时间变化曲线 Fig. 10 Relationship between cloud volume and time for different specific central explosive 图 11 比药量为 1. 85%时云雾图 Fig. 11 High speed photograph of cloud at specific central explosive of 1. 85% 图 12 比药量为 2. 50%时云雾图 Fig. 12 High speed photograph of cloud at specific central explosive of 2. 50% 图 13 比药量为 2. 80%时云雾图 Fig. 13 High speed photograph of cloud at specific central explosive of 2. 80% 在实验范围内, 相同量级、 不同比药量 FAE 装 置形成的最终云团外形尺寸参数差别不大, 均可获 得较大体积的可爆轰云团。在燃料抛撒初期, 随着 比药量的增加, 云雾抛撒初速度显著增大, 但燃料抛 撒最终云雾直径基本相等。此外, 从高速摄影图片 可看出, 比药量主要影响燃料轴向扩散, 从而使燃料 抛撒云雾均匀化。适当增加中心装药量, 可提高燃 料在垂直方向上的湍流程度, 从而使燃料分散更均 匀, 但燃料抛撒的径向范围不再明显增大。 实验过程中发现, 中心装药量较大时, 使得装药 工艺复杂化, 同时由于密封缺陷, 易发生窜火。实验 结果表明, 现有装置结构条件下, 一定范围内, 云雾 最终半径与比药量无关, 比药量只影响液固复合 FAE 燃料的轴向湍流程度。这与文献[ 11] 的研究 一致。综合其他因素考虑, 液态燃料为 B 燃料的液 522013 年 10 月 液固复合 FAE 云雾状态影响因素的试验研究 李 席等 固复合燃料, 比药量为 2. 50%左右时, 获得的云团 状态最佳。 3 结论 采用高速摄影技术观测了液固复合 FAE 燃料 抛撒过程, 分析了燃料种类和比药量对液固复合燃 料空气炸药燃料抛撒的影响, 得出如下主要结论 1) 不同燃料种类对比试验表明, B 燃料的云雾 状态优于 A 燃料, 更适合作云爆弹的燃料。 2) 在一定范围内, 比药量只影响云雾的轴向分 散, 适当增加比药量可获得较好的云雾状态。从装 置的实验效果分析, 比药量取 2. 50%左右最优。 参 考 文 献 [ 1] Li Yunhua, Song Zhidong,Li Yunze,et al.Theoretical analysis and numerical simulation for the spill procedure of liquid fuel of fuel air explosive with shell[ J] . Interna tional Journal of Non Linear M echanics,2010, 45 ( 7) 699 703. [ 2] 惠君明. FAE 燃料抛撒与云雾状态的控制[ J] . 火炸药 学报, 1999( 1) 10 13. Hui Junming.FAE fuel throw and control of cloud state [ J] . Chinese Journal of Explosives & Propellants, 1999 ( 1) 10 13. [ 3] Zhang Qi, Lin Dachao, Bai Chunhua, et al. Effect of cen ter high explosive in dispersion of fuel[ J] .Journal of Beijing Institute of Technology, 2004 ,13( 2) 174 178. [ 4] 徐晓峰, 解立峰, 彭金华, 等. 碳氢燃料云雾爆轰特性 的实验研究[ J] . 爆破器材, 2003, 32( 1) 1 4. Xu Xiaofeng,Xie Lifeng, Peng Jinhua, et al. Experimental study on cloud detonation properties of hydrocarbon[ J] . Explosive M aterials, 2003, 32( 1) 1 4. [ 5] 郭学永, 惠君明.装置参数对 FAE 云雾状态的影响 [ J] . 含能材料, 2002, 10( 4) 161 164. Guo Xueyong, Hui Junming.Influence of equipment pa rameters on FAE cloud status[ J] . Chinese Journal of En ergetic M aterials, 2002, 10( 4) 161 164. [ 6] 肖绍清, 白春华, 李晋.FAE 云雾控制因素的优化研究 [ J] . 火炸药学报. 1999( 2) 10 14. Xiao Shaoqing, Bai Chunhua, Li Jin.Study on optimiza tion for factors controlling FAE s cloud[ J] .Chinese Jour nal of Explosives &Propellants, 1999( 2) 10 14. [ 7] 丁珏, 刘家骢. 液体燃料爆炸抛撒和 FAE 形成过程的 数值模拟[ J] . 南京理工大学学报, 2004, 24( 2) 168 171. Ding jue,Liu Jiacong.Numerical simulation on the process of explosive dispersal for forming FAE cloud[ J] . Journal of Nanjing University of Science and Technology, 2004, 24( 2) 168 171. [ 8] 白春华, 梁慧敏, 李建平, 等. 云雾爆轰[ M] . 北京 科 学出版社, 2012 17 50. [ 9] 惠君明, 张陶, 郭学永. FAE 装置参数对燃料抛撒与爆 炸威力影响的实验研究[ J] . 高压物理学报,2004,18 ( 2) 103 108. Hui Junming, Zhang Tao, Guo Xueyong.Experimental study on the influence of device paremeters of FAE to dis persion and explosive power[ J] . Chinese Journal of High Pressrue Physics, 2004,18( 2) 103 108. [ 10] 秦友花. 新型燃料空气炸药及其爆炸机理的研究 [ D] .合肥 中国科学技术大学, 2002. [ 11] 张奇, 郭彦懿, 白春华, 等. 中心药量对燃料的抛撒作 用[ J] . 火炸药学报, 2001( 1) 17 19. Zhang Qi, Guo Yanyi, Bai Chunhua, et al.Dispersal affection of center high explosive charge to fuel [ J] . Chinese Journal of Explosives &Propellants, 2001( 1) 17 19. Experimental Study on Influencing Factors of the Cloud Status of Liquid solid Fuel Air Explosive LI Xi,WANG Boliang,HAN Zao,WANG Xinglong School of Chemical Engineering,Nanjing University of Science and Technology(Jiangsu Nanjing, 210094) [ ABSTRACT] In field static explosive test, the cloud dispersion of liquid solid fuel air explosive ( FAE)was observed by the high speed photography.The effects of the fuel type and specific central explosive on cloud status of liquid solid FAE were presented.The results indicate that better cloud status could be gained by B fuel.To some extent,the fuel dispersion in the direction of axis is subjected to specific central explosive.It is concluded that the ideal cloud state of liquid solid FAE can be obtained when fuel type is B and specific central explosive is about 2. 50%. [ KEY WORDS] fuel air explosive,explosive dispersion,cloud status 62 爆 破 器 材 Explosive M aterials 第 42 卷第 5 期