任曉冰，李 磊，嚴(yán)曉芳，陸曉霞，王金生，王海燕

（清華大學(xué)航天航空學(xué)院，北京100190）

1 引 言

在液體爆炸拋撒特征的研究中，主要有中心裝藥起爆、容器殼體破碎和液體的噴射、分散、破碎等過程。在實驗研究方面，1989年M.Samirant等［1］在實驗中用閃光X 射線照相得到1張液體爆炸拋撒過程圖像，被認(rèn)為是填充液體在爆炸產(chǎn)物氣體的膨脹推動下所形成的液體環(huán)。而R.T.Zabelka等［2］在1969年的研究中，得到另1種爆炸拋撒形態(tài)的圖像，這是由爆炸中心向四周噴射射流的流動圖像。在理論研究方面，1990年D.R.Gardner［3］提出了徑向膨脹的薄膜線性不穩(wěn)定模型，并應(yīng)用到其計算近場階段的數(shù)值模擬中，即流場由3層流體組成，內(nèi)部為爆炸產(chǎn)物氣體，外部為空氣，中間為連續(xù)的液體環(huán)，液體的初次破碎過程是爆炸產(chǎn)物氣體推動液體環(huán)逐漸膨脹變薄時，由液體環(huán)的內(nèi)外界面不穩(wěn)定增長所導(dǎo)致。1997年薛社生［4］也認(rèn)為首先是不可壓連續(xù)液體環(huán)的膨脹加速過程，當(dāng)速度達(dá)到極限時，根據(jù)實驗基礎(chǔ)，給出了破裂模型。2001年丁玨［5］提出了液體瞬間破碎模型，認(rèn)為液體環(huán)在膨脹過程中會越來越薄，當(dāng)其內(nèi)聚力小于外部擾動所施加的力時，液體環(huán)就發(fā)生破碎。李雷等［6］設(shè)計了水平約束的爆炸拋撒裝置，直接將雷管插入水中進(jìn)行爆炸拋撒，利用高速攝影儀進(jìn)行拍攝，得到了前沿針刺狀液體的變化過程；也通過激光誘導(dǎo)熒光對通過觀察窗口的液體進(jìn)行拍攝，拍攝得到的圖像顯示了拋撒過程中液體的不均勻性，但由于觀察窗口較小，距爆炸中心較遠(yuǎn)，拍攝到的圖像顯示的是殼體破碎后液體噴出一段時間后的形狀，并未得到殼體破裂時液體的拋撒形狀和整體區(qū)域內(nèi)液體的拋撒形狀。另外，由于雷管的點(diǎn)爆炸效應(yīng)，對實驗圖像的辨認(rèn)帶來一定困難，因此未能很好地認(rèn)識液體爆炸拋撒近場階段的運(yùn)動規(guī)律。

針對文獻(xiàn)［6］中的不足，本文中設(shè)計豎直放置的液體爆炸拋撒實驗方案，擬通過實驗捕捉到液體爆炸拋撒特征發(fā)展的一系列圖像，并對不同粘性液體、不同中心裝藥量等對分散的影響進(jìn)行比較。

2 實驗設(shè)計

實驗設(shè)備主要有爆炸容器、光源、背景板、高速攝影儀、中心裝藥、雷管和同步裝置等。爆炸容器外殼選用厚0.2mm 的透明膠片，上下蓋均為厚8mm 的鋁板。中心裝藥為純黑索金填充的導(dǎo)爆索，外接8號雷管引爆。實驗在密閉空間內(nèi)進(jìn)行，利用同步裝置進(jìn)行起爆和記錄。利用MotionXtra HG－100K型（CMOS）高速攝像儀，通過觀察窗口進(jìn)行拍攝，記錄整個分散過程，拍攝速度為5 000、2 000s－1。

爆炸容器中的液體為水與甘油以不同的體積比組成的混合液，用來考察液體粘性對分散過程的影響。中心裝藥分別采用3、5和11g／m 的導(dǎo)爆索，用來考察不同裝藥量對分散過程的影響。

