氣／固／液三相混合物燃燒轉爆轟過程實驗研究*

蔣 麗，白春華，劉慶明

（1.北京理工大學爆炸科學與技術國家重點實驗室，北京 100081；

2.中國民航管理干部學院，北京 100102）

氣／固／液三相混合物燃燒轉爆轟過程實驗研究*

蔣 麗1，2，白春華1，劉慶明1

（1.北京理工大學爆炸科學與技術國家重點實驗室，北京 100081；

2.中國民航管理干部學院，北京 100102）

利用多相燃燒爆炸實驗系統，通過高壓噴粉／噴霧以及高能點火等過程，對化學當量比條件下3種典型燃料空氣炸藥，即硝基甲烷／鋁粉／空氣、硝酸異丙酯／鋁粉／空氣、乙醚／鋁粉／空氣三相混合物的燃燒轉爆轟過程進行了實驗研究，同時根據實驗結果對比了3種三相混合物的燃爆性能。得到了三相懸浮混合物燃燒轉爆轟過程的宏觀規律以及三相混合物燃爆性能隨質量濃度變化的規律。

爆炸力學；燃爆性能；燃燒轉爆轟；氣／固／液三相混合物；燃料空氣炸藥

1 引 言

20世紀50年代末60年代初，美國就開始了對爆炸場壓力高、沖量大、殺傷威力強的燃料空氣炸藥（fuel air explosive，簡稱FAE）的研究。FAE武器主要工作原理是FAE燃料經過拋撒，與周圍空氣迅速混合，形成均勻的多相混合云霧，在適當的能量激勵下發生爆轟，利用產生的爆轟波、沖擊波、地震波、輻射熱等效應對目標進行毀傷。經過不斷的摸索，學者們一致認為：FAE燃料主要由液態燃料（如硝基甲烷、硝酸異丙酯、乙醚、環氧丙烷、環氧乙烷等）、固態燃料（如鋁粉、鎂粉等）以及敏化劑組成。

隨著研究的不斷深入，進一步提高FAE武器的性能成為研究的熱點。F.Sauer等［1］、R.T.Sedgwick等［2］、惠君明等［3－5］、張陶等［6－7］、王文京［8］、熊祖釗等［9］對爆炸場超壓分布進行了理論計算和實驗研究、對爆炸威力進行了評估。本文中利用大型水平多相燃燒轉爆轟系統，在當量比條件下，對3種典型FAE燃料（硝基甲烷／鋁粉／空氣、硝酸異丙酯／鋁粉／空氣、乙醚／鋁粉／空氣）的燃燒轉爆轟過程進行實驗研究。并在氣／固兩相［10－17］、氣／液兩相［18－22］混合物燃燒轉爆轟過程研究的基礎上，對氣／固／液三相混合物的燃燒轉爆轟過程進行分析，揭示氣／固／液三相混合云霧燃燒轉爆轟的內在規律，同時分析不同種類三相混合物燃爆性能之間的差異。

2 實驗系統介紹

實驗系統主要包括水平多相燃燒爆炸管、噴霧／噴粉系統、點火系統、測試系統、控制系統等。水平多相燃燒爆炸管內徑為0.2m，總長28m，中間用法蘭盤連接。在管道兩側以0.7m的間距均勻裝有40套噴粉／噴霧揚塵系統。在管道上方均勻布置有測試孔，間距為0.7m。整條實驗管道的一端由法蘭盤密封，另一端與體積為13m3的泄壓罐相連，全部管道安放在組合支架上。噴粉、噴霧系統能夠確保在水平燃燒爆炸管內形成均勻彌散、懸浮時間達到秒級的混合云霧；點火過程為DX高能點火，發火電壓約2kV，單次儲能40J；測試系統由Kistler壓電式傳感器、適配器、數據采集系統組成，用于測試氣／固／液三相混合云霧在燃燒轉爆轟過程中的瞬態壓力；控制系統用于控制噴射系統的開啟、點火。實驗系統的詳細介紹見文獻［23］。

3 實驗結果及分析

利用上述實驗裝置進行當量比條件下的硝基甲烷／鋁粉／空氣、硝酸異丙酯／鋁粉／空氣、乙醚／鋁粉／空氣三相混合物燃燒轉爆轟過程的研究。實驗用鋁粉為片狀，蓋水面積0.7m2／g，活性鋁質量分數不小于82%，粒度分布為當篩網孔徑為45μm時，篩上料（質量分數）不大于0.5%，篩網孔徑為56μm時，篩上料（質量分數）不大于0.3%。硝基甲烷、硝酸異丙酯、乙醚均是從市場購買的分析純。當量比條件下硝基甲烷／鋁粉／空氣、硝酸異丙酯／鋁粉／空氣、乙醚／鋁粉／空氣中可燃液體的質量濃度分別為458、324、162g／m3，鋁粉的質量濃度為473g／m3。

