程揚(yáng)帆, 王中華, 胡芳芳, 張蓓蓓, 夏煜, 沈兆武

(1.安徽理工大學(xué) 深部煤礦開(kāi)采響應(yīng)與災(zāi)害防治國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 安徽 淮南 232001;2.安徽理工大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院, 安徽 淮南 232001;3.安徽理工大學(xué) 安徽省爆破器材與技術(shù)工程實(shí)驗(yàn)室, 安徽 淮南 232001;4.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 工程科學(xué)學(xué)院, 安徽 合肥 230027)

0 引言

溫壓武器作為一種新型武器近年來(lái)得到了廣泛的關(guān)注,其爆炸產(chǎn)生的高熱和沖擊波無(wú)孔不入,這種獨(dú)特的毀傷效應(yīng)是傳統(tǒng)彈藥難以比擬的,特別適用于殺傷洞穴、地下工事、建筑物等封閉空間內(nèi)的敵人[1]。溫壓彈兼有高能炸藥和空氣燃料彈的特點(diǎn),在高能炸藥中添加了鋁、鈦、鎂、鋯、硅和硼等粉末,進(jìn)一步增強(qiáng)了溫壓彈爆炸時(shí)的熱效應(yīng)和壓力效應(yīng),起到顯著的能量倍增效果。溫壓彈由早期的空氣燃料炸彈發(fā)展而來(lái),經(jīng)過(guò)20多年的發(fā)展已形成系列產(chǎn)品,不僅有可直接肩扛的單兵用短程溫壓彈,也有火炮發(fā)射的溫壓榴彈、溫壓火箭彈以及戰(zhàn)機(jī)空中發(fā)射的溫壓炸彈、溫壓空地導(dǎo)彈。經(jīng)過(guò)不斷研制完善,溫壓彈已開(kāi)始逐步向小型化、多載體發(fā)射方向拓展,各國(guó)為了提高溫壓彈的能量密度,已經(jīng)開(kāi)始尋找新型燃燒材料[2]。金屬儲(chǔ)氫材料因具有高能量密度、高燃燒熱值、高釋能效率等優(yōu)點(diǎn),作為添加劑廣泛應(yīng)用于炸藥、推進(jìn)劑等含能材料中[3-5],其中TiH2是最具代表性的材料之一。Xue等[6]研究了添加TiH2粉末的RDX藥柱,結(jié)果表明TiH2能夠顯著提高RDX水下爆炸的沖擊波能和氣泡能,且粒徑越小、效果越佳。Comet等[7]研制出以二硝酰銨為氧化劑、TiH2為燃料的新型起爆組分,其爆熱高于7 kJ/g,在直徑為3 mm的管中爆速范圍為1.2～2.0 km/s。Cheng等[8]研究了TiH2對(duì)乳化炸藥猛度的影響,實(shí)驗(yàn)測(cè)得添加TiH2粉末的乳化炸藥鉛柱壓縮量 23.80 mm,比未添加TiH2粉末的乳化炸藥高 7.7 mm。 Wu等[9]利用哈特曼管和20L球形爆炸容器研究TiH2的爆炸特性,與理論燃燒熱相比,TiH2的燃燒比大于96.0%,燃燒熱值為20.94 mJ/kg。 Cheng等[10-12]對(duì)TiH2粉塵的云爆特性和爆炸機(jī)理進(jìn)行了深入研究,發(fā)現(xiàn)TiH2粉塵云燃燒機(jī)理主要受擴(kuò)散機(jī)制控制,氫元素的存在形式對(duì)爆炸壓力無(wú)明顯影響,但對(duì)壓力上升速率影響巨大,此外,TiH2粉塵火焰?zhèn)鞑ニ俣?、燃燒速度、最大壓力和最大壓力上升速率均高于相同粉塵濃度的Ti粉塵。

溫壓彈除沖擊波壓力外,爆炸溫度和火焰?zhèn)鞑ニ俣韧瑯邮呛饬繗艿闹匾笜?biāo)[1]。在爆炸溫度場(chǎng)測(cè)試方面,測(cè)量方法主要分為接觸式和非接觸式兩大類。接觸式測(cè)溫的主要特點(diǎn)是測(cè)溫要求簡(jiǎn)單、設(shè)備操作便捷,但傳感器需要與被測(cè)物體接觸,不能重復(fù)利用,且溫度響應(yīng)速度不能滿足瞬態(tài)高溫的測(cè)量要求[13]。與接觸式測(cè)溫方法相比,非接觸式測(cè)溫能夠檢測(cè)物體的表面溫度,其測(cè)溫范圍寬、響應(yīng)速度快,適合爆炸瞬態(tài)高溫的測(cè)量。近年來(lái),比色測(cè)溫技術(shù)在炸藥測(cè)溫領(lǐng)域開(kāi)始得到應(yīng)用,該方法無(wú)需獲取被測(cè)物體的發(fā)射率大小,具有紅外測(cè)溫方法無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)[14-15]。在火焰?zhèn)鞑ニ俣葴y(cè)試方面,利用Python軟件OpenCV庫(kù)強(qiáng)大的輪廓檢測(cè)功能[16],通過(guò)計(jì)算火焰前鋒面位置隨時(shí)間的變化情況,可以得到火焰?zhèn)鞑サ乃俣群图铀俣取?/p>

本文利用開(kāi)放式和半開(kāi)放式哈特曼管,分別模擬了溫壓彈在空中和地下坑道內(nèi)的爆炸情況,借助高速相機(jī)、衰減片和自編Python程序,研究了TiH2粉塵云在開(kāi)放空間和管道約束情況下的火焰溫度場(chǎng)時(shí)空分布、傳播速度和加速度,研究成果可為溫壓彈的配方設(shè)計(jì)和毀傷效能鑒定提供技術(shù)和理論指導(dǎo)。

1 粉塵爆炸實(shí)驗(yàn)材料和裝置

商業(yè)級(jí)TiH2粉末(儲(chǔ)氫量3.85%,美國(guó)Thermo Fisher Scientific公司產(chǎn))平均粒徑D50=7.6 μm,商業(yè)級(jí)Ti粉末(寶雞泉興鈦業(yè)股份有限公司產(chǎn))平均粒徑D50=7.2 μm,粒度分布和微觀結(jié)構(gòu)特征如圖1所示;空氣(20.98% O2+79.02% N2,合肥恒隆電氣有限公司產(chǎn)),純度為99.99%。

圖1 粉塵粒度分布和微觀結(jié)構(gòu)特征Fig.1 Particle size distribution and microstructural characteristics

分別采用開(kāi)放式和半開(kāi)放式哈特曼管研究了TiH2粉塵在無(wú)約束和約束條件下的火焰?zhèn)鞑ズ蜏囟葎?dòng)態(tài)分布情況。實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前,稱取一定量的TiH2粉末放在哈特曼管的底部托盤,然后利用氣體儲(chǔ)罐中的空氣將粉塵揚(yáng)起,最后使用15 kV高能點(diǎn)火器完成點(diǎn)火過(guò)程。開(kāi)放式哈特曼管(見(jiàn)圖2(a))在點(diǎn)火的瞬間,中部管體(可上下滑動(dòng))會(huì)落下形成敞開(kāi)空間,噴粉時(shí)間為0.02 s,從噴粉到點(diǎn)火的延遲時(shí)間為0.1 s;半開(kāi)放式哈特曼管(見(jiàn)圖2(b))在管的頂部用薄紙密封,薄紙?jiān)诜蹓m爆燃過(guò)程會(huì)被沖破,噴粉時(shí)間為0.02 s,從噴粉到點(diǎn)火的延遲時(shí)間為0.13 s。推拉式電磁鐵、電磁閥和點(diǎn)火電極通過(guò)可編程邏輯控制器(PLC)控制,并采用高速相機(jī)記錄粉塵火焰?zhèn)鞑サ娜^(guò)程。

圖2 哈特曼管Fig.2 Hartmann tubes

2 高速二維測(cè)量方法

高速二維測(cè)量平臺(tái)由高速相機(jī)、衰減片、計(jì)算機(jī)及自編Python計(jì)算程序構(gòu)成。如圖3所示,通過(guò)高速攝像和衰減片采集粉塵火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程的灰度圖像,然后利用Python程序處理灰度圖得到火焰?zhèn)鞑サ乃俣群图铀俣葧r(shí)間曲線以及動(dòng)態(tài)火焰溫度分布云圖,并將數(shù)據(jù)可視化輸出。自編Python程序可實(shí)現(xiàn)兩個(gè)功能:1)通過(guò)對(duì)灰度圖信息的插值運(yùn)算和比色計(jì)算,得到火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程的動(dòng)態(tài)溫度分布云圖;2)通過(guò)對(duì)灰度圖的輪廓檢測(cè),實(shí)現(xiàn)火焰動(dòng)態(tài)傳播過(guò)程中的速度和加速度計(jì)算。

圖3 高速二維測(cè)量的實(shí)現(xiàn)過(guò)程Fig.3 Realization process of high-speed two-dimensional measurement

2.1 火焰溫度分布的計(jì)算

CMOS相機(jī)采用單鏡片圖像傳感器,利用GRBG模式的拜爾陣列,如圖4所示,該陣列可以看成二維矩陣形式,i、j代表單個(gè)傳感器的坐標(biāo)位置,圖中每個(gè)位置的R、G或B標(biāo)記代表該傳感器負(fù)責(zé)采集的顏色分量(分別對(duì)應(yīng)不同的光波段),對(duì)不同波段信號(hào)求比值即可得到如式(1)所示的溫度單值函數(shù)[17]:

(1)

式中:T為熱力學(xué)溫度;c2為普朗克第二輻射常數(shù);λn為波長(zhǎng),n=1,2;ε(λn,T)表示物體在波長(zhǎng)λi下的發(fā)射率;K為黑體在溫度T下兩個(gè)波長(zhǎng)為λ1和λ2的輻射亮度之比,可用式(2)表示:

(2)

圖4 高速彩色相機(jī)的拜爾陣列Fig.4 Bayer array of high-speed cameras

由式(1)和式(2)可知,輻射波長(zhǎng)亮度之比與溫度基本呈現(xiàn)線性變化關(guān)系。從理論上說(shuō),只要知道R、G、B像素值,就可以計(jì)算出該點(diǎn)的溫度值。經(jīng)過(guò)拜爾陣列拍攝得到的圖片為8 bit灰度圖,對(duì)所有的像素點(diǎn)做插值運(yùn)算后即可獲得一張包含R、G、B三通道的彩色圖像,選擇使用R和G兩個(gè)通道的信號(hào)強(qiáng)度比值來(lái)獲取溫度信息。采用Python 3.8編寫Hamilton插值算法[18]處理灰度圖片就可以得到每個(gè)像素點(diǎn)的R、G、B像素值。

2.2 粉塵火焰速度和加速度

2.2.1 輪廓檢測(cè)

利用彩色CMOS相機(jī)捕捉火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程中的圖像并以8 bit灰度格式輸出,在得到的火焰圖像中有時(shí)會(huì)存在噪聲數(shù)據(jù)(如粉塵爆炸中的粉塵顆粒、燃燒產(chǎn)物等),這些噪聲數(shù)據(jù)會(huì)干擾后續(xù)圖像處理。為了在保護(hù)圖像邊緣信息的同時(shí)盡可能消除目標(biāo)圖像中的孤立噪聲點(diǎn),使用OpenCV庫(kù)中的中值濾波方法對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理。中值濾波法是基于排序統(tǒng)計(jì)理論的一種能有效抑制噪聲的非線性信號(hào)處理技術(shù),它將每一像素點(diǎn)的灰度值設(shè)置為該點(diǎn)某鄰域窗口內(nèi)所有像素點(diǎn)灰度值的中值?；叶葓D像通常以二維矩陣的形式存儲(chǔ),對(duì)于每一個(gè)像素點(diǎn)Xi,j,在以該點(diǎn)為中心的N階(N為奇數(shù))矩陣中,取所有像素值的中值Yi,j作為該點(diǎn)濾波后的值,用式(3)表示:

Yi,j=Median{Xi+k,j+k|k∈Z,-N≤k≤N}

(3)

濾波后的圖像保存了邊緣的有效信息,同時(shí)減少了噪聲的干擾,但由于大部分火焰的透射性和等離子體狀態(tài),使得火焰邊緣到空間的像素值變化沒(méi)有明顯的躍遷,這在灰度圖中表現(xiàn)為火焰邊緣的亮度逐漸平緩,這種現(xiàn)象給后續(xù)的邊緣檢測(cè)帶來(lái)困難。

為使圖像顯示出更明顯的對(duì)比效果,將濾波后的圖像進(jìn)行二值化處理。圖像二值化是將圖像的像素值按照閾值設(shè)置為0或255的過(guò)程,如式(4)所示:

(4)

式中:dst(x,y)為二值化后的像素值,(x,y)表示像素點(diǎn)的坐標(biāo)位置;scr(x,y)為位于x行y列處像素的原始像素值。對(duì)任一在x行y列的像素點(diǎn),dst(x,y)由其原像素值scr(x,y)和人工設(shè)置的閾值threshold的大小關(guān)系決定,當(dāng)原始像素值大于threshold時(shí)則將其更改為255,否則更改為0,最終得到一張黑白色的二值化圖像。OpenCV庫(kù)中提供了自適應(yīng)閾值方法,它可以根據(jù)每張圖像的實(shí)際效果自動(dòng)設(shè)置最合適的閾值,為圖像的二值化處理帶來(lái)了極大的方便,圖5展示了將一張彩色火焰圖像轉(zhuǎn)換為灰度圖并進(jìn)行濾波和二值化操作后的效果。

圖5 火焰圖形Fig.5 Flame image processing

邊緣檢測(cè)的目的是識(shí)別出圖像中亮度變化明顯的點(diǎn),在圖像中,這些發(fā)生顯著變化的點(diǎn)通常反映了重要的事件和變化,如深度上的不連續(xù)、表面方向上的不連續(xù)、場(chǎng)景亮度值的變化等。經(jīng)過(guò)二值化處理后的火焰圖像在火焰處像素值都為255,空間處像素值都為0,火焰邊緣和空間之間像素值有了明顯躍遷,使得邊緣檢測(cè)操作更為精確。經(jīng)過(guò)邊緣檢測(cè)的圖像大大減少了數(shù)據(jù)量,剔除了火焰內(nèi)部和空間中的不必要信息點(diǎn),僅保留了火焰的框架結(jié)構(gòu)屬性。OpenCV庫(kù)提供了Prewitt算子、Sobel算子、Canny算子、Laplacian算子等多種邊緣檢測(cè)算子,不同的邊緣檢測(cè)算子在不同場(chǎng)景下的檢測(cè)效果各有優(yōu)勢(shì)。經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)綜合對(duì)比,本文最終使用Sobel算子進(jìn)行邊緣檢測(cè)操作。通過(guò)邊緣檢測(cè)得到的圖像通常還會(huì)存在各種干擾數(shù)據(jù),如在內(nèi)部包含的紋理和噪聲數(shù)據(jù),火焰?zhèn)鞑r(shí)遠(yuǎn)離火焰整體的微小火焰等。輪廓檢測(cè)可以在邊緣檢測(cè)的基礎(chǔ)上選取合適的邊緣作為處理對(duì)象,它可以沿著邊界連接所有顏色或強(qiáng)度相同的連續(xù)點(diǎn)。通常對(duì)于火焰這種紋理復(fù)雜的圖像,選取最外層的最大連續(xù)輪廓作為火焰的鋒面位置,繪制的輪廓將只包含外部的點(diǎn)集而不包含內(nèi)部的紋理,如圖6所示。

圖6 火焰圖形處理Fig.6 Flame image processing

2.2.2 計(jì)算方法

本文研究了TiH2粉塵在開(kāi)放空間無(wú)約束和半開(kāi)放管道約束條件下的兩種火焰?zhèn)鞑ツＰ?。在開(kāi)放空間無(wú)約束火焰?zhèn)鞑ツＰ椭?為避免豎直方向重力和浮力的影響,選取水平方向的火焰?zhèn)鞑檠芯繉?duì)象;在半開(kāi)放管道約束火焰?zhèn)鞑ツＰ椭?選取沿管道軸向的火焰?zhèn)鞑檠芯繉?duì)象。通過(guò)研究點(diǎn)火電極到火焰前鋒面的距離隨時(shí)間的變化情況,得到火焰?zhèn)鞑サ乃俣群图铀俣?。OpenCV庫(kù)提供了以輪廓為輸入?yún)?shù)并以包含該輪廓的最小矩形框坐標(biāo)為輸出的方法,對(duì)輪廓檢測(cè)后的火焰求其最小外接矩形,可獲得矩形框左上角點(diǎn)的坐標(biāo)(x,y)、矩形框的高h(yuǎn)和寬w,該矩形框的一邊即為火焰前鋒的位置,通過(guò)x、y、w、h即可求得火焰前鋒處等高線所在的坐標(biāo)。

需要注意的是,通過(guò)代碼計(jì)算得到的坐標(biāo)是該輪廓在圖像中的像素單位,為得到其真實(shí)的長(zhǎng)度,需要進(jìn)行標(biāo)定實(shí)驗(yàn)。如圖7所示,標(biāo)定實(shí)驗(yàn)采用一個(gè)發(fā)光的正方體作為參照物,正方體的真實(shí)邊長(zhǎng)Lt可以通過(guò)測(cè)量得知,拍攝時(shí)距離、焦距等參數(shù)當(dāng)與實(shí)驗(yàn)時(shí)保持一致。對(duì)拍攝到的標(biāo)定物進(jìn)行邊緣檢測(cè)和輪廓面積計(jì)算,得到其像素邊長(zhǎng)Lp。

圖7 長(zhǎng)度比例標(biāo)定實(shí)驗(yàn)Fig.7 Length proportional calibration experiment

標(biāo)定系數(shù)由標(biāo)定物的真實(shí)邊長(zhǎng)Lt和像素邊長(zhǎng)Lp的比值表述,如式(5)所示:

(5)

開(kāi)放空間無(wú)約束和半開(kāi)放管道約束條件下的火焰?zhèn)鞑ツＰ椭?每幀相片之間的半徑變化量或火焰高度變化量都表達(dá)了火焰前鋒的位移變化,每張相片之間的時(shí)間間隔由拍攝時(shí)的幀率決定。用ΔL表示兩張圖像之間火焰前鋒的位移變化量,Δt表示兩張圖像的時(shí)間間隔,表示火焰在Δt時(shí)間間隔內(nèi)的傳播速度,Δv表示Δt時(shí)間間隔內(nèi)火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊淖兓?ɑt表示火焰在Δt時(shí)間間隔內(nèi)的加速度,則vt和ɑt分別表示為

(6)

(7)

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 開(kāi)放空間內(nèi)TiH2粉塵火焰特征

利用開(kāi)放式哈特曼管,研究開(kāi)放空間內(nèi)TiH2粉塵云的火焰特征。圖8為濃度為500 g/m3的TiH2粉塵云火焰自由傳播過(guò)程,圖9為利用基于比色測(cè)溫原理的Python程序計(jì)算得到的TiH2粉塵云火焰溫度動(dòng)態(tài)分布云圖(與圖8的過(guò)程一一對(duì)應(yīng))。由圖9可知,火焰發(fā)展初期(0～20 ms)呈球形傳播且總體溫度較后期穩(wěn)定燃燒時(shí)要低,隨著火焰面的向外傳播,火焰前鋒面的溫度最高,而越接近火焰中心,溫度逐漸降低。造成這種現(xiàn)象的原因是,火焰前鋒為燃燒反應(yīng)區(qū),O2濃度更高,TiH2粉塵燃燒的更加充分,釋放的熱量更多。此外,TiH2粉塵云火焰?zhèn)鞑囟仍茍D可以看到,沿豎直方向火焰下方的溫度較上方高,而粉塵濃度梯度是造成溫度不均勻的主要原因[19]。

圖8 敞開(kāi)空間內(nèi)TiH2粉塵云火焰?zhèn)鞑ジ咚贁z像Fig.8 High-speed camera photos of TiH2 dust cloud flame propagated in an open space

圖9 敞開(kāi)空間內(nèi)TiH2粉塵云(500 g/m3)火焰?zhèn)鞑ジ咚俣S溫度動(dòng)態(tài)分布Fig.9 High-speed two-dimensional dynamic temperature distribution maps of TiH2 dust cloud (500 g/m3) flame in an open space

為研究粉塵濃度對(duì)TiH2粉塵云火焰特征的影響,分別計(jì)算了TiH2粉塵云濃度分別為500 g/m3、667 g/m3、833 g/m3和1 000 g/m3時(shí)火焰溫度動(dòng)態(tài)分布云圖以及火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x、速度和加速度的時(shí)程曲線,如圖10所示。實(shí)驗(yàn)中粉塵濃度500 g/m3、667 g/m3、83 g/m3和1 000 g/m3分別對(duì)應(yīng)的TiH2粉末質(zhì)量為0.6 g、0.8 g、1.0 g和1.2 g。圖10(a)表明,TiH2粉塵火焰溫度在2 150～2 400 K范圍內(nèi),隨著粉塵濃度的增加,火焰溫度呈下降趨勢(shì)。分析認(rèn)為,開(kāi)放空間內(nèi)氧氣充足,在粉塵顆粒粒徑相同和火焰?zhèn)鞑ニ俣冉频那闆r下,粉塵濃度越大,未燃燒顆粒粉塵吸收的熱量越多,從而導(dǎo)致濃度高的粉塵云火焰溫度反而相對(duì)較低。圖10(b)為火焰自由傳播的距離隨時(shí)間的變化曲線,在該曲線的基礎(chǔ)上可以得到開(kāi)放空間火焰?zhèn)鞑サ乃俣群图铀俣惹€。 圖10(c)和圖10(d)表明,在粉塵云燃燒初期(0～20 ms),四種濃度下的粉塵火焰?zhèn)鞑ニ俣群图铀俣冉葡嗟?在粉塵云燃燒后期(20～40 ms),高濃度的粉塵火焰?zhèn)鞑ニ俣群图铀俣认鄬?duì)較大,這是因?yàn)殚_(kāi)放空間中的氧氣充足,高濃度粉塵在火焰?zhèn)鞑ズ笃趨⑴c燃燒的顆粒多,釋放的熱量大,因而其火焰?zhèn)鞑ニ俣群图铀俣纫搽S之增大。

圖10 敞開(kāi)空間內(nèi)不同濃度TiH2粉塵云火焰參數(shù)隨時(shí)間變化Fig.10 Flame parameters of TiH2 dust with different concentrations varying with time in an open space

圖11 濃度833 g/m3的TiH2和Ti粉塵云火焰參數(shù)對(duì)比Fig.11 Comparison of flame parameters of TiH2 dust and Ti dust at 833 g/m3 concentration

TiH2顆粒受熱會(huì)釋放出氫氣,其內(nèi)部的氫元素從化合態(tài)變成游離態(tài)[11]。為研究TiH2中氫元素對(duì)其火焰特征的影響,對(duì)比研究了濃度為833 g/m3的TiH2和Ti粉塵云火焰溫度和傳播速度情況。如圖11(a)所示,相同濃度下TiH2粉塵云初期溫度會(huì)低于Ti粉塵云,這是TiH2顆粒的分解反應(yīng)吸熱造成的,其最高溫度略低于Ti粉塵云,但是由于氫氣使TiH2顆粒的間隙效應(yīng)消失且氫氣的燃燒速度遠(yuǎn)高于Ti顆粒,TiH2粉塵云達(dá)到最高溫度的時(shí)間短,并且由于單位質(zhì)量的氫氣釋放出的熱量遠(yuǎn)大于Ti粉[12],TiH2粉塵云溫度下降較Ti粉塵云更加緩慢。 圖11(b)顯示同等粒徑和濃度的TiH2和Ti粉塵云火焰?zhèn)鞑ニ俣确謩e在1.5～5.8 m/s和0.4～0.6 m/s之間波動(dòng),TiH2粉塵云的火焰?zhèn)鞑ニ俣仁荰i粉塵云的近10倍,同樣是因?yàn)闅錃馐筎iH2顆粒的間隙效應(yīng)消失且其火焰?zhèn)鞑ニ俣冗h(yuǎn)高于Ti顆粒,從而導(dǎo)致整個(gè)TiH2粉塵云系統(tǒng)的火焰?zhèn)鞑ニ俣仍黾印?/p>

3.2 管道內(nèi)TiH2粉塵火焰特征

利用半開(kāi)放式哈特曼管,研究了管道內(nèi)TiH2粉塵云的火焰特征。圖12為濃度為896 g/m3的TiH2粉塵云火焰在哈特曼管中傳播的高速攝像圖,圖13為與之一一對(duì)應(yīng)的火焰溫度動(dòng)態(tài)分布云圖。由圖12 可知,火焰發(fā)展初期(0～6 ms)呈球形傳播,隨后由于管壁徑向的約束作用,后期火焰只向上方傳播。由圖13可知,火焰?zhèn)鞑コ跗诘目傮w溫度較后期穩(wěn)定燃燒時(shí)要低200 K左右,這是因?yàn)榛鹧嫒紵袀€(gè)成長(zhǎng)加速期。此外,與開(kāi)放空間粉塵火焰的溫度分布特征不同,隨著火焰向上傳播,管內(nèi)火焰前鋒面的溫度低于內(nèi)部溫度,從上往下呈現(xiàn)溫度依次增高的趨勢(shì)。這是因?yàn)楣芈茼敳康募埌鍥](méi)有被沖破前,系統(tǒng)一直處于密封狀態(tài),燃燒產(chǎn)生的熱量和燃燒波向下傳播,并且由于重力作用,底部的粉塵濃度較上部高,因而越往下燃燒產(chǎn)生的熱量越多,溫度也就越高。

圖12 管道內(nèi)TiH2粉塵云火焰?zhèn)鞑ジ咚贁z像Fig.12 High-speed camera photos of TiH2 dust cloud flame propagated in a tube

圖13 管道內(nèi)TiH2粉塵云火焰?zhèn)鞑ジ咚俣S溫度動(dòng)態(tài)分布Fig.13 High-speed two-dimensional dynamic temperature distribution maps of TiH2 dust cloud flame propagated in a tube

圖14展示了管道內(nèi)TiH2粉塵云濃度分別為538 g/m3、712 g/m3、896 g/m3和1 076 g/m3時(shí),火焰溫度動(dòng)態(tài)分布云圖以及火焰距離、傳播速度和加速度的時(shí)程曲線。實(shí)驗(yàn)中粉塵濃度538 g/m3、712 g/m3、896 g/m3和1 076 g/m3分別對(duì)應(yīng)的TiH2粉末質(zhì)量為0.6 g、0.8 g、1.0 g和1.2 g。圖14(a)表明,不同濃度TiH2粉塵火焰溫度在2 200～2 500 K范圍內(nèi),且穩(wěn)定燃燒后的溫度都在2 430 K左右,說(shuō)明管道內(nèi)粉塵濃度對(duì)溫度的影響不大。分析認(rèn)為,在哈特曼管頂部的紙板沒(méi)有被沖破前,雖然系統(tǒng)內(nèi)的氧氣含量有限,但理論計(jì)算結(jié)果表明最佳的粉塵濃度為 1 489 g/m3,說(shuō)明實(shí)驗(yàn)中的氧氣含量足夠,因此,密閉空間中熱量的積累是導(dǎo)致不同濃度粉塵云后期火焰溫度相同的主要原因。圖14(b)是管道內(nèi)火焰向上傳播的距離隨時(shí)間的變化曲線,從圖中可以看到火焰?zhèn)鞑サ某跗?0～6 ms),由于火焰尚沒(méi)有受到管道側(cè)壁的約束,不同濃度的粉塵火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x隨時(shí)間的變化曲線幾乎重合,后期由于管壁的約束和粉塵濃度的影響,不同濃度粉塵的火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x開(kāi)始加速變化,并呈現(xiàn)出不同的趨勢(shì)。圖14(c)和圖14(d)表明,在粉塵云燃燒初期(0～6 ms),4種濃度下TiH2粉塵火焰的傳播速度和加速度近似相等,而在粉塵云燃燒后期(6～20 ms),粉塵的濃度越高,其火焰?zhèn)鞑ニ俣群图铀俣乳_(kāi)始加速變化的時(shí)間越早;濃度為538 g/m3、712 g/m3、896 g/m3和 1 076 g/m3的TiH2粉塵云火焰沖破頂部紙板時(shí)間分別為 18 ms、14 ms、11 ms和9 ms,說(shuō)明在有限長(zhǎng)度的管道內(nèi),粉塵濃度越大,火焰?zhèn)鞑サ巾敳啃枰臅r(shí)間越短。密閉管道內(nèi)含氧量充足,高濃度的粉塵可以減小顆粒和顆粒之間的間隙效應(yīng),其傳熱速率較低濃度的粉塵要快,因而會(huì)更早出現(xiàn)火焰加速的現(xiàn)象[20]。

圖14 管道內(nèi)不同濃度TiH2粉塵云火焰參數(shù)隨時(shí)間變化Fig.14 Flame parameters of TiH2 dust with different concentrations varying with time in a tube

此外,通過(guò)比較相同質(zhì)量(濃度)TiH2粉塵在開(kāi)放空間和管道內(nèi)的火焰參數(shù)可知,管道內(nèi)TiH2粉塵云的穩(wěn)定火焰溫度較開(kāi)放空間要高50～210 K,其火焰?zhèn)鞑ニ俣仁情_(kāi)放空間的6～15倍,而在實(shí)驗(yàn)給定的TiH2粉塵濃度下兩種裝置中的氧氣含量充足,分析認(rèn)為,導(dǎo)致上述情況的主要原因是火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程中管道的熱量積累和管壁約束作用。

4 結(jié)論

本文采用開(kāi)放式和半開(kāi)放式哈特曼管研究了TiH2粉塵在無(wú)約束和約束條件下的火焰?zhèn)鞑ズ蜏囟葎?dòng)態(tài)分布情況。得到以下主要結(jié)論:

1)開(kāi)放空間內(nèi),TiH2粉塵云的火焰溫度在2 150～2 400 K范圍內(nèi);相同濃度下TiH2粉塵云溫度下降較Ti粉塵云更加緩慢,其爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣仁荰i粉塵云的近10倍。

2)管道受限空間內(nèi),TiH2粉塵濃度越大,爆炸火焰的傳播速度越大,但不同濃度粉塵云穩(wěn)定燃燒后的溫度都在2 430 K左右。

3)基于Hamilton插值算法的比色測(cè)溫方法,可以實(shí)現(xiàn)爆炸瞬態(tài)火焰溫度場(chǎng)的動(dòng)態(tài)重構(gòu),通過(guò)高速圖像二值化處理和輪廓檢測(cè)技術(shù),可準(zhǔn)確測(cè)量火焰?zhèn)鞑サ乃俣群图铀俣取?/p>