3 實驗結(jié)果與分析

3.1 中心裝藥量對分散過程的影響

3.1.1 實驗結(jié)果

在此選出2組實驗圖像進(jìn)行對比，第1組為小藥量的情形，第2組為大藥量情形。

（1）中心裝藥為3g／m 導(dǎo)爆索，殼體直徑為150mm，鋁板間距為40mm，填充液體為水，實驗結(jié)果如圖1（a）所示。圖中3幅圖像分別為距起爆閃光2.33、4.00和30.00ms時的拋撒形態(tài)。由前2幅圖像可知液體從破碎間隙噴出后，即形成沿外緣呈現(xiàn)基本均勻分布的針刺狀形態(tài)。第3幅圖則顯示液體在前端針刺狀液體流的牽引下向四周飛散，形成沿徑向為主，切向方向又交錯相連的樹枝狀形態(tài)，這些液體絲在飛散過程中逐漸變細(xì)，進(jìn)而在表面張力的作用下破碎成小液滴。

（2）中心裝藥為11g／m 導(dǎo)爆索，殼體直徑為145mm，鋁板間距為30mm，填充液體為水，實驗結(jié)果如圖1（b）所示。圖中3幅圖像分別為距起爆閃光1.6、4.0、5.0ms時的拋撒形態(tài)。由于此時導(dǎo)爆索線密度為11g／m，爆炸作用猛烈，在1.6ms時已形成前緣有細(xì)、密分布的針刺狀形態(tài)，后緣呈現(xiàn)被爆炸產(chǎn)物推動擠壓出暗黑色分界線的環(huán)狀區(qū)。此環(huán)狀區(qū)在運(yùn)動過程中頻繁發(fā)出亮光，且越靠近前緣發(fā)光頻率越高，亮度也越大，表明環(huán)狀區(qū)內(nèi)的液體可能已非連續(xù)態(tài)，而是液滴或蒸汽的混合體。環(huán)狀區(qū)寬度逐漸增大，內(nèi)緣半徑也迅速增大，前緣呈現(xiàn)出明顯的針刺狀形態(tài)，并逐漸破碎，中間分布著小液滴和已霧化的液體，明顯不同于如圖1（a）所示的分布。

圖1 不同的裝藥量、距起爆閃光不同時刻液體的拋撒形態(tài)Fig.1 Explosion－induced dispersal photos of liquid in the cases of different explosive quantities at the different times after explosive explosion

3.1.2 速度變化分析

為得到爆炸拋撒過程中的速度變化規(guī)律，將實驗圖像轉(zhuǎn)化為灰度圖像，以一定的灰度閾值將圖像二值化，然后提取圖像的邊界曲線。通過對特定區(qū)域上外邊界到爆炸中心的距離進(jìn)行平均，得到平均半徑變化曲線（見圖2），然后計算出平均半徑的增長速率（見圖3）。

圖2 平均半徑的變化曲線Fig.2 Variation of average radius with time

圖3 平均半徑的增長速率Fig.3 Growing rate of average radius

由圖2～3可知，在爆炸拋撒過程中，主液體區(qū)的運(yùn)動都是先加速后減速。加速是因為爆炸作用力為主時的推動所致，減速是因為爆炸作用力降低、氣動阻力為主時所致。由于第2組實驗中的炸藥量是第1組的3倍多，所以平均半徑和速度都大于第1組的平均半徑和速度。

3.2 液體粘性對爆炸拋撒特征的影響

3.2.1 實驗結(jié)果

為了研究液體粘性對爆炸拋撒特征的影響，調(diào)整水和甘油的體積比，得到不同粘性的液體。實驗中裝液殼體直徑均為115mm，殼體壁厚均為0.2mm，約束板間距均為30mm，導(dǎo)爆索線密度均為5g／m，共進(jìn)行了4組實驗。