3.1 當量比條件下硝基甲烷／鋁粉／空氣三相混合物燃燒轉爆轟過程

在實驗過程中，噴霧、噴粉壓力均為0.8MPa，點火延遲為380ms，點火條件為電火花引燃管道左端2.1m范圍內濃度為391g／m3的環氧丙烷／空氣兩相云霧，用環氧丙烷／空氣兩相混合云霧燃燒產生的平面波引燃硝基甲烷／鋁粉／空氣三相懸浮混合物。布置在水平燃燒爆炸管內壁面不同點處的壓力傳感器一共15個，距管道左端分別為2.45、3.85、5.25、6.65、8.05、9.45、10.85、12.25、13.65、17.15、19.25、21.35、23.45、25.55和27.65m，用來測試三相混合物燃燒轉爆轟過程中的瞬態壓力。

表1為上述條件下，當量比濃度的硝基甲烷／鋁粉／空氣三相混合云霧燃燒轉爆轟過程實驗測試結果，表中x為壓力傳感器距管道左端距離、pmax為峰值超壓、t為引導沖擊波到達時間、vi為平均速度、vi＝（xi＋1－xi）／（ti＋1－ti），i表示實驗序號。表1揭示了硝基甲烷／鋁粉／空氣三相懸浮云霧燃燒轉爆轟（DDT）的宏觀過程。

表1 當量比條件下硝基甲烷／鋁粉／空氣三相混合物爆轟參數實驗結果Table 1 Experimental results of DDT process in stoichiometric nitromethane／aluminum powder／air mixture

當電火花點燃環氧丙烷云霧時，火花周圍的云霧顆粒處于高溫狀態，云霧顆粒表面發生剝離、破碎、霧化，隨后發生蒸發、擴散，以氣相反應的形式進行燃燒，點火過程得以維持自動傳播。起初，燃燒速度非常低。隨著燃燒產物的膨脹，在燃燒陣面前產生一個壓縮波，因此形成了前驅壓縮波陣面和火焰陣面兩波三區結構。由于是電火花點火，火焰以及前驅的壓縮波都是以球面的形式向外傳播的。當碰到管壁時，管壁使前驅壓縮波運動受阻，管壁附近處流場湍流強度驟然增大，且在此出現回流區，并使得火焰面發生變形，以反射波的形式快速經過點火頭下端未燃區域，并最終以平面波的形式向硝基甲烷／鋁粉／空氣三相懸浮云霧區域流動。

當環氧丙烷燃燒產生的前驅壓縮平面波進入硝基甲烷／鋁粉／空氣三相懸浮混合物區域時，就會形成一個衰減的透射波。透射波過后，就會壓縮周圍的硝基甲烷霧滴以及片狀鋁粉顆粒，使得硝基甲烷霧滴進一步霧化后蒸發，鋁粉表面熔化、蒸發、汽化，最終導致硝基甲烷／鋁粉／空氣三相混合物以氣相的形式進行燃燒。燃燒產物膨脹壓縮周圍介質形成了壓縮波，且與化學反應互相耦合，使得壓縮波不斷增強。因此，在距離點火端2.45～6.65m之間，由于壓縮波的形成，壓力有所上升，但上升速度緩慢，在6.65m處，壓力僅為0.85MPa；當壓縮波傳播到8.05m處時，壓力突躍到1.32MPa，壓縮波在此處得到了增強；直到9.45m處，壓力為1.65MPa，此刻速度達到1.35km／s，反應壓縮過程結束，進入過渡過程。此后，燃燒過程由緩慢的反應壓縮階段進入過渡過程，燃燒速度突然從1.35km／s增加到2.13km／s，燃燒產物迅速膨脹導致反應區內壓力從1.65MPa降低到1.12MPa，過渡過程結束。隨后進入快速的反應沖擊階段，由于化學反應與沖擊波耦合加劇，導致反應速率加快，燃燒管內壓力逐漸升高，直到在測點21.35m處，測試所得的超壓峰值達到最大值3.85MPa，爆轟波速度也達到了1.94km／s，過壓爆轟狀態出現。隨后，爆轟波速度逐漸趨于穩定，火焰陣面追趕上了爆轟波陣面，自持穩定的爆轟過程得以實現。

從表1可以看出，爆炸峰值超壓在21.35m（長徑比L／D＝107）處達到最大值3.85MPa，具有明顯的爆轟特征。

同時，在相同的實驗條件下，還分別進行了當量比條件下硝酸異丙酯／鋁粉／空氣、乙醚／鋁粉／空氣三相混合物燃爆實驗，實驗結果一致表明，氣／固／液三相混合物燃燒轉爆轟的宏觀過程主要包括反應壓縮過程、過渡過程、反應沖擊過程以及爆轟過程。

3.2 不同三相混合物燃爆性能對比

為了對比不同FAE燃料的燃爆性能，將上述3種實驗結果進行分析。圖1、2分別為3種三相混合物在燃爆過程中，爆轟超壓峰值、爆轟波速度沿管長的分布。

圖1 3種三相混合物燃爆過程中爆轟超壓峰值沿管長的分布Fig.1Maximum overpressure peak with propagation distance during the DDT process in 3stoichiometric gas／solid／liquid mixtures

圖2 3種三相混合物燃爆過程中爆轟波速度沿管長的分布Fig.2 Wave velocity with distance during the DDT process in 3stoichiometric gas／solid／liquid mixtures

從圖1可以看出，3種三相混合物的燃爆過程均經歷了反應壓縮過程、過渡過程、反應沖擊過程以及爆轟過程。從爆轟成長過程來看，硝基甲烷／鋁粉／空氣、硝酸異丙酯／鋁粉／空氣、乙 醚／鋁 粉／空 氣 分 別 在 21.35m（L／D ＝106.75）處、19.25m（L／D ＝96.25）處、17.15m（L／D＝85.75）處達到了爆轟狀態。

從圖2可以看出，與硝酸異丙酯／鋁粉／空氣、乙醚／鋁粉／空氣三相混合物相比，硝基甲烷／鋁粉／空氣三相混合物爆轟波速度在過壓爆轟趨于穩定后，震蕩較大，主要是由于硝基甲烷／鋁粉／空氣三相混合物還未達到穩定爆轟狀態，而硝酸異丙酯／鋁粉／空氣、乙醚／鋁粉／空氣三相混合物均已達到穩定爆轟狀態。原因可能是，在標準狀態下，硝基甲烷閃點較高（35℃），飽 和 蒸 汽 壓 較 低 （3.71kPa），粘 度 較 高（648g／s），而硝酸異丙酯、乙醚的閃點相對較高（分別為12℃、－45℃），飽和蒸汽壓也相對較高，粘度較低。所以在相同的噴霧條件下，硝酸異丙酯、乙醚相較硝基甲烷來說，易在管道內形成均勻穩定的懸浮混合云霧，閃點較低也易于發生燃燒爆炸，易于達到穩定爆轟。實驗用的水平管道長28m，管徑200mm，因此直到管內27.65m（長徑比L／D＝138.25）處，硝基甲烷／鋁粉／空氣混合物爆轟波速度較硝酸異丙酯／鋁粉／空氣、乙醚／鋁粉／空氣混合物，波動比較大，尚未達到穩定爆轟狀態。

硝基甲烷／鋁粉／空氣、硝酸異丙酯／鋁粉／空氣、乙醚／鋁粉／空氣三相混合物的質量濃度分別為465、399、318g／m3，對應的穩定爆轟波速度分別為1.63、1.68、1.75km／s，由此可以看出，隨著三相混合物質量濃度的減小，穩定爆轟波速度增大。

4 結 論

（1）大型水平管道三相混合物DDT的宏觀過程主要包括反應壓縮過程、過渡過程、反應沖擊過程以及爆轟過程。（2）大型水平管道三相混合物燃爆實驗中，混合物質量濃度越小，穩定爆轟波速度越大。

［1］Sauer F，Stubbs T.Application of FAE technology to the design of nuclear air-blast simulation experiments［R］.AD-A047385，1977.

［2］Sedgwick R T，Krata H R.Fuel air explosives：A parametric investigation［R］.AD-A159 177，1976.

［3］惠君明，劉榮海，葛桂蘭.提高FAE威力的研究（Ⅰ）——高能量燃料的選擇［J］.南京理工大學學報，1995，19（5）：472-476.

HUI Jun-ming，LIU Rong-hai，GE Gui-lan.Study on increasing the power of FAE（Ⅰ）－Selection of high energy fuels［J］.Journal of Nanjing University of Science and Technology，1995，19（5）：472-476.

［4］惠君明，張正才.提高FAE威力的研究（Ⅱ）——云霧起爆與爆轟的討論［J］.南京理工大學學報，1995，19（6）：493-496.

HUI Jun-ming，ZHANG Zheng-cai.Study on increasing the power of FAE（Ⅱ）－The discussion of cloud initiation and detonaton［J］.Journal of Nanjing University of Science and Technology，1995，19（6）：493-496.

［5］惠君明，劉榮海，彭金華，等.燃料空氣炸藥威力的評價方法［J］.含能材料，1996，4（3）：123-128.

HUI Jun-ming，LIU Rong-hai，PENG Jin-hua，et al.An evaluation method of FAE power［J］.Energetic Materials，1996，4（3）：123-128.

［6］張陶，惠君明，楊東來，等.云霧爆炸場超壓的威力研究［J］.彈道學報，2003，15（3）：33-37.

ZHANG Tao，HUI Jun-ming，YANG Dong-lai，et al.Power investigation of overpressure on the FAE blast field［J］.Journal of Ballistics，2003，15（3）：33-37.

［7］張陶，惠君明，解立峰，等.FAE爆炸場超壓與威力的實驗研究［J］.爆炸與沖擊，2004，24（2）：176-181.

ZHANG Tao，HUI Jun-ming，XIE Li-feng，et al.Experimental research on the overpressure and power in the FAE blast field［J］.Explosion and Shock Waves，2004，24（2）：176-181.

［8］王文京.燃料空氣炸藥能量輸出的討論［J］.兵工學報火化工分冊，1995（2）：47-49.

WANG Wen-jing.Discussion of FAE power［J］.Journal of China Ordnance，1995（2）：47-49.

［9］熊祖釗，白春華，張奇，等.FAE武器威力評價方法探討［J］.爆破，2001，18（2）：83-86.

XIONG Zu-zhao，BAI Chun-hua，ZHANG QI，et al.Study on the evaluation methods of FAE-weapon strength［J］.Blasting，2001，18（2）：83-86.

［10］Friedman R，Macek A.Ignition and combustion of aluminum particles in hot ambient gases［J］.Combustion and Flame，1962，6：9219.

［11］Borisov A A，Khasatnov B A，Veyssiere B，et al.On detonation of aluminum dust in air and oxygen［J］.Soviet Journal of Chemical Physics，1992，10（2）：369-402.

［12］浦以康，胡山，李可意.粉塵火焰加速現象的實驗研究［J］.爆炸與沖擊，1995，15（2）：97-106.

PU Yi-kang，HU Shan，LI Ke-yi.Experimental studies on the Phenomena of dust flame acceleration［J］.Explosion and Shock Waves，1995，15（2）：97-106.

［13］Lee D，Sichel M.The chapman-jouguet condition structure of detonations in dust-oxidizer mixtures［C］∥Dynamics of Explosion，Vol.106，Progress in Astronautics and Aeronautics，AIAA.New York，1986：501-521.

［14］Zhang F，Murray S B，Gerrard K B.Aluminum particles-air detonation at elevated pressures［J］.Shock Waves，2006，15：313-324.

［15］洪滔，秦承森.爆轟波管中鋁粉塵爆轟的數值模擬［J］.爆炸與沖擊，2004，24（3）：97-106.HONG Tao，QIN Cheng-sen.Numerical simulation of dust detonation of aluminum powder in explosive tubes［J］.Explosion and Shock Waves，2004，24（3）：97-106.

［16］劉慶明，范寶春，陳志華，等.鋁粉湍流火焰誘導激波現象的實驗研究［J］.實驗力學，1997，12（3）：376-382.

LIU Qing-ming，FAN Bao-chun，CHEN Zhi-hua，et al.Experimental study on the shock wave induced by turbulent flame in aluminum dust-air mixture［J］.Journal of Experimental Mechanics，1997，12（3）：376-382.

［17］LIU Qing-ming，LI Xiao-dong，BAI Chun-hua.Deflagration to detonation transition in aluminum dust-air mixture under weakignition condition［J］.Combustion and Flame，2009（156）：914-921.

［18］Dabora E K，Ragland K W，Nicholls J A.Drop size effects in spray detonations［C］∥12th Symposium （International）on Combustion.Pittsburgh：Academic Press，1969：19-26.

［19］范寶春，姚海霞，陳志華，等.氣云爆轟［J］.氣動實驗與測量控制，1996，10（2）：9-16.

FAN Bao-chun，YAO Hai-xia，CHEN Zhi-hua，et al.Spray detonation［J］.Aerodynamic Experiment and Measurement ