王悅，白春華，李斌，劉雪嶺

（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）

密閉空間瞬態(tài)液霧粒徑及濃度測量實驗研究

王悅，白春華，李斌，劉雪嶺

（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）

為了深入研究氣-液兩相云霧粒徑及濃度對燃爆參數(shù)的影響，利用光全散射法原理建立一套氣-液兩相云霧粒徑及濃度測量系統(tǒng)，以水為液體介質(zhì)，進行了20 L球型密閉多相爆炸罐二次脈沖氣動噴霧云霧粒徑分布與濃度測量實驗研究。通過不同氣動壓力與液體噴霧劑量的配比實驗，獲得了兩組相同量級索特平均直徑D32（31.24 μm和46.09 μm）、粒徑尺寸分布及不同濃度的數(shù)據(jù)結(jié)果。實驗結(jié)果表明：兩組D32條件下不同設(shè)計噴霧劑量濃度與實際測量濃度均呈現(xiàn)線性關(guān)系；通過湍流碎裂理論推導(dǎo)得出可燃液體同等工況下的D32，為瞬態(tài)氣-液兩相燃爆性能的研究提供了一種新型實驗方法。

兵器科學(xué)與技術(shù)；粒徑分布；云霧濃度；二次脈沖氣動噴霧

0 引言

氣-液兩相燃爆現(xiàn)象在可燃液體的生產(chǎn)儲存運輸和液體發(fā)動機噴霧燃燒等方面廣泛存在，另外在武器運用方面特別是云爆彈終點作用的云霧爆轟有著更為突出的意義［1］。對于云霧燃爆方面的實驗研究主要集中在氣-液兩相云霧的形成［2］、液滴的尺寸及時空分布［3］兩相云霧的點火［4-6］、液滴的燃燒及液滴在氣流作用下的變形和剝離［7］、多相爆燃轉(zhuǎn)爆轟［8-9］、多相爆轟波結(jié)構(gòu)［10］等方面。Davidson等［11］在氣溶膠激波管內(nèi)利用光全散射原理，對正十二烷/氧氣/氬氣多相混合物進行了光學(xué)測量。利用測定的入射光強和透射光強的比值、超壓來觀測激波作用下液滴的加速、蒸發(fā)和兩相點火的發(fā)展歷程。陳軍等［12］利用激光角散射的方法對油氣炸彈爆炸拋撒后遠場云霧液滴的索特平均直徑D32在2.5～75 m多組不同光程距離下進行了光學(xué)測試，得出散射光強、索特平均直徑D32與時間變化的關(guān)系，即云霧區(qū)的液滴索特平均直徑在固定點隨時間的增加呈減小趨勢，云霧區(qū)液滴索特平均直徑隨爆心距離的增加而增加。

對于在密閉燃爆裝置內(nèi)所形成的氣-液兩相云霧的燃爆炸特性研究，大多采用噴霧裝置所設(shè)計的計量濃度來表征點火時刻的濃度而忽略實際液體噴射過程中的損耗問題，同時對于液滴直徑大多采用實際測量到的平均粒徑，但實際噴霧在一定工況下不同濃度的液滴直徑及分布狀態(tài)均不相同，對于密閉或開敞條件下基于等粒徑條件下的瞬態(tài)兩相云霧液滴濃度的實驗研究還很少。

本文通過液霧粒徑、濃度光學(xué)測量系統(tǒng)，對20 L球形多相爆炸罐二次脈沖氣動噴霧系統(tǒng)進行了噴霧液滴粒徑分布和濃度的實驗研究。

1 實驗裝置

1.1 概述

多相爆炸測試系統(tǒng)包括:20 L球型爆炸罐體與二次脈沖氣動噴霧子系統(tǒng)、100 J無級可調(diào)火花放電點火子系統(tǒng)、高速數(shù)據(jù)采集處理存儲子系統(tǒng)、時序觸發(fā)控制中心。如圖1（a）所示，20 L球型爆炸罐體外直徑334 mm，罐體包括一對透明光學(xué)檢測窗口。其中，二次脈沖氣動噴霧子系統(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3 mm）放置于噴頭腔體內(nèi)部起到提高霧化質(zhì)量的作用。電磁閥連接時序觸發(fā)控制中心，可準確控制毫秒級開閉電磁閥，精度級別1 ms.

如圖1（b）所示，粒徑與濃度光學(xué)測量系統(tǒng)以光全散射法原理研發(fā)設(shè)計，其基本理論是Mie光散射理論。隨著大量實驗的積累和驗證，其測量粒徑范圍可達幾納米到300 μm［13］.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0～65 535 lx，可快速獲取入射與出射光照強度數(shù)據(jù)。激光發(fā)射單元的光學(xué)波長分別為447 nm、543 nm、638 nm，功率為50 mW.測量系統(tǒng)光路通過罐體透明光學(xué)檢測窗口，并穿過球罐中心。

圖1 20 L二次脈沖氣動噴霧多相爆炸測試系統(tǒng)示意圖Fig.1 3-D schematic diagram of 20 L secondary pulse pneumatic spray multiphase explosion test system

1.2 粒徑與濃度光學(xué)測量系統(tǒng)原理及方法

當(dāng)一束單色平行光通過液霧顆粒時，由于顆粒對入射光的散射和吸收，出射光強將會受到衰減，入射光光照強度I0和出射光光照強度I之間的關(guān)系由Lambert-Beer光透射定律決定［14］，即

由于被測粒徑不是單一尺寸而是多分散的，具有一定的分布。設(shè)單位體積內(nèi)直徑為Di的粒徑數(shù)有Ni個（數(shù)目濃度），則（1）式轉(zhuǎn)化為

如以粒徑顆粒的重量頻率Wi表示:

代入（2）式得

式中:C=3L/2ρ為常數(shù)，ρ為粒徑顆粒的比重。如果入射光是由為λi的多個光波組成，則會得到類似（4）式的一組方程組。寫成矩陣形式為

為解算（5）式，采用最優(yōu)化算法建立目標(biāo)函數(shù):

求解粒徑分布函數(shù)可使用函數(shù)限制算法，也稱非獨立模式算法［15-16］。即預(yù)先假定被測粒徑的尺寸分布符合羅辛—拉姆勒分布:

1.3 測量系統(tǒng)可行性驗證

為驗證研發(fā)的全散射粒徑測量系統(tǒng)數(shù)據(jù)準確率，使用德國SYMPATEC公司的HELOS-VARIO實時噴霧激光粒度儀進行實驗數(shù)據(jù)比較。

利用已知平均粒徑D50為50 μm穩(wěn)態(tài)噴霧設(shè)備，使用HELOS-VARIO與自行研發(fā)測量系統(tǒng)同步進行粒徑分布測量，測試結(jié)果見表1，粒徑分布報告結(jié)果如圖2所示。HELOS-VARIO粒徑檢測系統(tǒng)30次實驗結(jié)果的索特平均直徑D32為22.25 μm，自行研發(fā)測量系統(tǒng)30次實驗結(jié)果的索特平均直徑D32為20.50 μm，以HELOS-VARIO測量結(jié)果平均值與自行研發(fā)測量系統(tǒng)比較，特征直徑D10、D50、D90和索特平均直徑D32的誤差分別為0.32%、6.52%、8.54%、3.21%，研發(fā)的全散射粒徑測量系統(tǒng)滿足實驗測量要求。

表1 兩種測量系統(tǒng)30次測量結(jié)果Tab.1 Two kinds of system measurement results

圖2 平均粒徑D50=50 μm時不同系統(tǒng)測量粒徑分布結(jié)果圖Fig.2 Measured size distributions for D50=50 μm

2 實驗方法

在實驗過程，以水為液體介質(zhì)，為準確獲得實際參與霧化的液體劑量，引入兩個參數(shù):設(shè)計噴霧劑量和噴霧損耗劑量。設(shè)計噴霧劑量為實驗初始準備階段注入噴霧系統(tǒng)兩個儲液室的總液體劑量；噴霧損耗劑量包括噴霧完成后，雙噴頭霧化裝置中兩個儲液室殘余劑量總和。

為獲得相同粒徑條件下，不同云霧濃度趨勢結(jié)果，在通過調(diào)節(jié)氣動壓力和設(shè)計噴霧劑量，在實驗環(huán)境恒定條件下（噴霧時長50 ms，粒徑測量時間100 ms），進行等粒徑不同濃度的實驗數(shù)據(jù)收集；最終通過統(tǒng)計獲得一組等粒徑不同濃度的實驗數(shù)據(jù)，包括設(shè)計氣動壓力、初始設(shè)計噴霧劑量、噴霧損耗劑量、實際云霧濃度等。

實驗步驟如下:

1）高壓氣室打入高壓氣體；

2）儲液室裝入初始設(shè)計噴霧劑量液體；

3）電磁閥開啟時長設(shè)定為50 ms；

4）同步觸發(fā)氣動噴霧與粒徑分布、濃度測試系統(tǒng)；

5）測量儲液室殘余液體；

6）記錄數(shù)據(jù)，準備下一次實驗。

3 結(jié)果與分析

3.1 兩組粒徑分布與濃度實驗結(jié)果

表2、表3列出了在100 ms，D32分別在31.24 μm和46.09 μm，兩組云霧濃度數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果。通過表2、表3可知:1）在噴霧時長50 ms作用下，0.30～0.80 MPa不同氣動壓力霧化過程完成后，100 ms罐體內(nèi)部壓力僅上升0.002～0.004 MPa；2）為保證不同濃度下相同粒徑的數(shù)據(jù)結(jié)果，噴霧損耗劑量不可忽視，損耗劑量占設(shè)計劑量范圍在6%～63%之間；3）D32分別為31.24 μm和46.09 μm的兩組不同濃度下實測粒徑的平均值，其與各濃度條件下實測索特平均直徑偏差范圍在9.78%以內(nèi)。

表2 云霧濃度實驗數(shù)據(jù)（噴霧時長50 ms，粒徑測量時間100 ms，D32=31.24 μm）Tab.2 Experimental data of D32and mist concentration for D32=31.24 μm

表3 云霧濃度實驗數(shù)據(jù)（噴霧時長50 ms，粒徑測量時間100 ms，D32=46.09 μm）Tab.3 Experiment data of D32and mist concentration for D32=46.09 μm

3.2 兩組粒徑濃度分析

圖3為兩組相同粒徑、不同濃度的趨勢圖。由圖3可以看出，通過設(shè)計噴霧劑量與實際測得噴霧濃度，分別獲得粒徑D32分別為31.24 μm、46.09 μm.

根據(jù)D32為31.24 μm、46.09 μm不同設(shè)計噴霧劑量濃度與實際濃度趨勢線性關(guān)系，可用以下公式分別表達設(shè)計噴霧劑量濃度與實際噴霧平均濃度關(guān)系:

式中:y為實際噴霧平均濃度；x為設(shè)計噴霧劑量濃度。表4為擬合誤差結(jié)果。

圖3 不同設(shè)計噴霧劑量濃度與實際濃度趨勢圖Fig.3 Different designed and real spray dose concentrations

表4 設(shè)計噴霧劑量濃度與實際噴霧平均濃度曲線擬合誤差Tab.4 The curve fitting errors of designed and real spray dose concentrations

4 討論

以水作為液體介質(zhì)，霧化的實驗結(jié)果通過以湍流氣流中碎裂理論可以推導(dǎo)可燃液體同等工況下粒徑大小。

Kolmogorov等［18］研究了液滴在湍流區(qū)中的碎裂過程，認為處于湍流區(qū)中液滴的碎裂過程與湍流的動能有關(guān)，湍流的空氣動力作用決定了霧化的液滴尺寸，并得出等熵流、臨界韋伯?dāng)?shù)的表達式:

對于Ohl?1低粘度液體，臨界韋伯?dāng)?shù)為

最大液滴直徑:

式中:C是由實驗確定的常數(shù)，Clay［20］用實驗方法確定了C值為0.725.

由（13）式可知:液滴在湍流區(qū)中的碎裂過程，液滴粒徑僅與液體表面張力系數(shù)σl、周圍氣體介質(zhì)密度ρg和單位時間單位質(zhì)量的動能U有關(guān)。在以水作為介質(zhì)噴霧實驗條件下，進行可燃物質(zhì)粒徑換算，可認為氣動氣體密度和空氣湍流單位時間、單位質(zhì)量動能U為定值或常數(shù)，則同種工況下，可得

式中:Dl為換算可燃物質(zhì)粒徑；σl可燃液體物質(zhì)表面張力，由（14）式可知可燃液體與水在粒徑大小方面的相互換算，僅與可燃液體物質(zhì)表面張力、水表面張力有關(guān)。

表5 正癸烷索特平均直徑及云霧濃度實驗數(shù)據(jù)與理論計算數(shù)據(jù)對比（噴霧時長50 ms，粒徑測量時間100 ms）Tab.5 Experimental and theoretical calculation data of n-decane on D32and mist concentration

5 結(jié)論

建立了一套氣-液兩相云霧粒徑及濃度測量系統(tǒng)，以水為介質(zhì)進行了系統(tǒng)可行性驗證，并實現(xiàn)了水在相同粒徑條件下的不同濃度的測試。通過湍流碎裂理論的推導(dǎo)，得出同等工況下可燃液體相同粒徑、不同濃度的理論結(jié)果。為多種可燃液體相同粒徑、不同濃度燃爆參數(shù)的研究，提供了一種新型的實驗方法與思路。本文結(jié)論如下:

1）通過HELOS-VARIO系統(tǒng)與自行研發(fā)測量系統(tǒng)的結(jié)果比較，得出特征直徑D10、D50、D90和索特平均直徑D32的誤差分別為0.32%、6.52%、8.54%、3.21%.

2）以水為液體介質(zhì)，獲得了D32為31.24 μm和46.09 μm兩組相同粒徑、不同濃度的實驗結(jié)果，進而擬合得出兩組相同粒徑下的設(shè)計噴霧劑量濃度與實際測量濃度的線性函數(shù)關(guān)系。

3）運用湍流碎裂理論和液體水的粒徑測量結(jié)果，推導(dǎo)得出相同工況下正癸烷云霧的索特平均直徑D32，經(jīng)實驗考核其誤差范圍在1.05%～7.67%以內(nèi)。

（

）

［1］ 湯明鈞.可燃云霧中的激波特性［J］.爆炸與沖擊，1989，9（3）: 281-288. TANG Ming-jun.Shock characteristics in a combustible spray［J］. Explosion and Shock Waves，1989，9（3）:281-288.（in Chinese）

［2］ Williams F.Spray combustion and atomization［J］.Physics of Fluids，1958，1（6）:541-545.

［3］ Hutt D.Measurement of the droplet size distribution of fog using multi-wavelength lidar:a feasibility study［J］.Journal of Aerosol Science，1988，19（7）:833-836.

［4］ Kauffman C W，Nicholls J.Shock-wave ignition of liquid fuel drops［J］.AIAA Journal，1971，9（5）:880-885.

［5］ Knystautas R，Guirao C，Lee J，et al.Measurement of cell size in hydrocarbon-air mixtures and predictions of critical tube diameter，critical initiation energy，and detonability limits［J］.Progress in Astronautics and Aeronautics，1984，94:23-37.

［6］ Yao G，Zhang B，Xiu G，et al.The critical energy of direct initiation and detonation cell size in liquid hydrocarbon fuel/air mixtures［J］.Fuel，2013，113:331-339.

［7］ Hsiang L P，F(xiàn)aeth G M.Drop properties after secondary breakup［J］.International of Multiphase Flow，1993，19（5）:721-735.

［8］ Moen I.Transition to detonation in fuel-air explosive clouds［J］. Journal of Hazardous Materials，1993，33（2）:159-192.

［9］ Liu Q M，Bai C H，Dai W X，et al.Explosions and deflagrationto-detonation transitions in epoxypropane-air mixtures［J］.Safety Science.2011，49（6）:926-932.

［10］ Douglas C W，Stamps A，Scott E，et al.Observations of the cellular structure of fuel-air detonations［J］.Combustion and Flame，2006，144（1/2）:289-298.

［11］ Davidson D，Haylett D，Hanson R.Development of an aerosol shock tube for kinetic studies of low-vapor-pressure fuels［J］. Combustion and Flame，2008，155（1）:108-117.

［12］ 陳軍，吳國棟，韓肇元，等.FAE爆炸拋撒后云霧液滴尺寸的測量［J］.爆炸與沖擊，2003，23（1）:74-77. CHEN Jun，WU Guo-dong，HAN Zhao-yuan，et al.Measurement on mean size of liquid droplets of FAE dispersed by explosives［J］.Explosion and Shock Waves，2003，23（1）:74-77.（in Chinese）

［13］ 鄭剛，衛(wèi)敬明，王乃寧.用多波長消光法測量大顆粒的尺寸分布［J］.光學(xué)學(xué)報，1993，13（2）:165-169. ZHENG Gang，WEI Jing-ming，WANG Nai-ning.Determination of size distribution of large patticle using multi-wavelength light extinction［J］.Acta Optica Sinica，1993，13（2）:165-169.（in Chinese）

［14］ Noviek V J.Use of series light extinction cells to determine aerosol number concentration［J］.Aerosol Science and Technology，1988，9（3）:251-262.

［15］ Barth H G，Modern methods of particle size analysis［M］.New York:John Wiley&Sons，1984:135-170.

［16］ Sun X，Tang H，Dai J.Retrieval of particle size distribution in the dependent model using the moment method［J］.Optics Express，2007，15（18）:11507-11516.

［17］ Hutt D.Measurement of the droplet Size distribution of fog using multi-wavelength lidar:a feasibility study［J］.Journal of Aerosol Science，1988，19（7）:833-836.

［18］ Kolmogorov A N.On the disintegration of drops in turbulent flow［J］.Doklady Akademi Nauk SSSR，1949，66:825-828.

［19］ Batchelor G K.The theory of homogeneous turbulence［M］.Cambridge:Cambridge University Press，1956.

［20］ Clay P H.The mechanism of emulsion formation in turbulent flow［J］.Proceedings of the National Academy of Sciences，1940，43: 852-965.

The Experimental Study of Transient Droplets Particle Size and Concentrationin Confined Spaces

WANG Yue，BAI Chun-hua，LI Bin，LIU Xue-ling
（State Key Laboratory of Explosion Science and Technology，Beijing Institute of Technology，Beijing 100081，China）

In order to study the influence of droplets particle size and concentration on the explosion parameters of the gas-liquid two-phase mist，the total light scattering detection system is established based on confined space.The water is used as the liquid medium in this experiment.The Sauter mean diameter D32，droplets particle size distribution and concentration are measured in the 20 L vessel.Two sets D32（31.24 μm，46.09 μm），droplets particle size distribution and various concentration of water/air mixtures are obtained through various mixture ration tests of pneumatic pressure and liquid dose.The results indicate that there is a linear relationship between the spray dose concentration and actual measuring concentration in the two sets of D32.Furthermore，the D32of the flammable liquid in the turbulent air under the same condition is concluded by the fragment theory，and a new experimental method is proposed for the explosion parameters of the gas-liquid two-phase fuel/air mixtures.

ordnance science and technology；droplets particle size；concentration of sprays；the secondary pulse pneumatic atomization

O354.1

A

1000-1093（2015）09-1665-06

10.3969/j.issn.1000-1093.2015.09.010

2014-12-04

國家自然科學(xué)基金項目（11372044）

王悅（1975—），女，博士研究生。E-mail:726572905@qq.com；白春華（1959—），男，教授，博士生導(dǎo)師。E-mail:chbai@bit.edu.cn