（1）液體皆為水時，爆炸拋撒過程如圖4（a）所示，拍攝時間分別距起爆閃光4、8、12ms。

（2）液體中水與甘油的體積比為5∶5時，爆炸拋撒過程如圖4（b）所示，拍攝時間分別距起爆閃光4、8、12ms。

（3）液體中水與甘油的體積比為3∶7時，爆炸拋撒過程如圖4（c）所示，拍攝時間分別距起爆閃光4、8、12ms。

（4）液體為純甘油時，其爆炸拋撒過程如圖4（d）所示，拍攝時間距起爆閃光4、8、12ms。

在圖4（a）中可以看出，雖然填充液體皆為水，但由于此時導(dǎo)爆索線密度為5g／m，大于3g／m，所以拋撒形態(tài)沒有出現(xiàn)如圖1（a）中所示的樹枝狀交叉分布，而是主液體環(huán)狀區(qū)。又因為導(dǎo)爆索線密度小于11g／m，所以其環(huán)狀區(qū)的內(nèi)邊緣沒有出現(xiàn)如圖1（b）中所示的明顯暗黑色分界線，而是有很多針刺分布，且此環(huán)狀區(qū)內(nèi)的液滴直徑也明顯大于圖1（b）所示。

當(dāng)水與甘油的比例為3∶7時，粘性系數(shù)增大，拋撒過程起始階段，主液體環(huán)狀區(qū)的內(nèi)外邊緣均有很多針刺物，且在拋撒初期的內(nèi)邊緣與約束鋁板間有連續(xù)的絲縷狀液體存在，如圖4（b）所示。而當(dāng)水與甘油的比例為5∶5，粘性系數(shù)更大，可明顯看出主液體環(huán)狀區(qū)內(nèi)外邊緣的針刺狀液體相比于圖4（b）中更多，環(huán)狀區(qū)更寬，速度減小，拋撒初期內(nèi)邊緣與約束鋁板間的連續(xù)絲縷狀液體更多，如圖4（c）所示。

當(dāng)為純甘油時，粘性系數(shù)更大，如圖4（d）所示?？擅黠@看到在環(huán)狀區(qū)的前緣部分有很多均勻、細(xì)、密分布的針刺狀液體，在后緣部分也分布著細(xì)絲和針刺狀液體，在拋撒初期的內(nèi)緣與約束鋁板間連續(xù)的絲縷狀液體也更多，在環(huán)狀區(qū)內(nèi)大部分甘油沒有完全破碎成液滴，而是以大面積的液體薄膜和絲帶狀存在。在爆炸產(chǎn)物氣體的推動下，環(huán)狀區(qū)的寬度逐漸增加，而內(nèi)緣與約束鋁板間連續(xù)的細(xì)絲狀液體也逐漸破碎成直徑較大的液滴。

圖4 不同粘性的液體的爆炸拋撒形態(tài)Fig.4 Explosion－induced dispersal photos of liquid with different viscosity at the different times after explosive explosion

經(jīng)分析，環(huán)狀液體區(qū)內(nèi)邊緣與約束鋁板間連續(xù)絲縷狀液體的成因主要是由于壁面處液體向外運(yùn)動時受到內(nèi)壁摩擦作用，使得流速降低，進(jìn)而被拉伸成絲縷狀，如同圖1（a）中小藥量爆炸拋撒時的情形。當(dāng)粘性系數(shù)越大，摩擦作用越明顯，于是連續(xù)的絲狀液體也越多，持續(xù)的時間也越長，最后在表面張力作用下破碎形成較大直徑的液滴。外緣的針刺狀液體絲則主要是殼體破裂時，液體向外噴射形成的射流。

另外在圖5中，列出了2組爆炸拋撒后附著在約束鋁板邊緣的殼體碎片情形。由此可以看出殼體在受到爆炸沖擊作用時，將沿軸向破裂成一條條的裂片，最后只有與約束鋁板粘連的部分會存留下部分長條狀裂片，裂片寬度約2mm，液體首先在這些裂隙處向外噴射，形成前緣的針刺、細(xì)密狀射流。

圖5 殼體破裂后形狀Fig.5 Broken shell images

3.2.2 速度變化分析

為分析不同粘性液體的爆炸拋撒的差異，對距起爆閃光點(diǎn)3～6ms內(nèi)的爆炸拋撒圖像進(jìn)行處理，得到邊界曲線，然后對之進(jìn)行平均，得到此時間段內(nèi)平均半徑的平均增長速度與混合液中水的比例的關(guān)系，如表1所示，其中β為甘油與水的體積比為平均半徑增長的平均速度為平均半徑增長的最大速度。

表1 不同配比液體的速度變化Table 1 Velocity variety of liquid with different volume proportion between glycerin and water

由此可知，當(dāng)液體的粘性系數(shù)增加時，不僅拋撒形態(tài)會發(fā)生變化，拋撒速度也會逐漸減小。這主要是因為隨著粘性系數(shù)的增大，拋撒過程中液體逐漸從以小液滴為主的分散形態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐源笠旱?、液膜、液片或液體絲為主的分散形態(tài)，故所受到的空氣阻力將會增加。另外由于甘油的密度比水的密度大，同體積液體的質(zhì)量也會增加，所以也將導(dǎo)致拋撒速度逐漸減小。

4 結(jié) 論

在本文的實驗中，中心裝藥量與拋撒液體質(zhì)量的比值，即比藥量較小，如第1組實驗中僅為0.17×10－3，而在文獻(xiàn)［4］中FAE武器的比藥量一般都在0.01左右，需要在以后的實驗中提高比藥量，但通過小比藥量實驗，可以逐步掌握液體爆炸拋撒特征，揭示液體爆炸拋撒過程的一些重要現(xiàn)象，如：

（1）當(dāng)殼體破裂后，液體從裂縫處噴出，形成以針刺狀形態(tài)為前緣的主液體區(qū)，整個拋撒過程呈現(xiàn)先加速后減速的趨勢。

（2）對小藥量情況，主液體區(qū)前緣針刺狀形態(tài)逐漸分散為交叉樹枝狀形態(tài)，并在拋撒過程中充滿整個拋撒場，當(dāng)液體粘性增加時，分散的樹枝狀形態(tài)會趨于集中。

（3）對大藥量情況，主液體區(qū)在爆炸產(chǎn)物氣體的推動下形成有明顯內(nèi)緣的環(huán)狀帶向外飛散。當(dāng)液體粘性系數(shù)較小時，環(huán)狀帶內(nèi)的液體直接以離散的小液滴或已霧化的狀態(tài)出現(xiàn)；當(dāng)粘性系數(shù)增大時，則以大液滴、液膜或液體絲等狀態(tài)為主的形態(tài)出現(xiàn)，且在拋撒早期，由于約束鋁板壁面的粘滯作用，環(huán)狀帶的內(nèi)緣也會出現(xiàn)針刺狀液體，甚至與鋁板相連。在拋撒過程中，主液體環(huán)狀帶并非逐漸膨脹變薄，而是被逐漸拉伸變寬、變稀疏，其間分散的液體也逐漸都破碎成小液滴。

（4）為液體爆炸拋撒過程的數(shù)學(xué)建模，提供了更符合真實情況的思路。因為在液體爆炸拋撒過程中，自殼體破裂后，液體并非以連續(xù)液體環(huán)的形式出現(xiàn)，而是以離散態(tài)噴出，如交叉樹枝狀、液滴、液膜和液體絲等，所以此過程應(yīng)以多相流混合過程為主，而非以連續(xù)液體擾動破碎或膨脹變薄破碎為主。

現(xiàn)有工作僅是對液體爆炸拋撒特征的初步認(rèn)識，仍需繼續(xù)深入研究。

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