王 悅，白春華，李 斌，劉雪嶺，張 奇

(北京理工大學(xué) 爆炸科學(xué)與技術(shù)國家重點實驗室，北京 100081)

1 引 言

可燃液體的氣液兩相在其生產(chǎn)、儲存、運輸、液體發(fā)動機燃燒及武器應(yīng)用等方面廣泛存在，特別是燃料空氣炸藥(FAE)終點作用的云霧爆轟更有著突出的研究意義。對于云霧的形成和燃爆方面的實驗研究主要集中在液體霧化[1-3]、液滴的尺寸及時空分布[4]、顆粒的燃燒及顆粒在氣流作用下的變形和剝離[5]、燃料-空氣混合物的起爆能量[6]、爆燃轉(zhuǎn)爆轟[7-9]、爆轟波結(jié)構(gòu)[10-11]、爆轟威力[12]等方面。Gabrijel[13]在扇形激波管中研究了平均直徑為388 μm的煤油液滴與空氣混合物形成的云團的爆轟，實驗中使用數(shù)萬焦耳的點火能量，實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)爆轟速度、爆轟淬火和直接起爆能量均與所形成液體云霧的間隙有關(guān)。Bar-Or[14]在扇形激波管中研究了液滴直徑為400 μm的癸烷、煤油、庚烷，發(fā)現(xiàn)低揮發(fā)性燃料癸烷和煤油具有較長的反應(yīng)區(qū)，即該反應(yīng)區(qū)由液滴的破碎過程確定，且爆轟速度明顯低于理論計算的氣體爆轟的CJ值，高揮發(fā)性燃料庚烷爆轟速度接近氣體爆轟的CJ值。中國工程物理研究院陳軍等人[15]利用激光散射的方法對FAE爆炸拋撒后遠場云霧液滴索特平均直徑D32在不同空間位置隨時間的變化過程進行了實驗研究，得出散射光強以及D32與時間變化的關(guān)系，即云霧區(qū)的液滴D32在固定點隨時間的增加呈減小趨勢，云霧區(qū)液滴D32隨爆心距離的增加而增加。

氣相預(yù)混爆炸和液相擴散燃燒的同時發(fā)生使這種動態(tài)的氣液兩相云霧燃爆性能的研究非常復(fù)雜。其影響因素包括燃料的物理化學(xué)性質(zhì)，如燃料的表面張力、動力粘度、密度、沸點及瞬態(tài)的液滴大小、尺寸分布、濃度分布、環(huán)境溫度、初始壓力、湍流速度、點火時間和點火能量等。目前，大多數(shù)液霧的燃爆與爆轟研究一般在密閉多相燃爆裝置中進行，通常以實驗設(shè)計的計量濃度來表征點火時刻的濃度而忽略實際液霧噴射過程中的蒸發(fā)汽化、過程損耗等問題，同時對于液滴直徑大多采用實際測量到的等效平均粒徑來表示，但大多數(shù)實際噴霧所形成的液滴尺寸是不均勻的，液滴是以其粒徑分布狀態(tài)存在；為了研究云霧瞬態(tài)粒徑分布、氣液兩相濃度及其不同濃度下的燃爆性能，本工作利用液霧粒徑與濃度光學(xué)測量系統(tǒng)和20 L二次脈沖氣動噴霧多相爆炸測試系統(tǒng)，在相同D32條件下，對不同濃度的正癸烷氣液兩相的燃爆參數(shù)進行了實驗研究。

2 實驗部分

2.1 實驗裝置

20 L二次脈沖氣動噴霧多相爆炸測試系統(tǒng)(自行開發(fā)設(shè)計)包括：20 L圓柱爆炸罐體、二次脈沖氣動噴霧系統(tǒng)、4-40 J多級可調(diào)火花放電點火子系統(tǒng)(EPT-1點火試驗臺和火花點火裝置)、高速數(shù)據(jù)采集處理存儲子系統(tǒng)(NI PXI-5922高速數(shù)字化儀和瞬態(tài)爆炸參數(shù)測試軟件)、時序觸發(fā)控制中心子系統(tǒng)，其中EPT-1[16-17]點火試驗臺和NI PXI-5922高速數(shù)字化儀[18-19]為標準裝置。如圖1所示，20 L圓柱爆炸罐體包括三對透明光學(xué)檢測窗口，位置分別為罐體高度1/5,1/2,4/5處；罐體內(nèi)徑為300 mm，高為312 mm，壁厚10 mm；二次脈沖氣動噴霧系統(tǒng)包括高壓氣泵、高壓氣室、電磁閥、單向閥、儲液室、半球型多孔噴頭；多孔均布空心球體(球體直徑25 mm；開孔個數(shù)為42個；開孔的孔徑為2 mm)放置于噴頭腔體內(nèi)部起到提高霧化質(zhì)量的作用。時序觸發(fā)控制中心子系統(tǒng)可同時控制氣動霧化系統(tǒng)、點火系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、粒徑及濃度光學(xué)測量系統(tǒng)按不同觸發(fā)時間、時長精確觸發(fā)各子系統(tǒng)，時間精度級別1 ms。

圖1 20 L二次脈沖氣動噴霧多相爆炸測試系統(tǒng)
1—點火電纜，2—壓力表，3—儲液室，4—單向閥，5—電磁閥連接觸發(fā)控制中心電纜，6—壓力傳感器數(shù)據(jù)傳輸電纜，7—高壓氣泵氣體輸入管段，8—多波長激光發(fā)射器，9—溫度傳感器數(shù)據(jù)傳輸電纜，10—高壓氣室，11—電磁閥，12—數(shù)字光照強度檢測傳感器電纜，13—罐體上部1/5透明視窗，14—罐體1/2透明視窗(點火位置)，15—罐體下部4/5透明視窗
Fig.1 Double pulse pneumatic spray multiphase explosion test system
1—ignition source，2—pressure gage，3—liquid storage chamber，4—non-return valve，5—connection synchronized trigger system，6—pressure sensor transmisson cables，7—connect high pressure pump，8—the laser，9—combustion temperature data recorder，10—air compression chamber，11—solenoid valve，12—light sensor cable，13—the position 1/5 of the vessel，14—the position 1/2 of the vessel，15—the position 4/5 of the vessel

液霧粒徑與濃度光學(xué)測量系統(tǒng)包括：20 L圓柱罐體、激光發(fā)射單元、光照強度檢測單元、信號轉(zhuǎn)換及高速數(shù)據(jù)采集處理(計算機)子系統(tǒng)、二次脈沖氣動噴霧系統(tǒng)、時序觸發(fā)控制子系統(tǒng)，如圖2所示。該系統(tǒng)(自行開發(fā))以光全散射法原理設(shè)計，其基本理論是Mie光散射理論[20-21]。隨著大量試驗的積累和驗證，其測量粒徑范圍可達幾納米到300 μm[22]。數(shù)字光照強度檢測傳感器件具有較寬動態(tài)響應(yīng)范圍，可見光強度測量范圍0～65535 Lux，可快速獲取入射與出射光照強度數(shù)據(jù)。粒徑分布與濃度光學(xué)測量系統(tǒng)設(shè)有三種可見光波長，分別為447，543，638 nm，功率50 mW的激光發(fā)射單元，并分別對應(yīng)三個數(shù)字光照強度檢測單元。根據(jù)實驗要求，該測量系統(tǒng)可拓展達16組激光發(fā)射單元和數(shù)字光照強度檢測單元。

圖2 測量液霧粒徑與濃度的光學(xué)測量系統(tǒng)
Fig.2 Optical measurement system of measuring particle size and concentration of liquid spray

2.2 實驗過程

云霧粒徑分布與濃度測量實驗過程：為獲得相同索特平均直徑D32與不同正癸烷液霧濃度趨勢結(jié)果，利用液霧粒徑與濃度光學(xué)測量系統(tǒng)，通過調(diào)節(jié)氣動壓力和設(shè)計噴霧劑量，進行了粒徑與濃度的測量實驗。實驗條件為：初始溫度21 ℃，初始壓力0.1 MPa，電磁閥開啟時長50 ms(噴霧時長)，粒徑及濃度光學(xué)測量系統(tǒng)時間采樣點為80 ms。測試步驟為：首先打入高壓氣體并加入初始設(shè)計噴霧計量的液體，然后同步觸發(fā)氣動噴霧與粒徑及濃度光學(xué)測量系統(tǒng)，獲取液滴的索特平均直徑D32與液霧濃度數(shù)據(jù)，最后提取儲液室殘余液體量，記錄處理數(shù)據(jù)。

云霧燃爆實驗過程：基于上述正癸烷相同粒徑、不同液霧濃度的測量與統(tǒng)計結(jié)果，在20 L二次脈沖氣動噴霧多相爆炸測量系統(tǒng)中進行云霧燃爆參數(shù)測試實驗。實驗條件為：初始溫度21 ℃，初始壓力0.1 MPa，電磁閥開啟時長50 ms，點火延遲時長80 ms，點火能量40.32 J。實驗步驟為：首先打入高壓氣體并加入初始設(shè)計噴霧計量的液體，然后同步觸發(fā)氣動噴霧與點火系統(tǒng)，記錄處理燃爆超壓與燃爆溫度實驗數(shù)據(jù)。

3 結(jié)果與討論

3.1粒徑分布與濃度結(jié)果

為準確獲得實際霧化的正癸烷濃度，引入兩個參數(shù)：設(shè)計噴霧劑量和噴霧損耗劑量。設(shè)計噴霧劑量(DSD)為實驗初始準備階段注入噴霧系統(tǒng)兩個儲液室的總癸烷液體劑量；噴霧損耗劑量(LSD)包括噴霧完成后，兩個儲液室殘余劑量與粒徑及濃度光學(xué)測量系統(tǒng)所測量實時液相濃度10 %的總和，其中，液霧濃度10%是考慮到噴霧過程導(dǎo)致液霧罐壁的殘余量。正癸烷霧化的總實際濃度是由設(shè)計噴霧劑量(DSD)與噴霧損耗劑量(LSD)之差獲得，而其中實時氣相濃度是由正癸烷霧化的總實際濃度與粒徑及濃度光學(xué)測量系統(tǒng)所測量的實時液相濃度之差獲得。表1列出了在80 ms時間節(jié)點，正癸烷氣液兩相濃度及索特平均直徑D32的實驗結(jié)果，其中D32= 38.11 μm為不同所有實時液相濃度下D32的平均值，并將其近似作為粒徑D32的標準參考數(shù)值。如圖3所示，正癸烷氣液兩相濃度與設(shè)計噴霧計量濃度之間具有線性趨勢。

圖3 正癸烷氣液兩相濃度趨勢圖(其中純氣相正癸烷燃爆下限體積濃度來自文獻[23])
Fig.3 Vapor-liquid two-phase concentration trend of then-decane(in which the explosion lower limit volume concentration of pure gas phasen-decane is from the literature[23])

表1 正癸烷氣液兩相濃度實驗數(shù)據(jù)(80 ms,D32=38.11 μm)Table 1 Experiment data of the vapor-liquid two-phase concentration of the n-decane (80 ms,D32=38.11 μm)

Note:1) MeanD32is the average value ofD32for up,middle and down position of the vessel; 2) Actual concentration of vapor is obtained through conversion of actual concentration of vapor (g·m-3) under the initial environmental conditions of test.

a.the position 1/5 of the vesselb.the position 1/2 of the vesselc.the position 4/5 of the vessel
圖4 正癸烷云霧不同液相濃度下粒徑分布圖(80 ms，D32=38.11 μm)
Fig.4 Particle size distribution ofn-decane sprays at the different liquid phase concentration(80ms，D32=38.11 μm)

當云霧液滴的索特平均直徑D32大于10 μm時，云霧受重力沉降作用不可忽略，使得處于罐體上、中、下部的液霧濃度分布不均，通過同步測量罐體上中下三個位置液霧濃度，并取平均值表征液霧實際平均濃度。位置1選定于罐體上部1/5；位置2選定于罐體1/2(點火位置)；位置3選定于罐體下部1/5(參看圖1中13、14、15和圖2)。不同實時液相濃度下三個位置正癸烷粒徑分布結(jié)果如圖4所示。

3.2 燃爆參數(shù)實驗結(jié)果

在正癸烷云霧平均粒徑D32為38.11 μm，點火能40.32 J條件下，表2列出了正癸烷液相質(zhì)量濃度在78.47～436.67 g·m-3，同時對應(yīng)的氣相體積濃度在0.52%～1.77% 區(qū)間燃爆超壓與燃爆溫度實驗結(jié)果。

在燃爆實驗過程中，正癸烷液霧液相質(zhì)量濃度151.34 g·m-3，對應(yīng)的氣相體積濃度0.77%(即：總濃度為199.29 g·m-3)條件下，發(fā)生一次點火成功，兩次失敗，結(jié)果見表2；同時，在正癸烷液霧液相質(zhì)量濃度127.00 g·m-3，對應(yīng)的氣相體積濃度0.63%(即：總濃度為166.44 g·m-3)條件下，連續(xù)發(fā)生三次點火失?。灰虼嗽谡锿樵旗FD32為38.11 μm，點火能量40.32 J條件下，氣液兩相燃爆下限確定為液相質(zhì)量濃度151.34 g·m-3、氣相體積濃度0.77%(即：總濃度為199.29 g·m-3)(其中點火能量40.32 J的確定基于國際經(jīng)典點火能公式E=CU2/2算法[24])。

正癸烷云霧不同氣液兩相濃度下爆壓峰值趨勢如圖5所示。由圖5可知，在正癸烷云霧D32=38.11 μm，點火能40.32 J條件下，其爆壓峰值從0.52 MPa逐漸上升到0.97 MPa；對應(yīng)的氣相體積濃度從0.77%到1.41%，液相質(zhì)量濃度從151.34 g·m-3到415.33 g·m-3；隨后爆壓峰值從0.97 MPa下降到0.90 MPa，對應(yīng)的氣相體積濃度從1.41% 到1.77%，液相質(zhì)量濃度從415.33 g·m-3到436.67 g·m-3。在實驗燃爆區(qū)間內(nèi)，最大爆壓峰值0.97 MPa出現(xiàn)在氣相體積濃度1.41%，對應(yīng)的液相質(zhì)量濃度為415.33 g·m-3(即：總濃度為503.70 g·m-3)。

圖5 正癸烷云霧不同氣液兩相濃度下爆壓峰值趨勢圖(80 ms，D32=38.11 μm，純氣相正癸烷燃爆下限體積濃度來自文獻[23])
Fig.5 The trend of detonation pressure peak ofn-decane sprays at the different vapor-liquid two phase concentration(80 ms，D32=38.11 μm，In which the explosion lower limit volume concentration of pure gas phasen-decane is from the literature[23])

正癸烷云霧不同氣液兩相濃度下爆溫峰值趨勢如圖6所示。由圖6可知，在燃爆區(qū)間內(nèi)，正癸烷爆溫峰值出現(xiàn)了雙峰現(xiàn)象，燃爆峰值的首峰溫度(最大峰值溫度)為812 ℃，出現(xiàn)在氣相體積濃度0.88%，對應(yīng)的液相質(zhì)量濃度184.84 g·m-3(即：總濃度為239.81 g·m-3)；次峰溫度786 ℃，出現(xiàn)在氣相體積濃度1.41%，對應(yīng)的液相質(zhì)量濃度415.33 g·m-3(即：總濃度為503.70 g·m-3)。

表2 正癸烷云霧爆壓峰值和爆溫峰值實驗數(shù)據(jù)(40.32 J,D32=38.11 μm)Table 2 Experimental data of detonation pressure peak and detonation temperature peak of n-decane sprays (40.32 J,D32=38.11 μm)

Note:In experiment times (F/S) in the table,where F stands for "fail",S strands for "success"; in which 3 (S) represents the results of three experiments are successfully ignited.maximum pressure and Maximum temperature lists the maximum in the three tests; in which 3 (F) stands for the results of the experiment three times are not successful ignition.

圖6 正癸烷云霧不同氣液兩相濃度下爆溫峰值趨勢圖(80 ms,D32=38.11 μm)
Fig.6 The trend of detonation pressure peak ofn-decane sprays at the different gas-liquid two-phase concentration (80 ms,D32=38.11 μm)

3.3 氣液兩相實時濃度和D32差值范圍分析

正癸烷云霧實時濃度和粒徑隨著時間變化而變化,同時罐體內(nèi)部不同位置的濃度在同一時刻也不盡相同。為此實驗結(jié)果應(yīng)考察液相實時濃度的差值范圍。在本實驗中，考慮到液霧粒徑受重力影響，不同位置的濃度在同一時刻濃度規(guī)律為:位置1(罐體上部1/5)<位置2(罐體1/2)<位置3(罐體下部1/5),三個濃度測量位置如圖1和圖2所示 。因此，分別以位置1和2的平均濃度設(shè)定為差值下限,位置2和3的平均濃度設(shè)定為差值上限。由于正癸烷氣相的實時濃度是由正癸烷總濃度與液相的實時濃度之差獲得；同時考慮到噴霧導(dǎo)致10%的罐體壁面的損耗,實際正癸烷氣相濃度的差值范圍也可得出。由圖3所示，正癸烷氣液兩相在80 ms點火時刻不同實時濃度差值范圍分別為：0.02%～0.09%和4～30.33 g·m-3。

云霧燃爆的實驗研究由于多元變量的因素，導(dǎo)致系統(tǒng)性研究趨于復(fù)雜，其中會涉及液相粒徑，氣、液實時濃度這三組重要參數(shù)。因此本實驗研究基于鎖定液相D32平均粒徑的條件下，研究氣液兩相濃度變化對燃爆參數(shù)的影響趨勢。平均粒徑D32=38.11 μm是所有實驗數(shù)據(jù)的一個平均值。它作為一個常量是為整個實驗提供一個參考標準數(shù)值。但實際上,實驗結(jié)果中的D32和常量38.11 μm存在差值范圍，表3列出了正癸烷液相平均粒徑的差值范圍，其中最大相對誤差為5.90%?？梢姡后w瞬態(tài)霧化環(huán)境下，由于蒸發(fā)、凝結(jié)、湍流、沉降及損耗等多種因素，無法在不同濃度、相同時刻，獲得完全相等的粒徑大小及粒徑分布狀態(tài)，這是導(dǎo)致誤差出現(xiàn)的原因。

3.4 討 論

在可燃液體氣動霧化過程中，由于環(huán)境、液霧粒徑的不同，蒸發(fā)速率也不盡相同，從噴霧發(fā)生起，液體蒸發(fā)氣化過程已同步發(fā)生。罐體內(nèi)存在空氣、液體蒸氣、液滴混合物；在本實驗研究中，霧化時長50 ms ，并延遲至80 ms點火，以降低氣動對罐體內(nèi)部湍流影響；因此，點火時，實際同步發(fā)生了正癸烷蒸氣預(yù)混燃爆和液滴擴散燃燒。

由文獻[23-25]可知，正癸烷燃爆極限范圍在0.78%～7.8%。由表2可知，本次實驗測得的可燃范圍為0.77%～1.77%(云霧中氣相濃度范圍)，即獲得的燃爆下限0.77%與文獻中的0.78%相近，因此可以得出正癸烷云霧在平均粒徑D32=38.11 μm條件下，液相濃度對燃爆下限影響較小，而氣相濃度為燃爆下限的主要影響因素的結(jié)論。

表3 正癸烷液相平均粒徑的差值范圍(D32=38.11 μm)Table 3 The average particle size difference range of liquid phase n-decane (D32=38.11 μm)

正癸烷蒸氣與空氣混合化學(xué)反應(yīng)方程如式(1)所示，其中Cst為癸烷當量體積分數(shù)：

(1)

理論上，正癸烷蒸氣與空氣混合爆壓峰值的最大值應(yīng)出現(xiàn)在當量體積分數(shù)為1.33%處，但在實際化學(xué)反應(yīng)過程中,由于所有的C、H元素不可能完全氧化生成CO2和H2O。在化學(xué)反應(yīng)達到平衡狀態(tài)時,CO、H2和OH也包含其中。因此，燃爆最大超壓峰值的體積分數(shù)總是比當量體積分數(shù)濃度出現(xiàn)地稍晚[26-27]。本實驗在癸烷氣相濃度為1.41%時，獲得的最大爆壓峰值，即也出現(xiàn)在當量濃度稍后位置。結(jié)果說明正癸烷云霧中對應(yīng)的氣相濃度大小也是最大爆壓峰值的決定因素。

由文獻[25-27]可知，純氣相可燃物與空氣混合最大爆壓峰值與最大爆溫峰值同步出現(xiàn)；但在本實驗中，并沒有同步發(fā)生，最大爆溫峰值出現(xiàn)在正癸烷液相184.84 g·m-3、氣相0.88%(即：總濃度為239.81 g·m-3)，而最大爆壓峰值0.97 MPa出現(xiàn)在液相415.33 g·m-3、氣相1.41 %(即：總濃度為503.70 g·m-3)；這說明正癸烷云霧液滴群擴散燃燒過程中，由于蒸發(fā)所引起的熱交換與熱傳遞的發(fā)生，其對燃燒溫度有明顯的影響。

4 結(jié) 論

(1)正癸烷在D32為38.11 μm，點火能40.32 J條件下，氣液兩相燃爆下限總濃度為199.29 g·m-3，其中液相質(zhì)量濃度為151.34 g·m-3，氣相體積濃度為0.77%；表明正癸烷云霧液相濃度對燃爆下限影響較小，而氣相濃度為燃爆下限主要影響因素。

(2)正癸烷氣液兩相云霧最大爆壓峰值為0.97 MPa,出現(xiàn)在正癸烷氣相體積濃度1.41%，即當量濃度稍后位置，表明最大爆壓峰值也是由云霧中對應(yīng)的氣相濃度大小所決定；而最大燃溫峰值為812 ℃，出現(xiàn)在正癸烷氣相體積濃度0.88%，說明正癸烷云霧液滴群擴散燃燒過程對燃燒溫度有顯著的影響。

(3)正癸烷氣液兩相云霧燃爆溫度出現(xiàn)雙峰現(xiàn)象，首峰最高溫度812 ℃，出現(xiàn)在總濃度為239.81 g·m-3(其中：氣相體積濃度0.88%，液相質(zhì)量濃度在184.84 g·m-3)；次峰最高溫度786 ℃，出現(xiàn)在總濃度為503.70 g·m-3(氣相體積濃度1.41%，對應(yīng)的液相質(zhì)量濃度在415.33 g·m-3)。

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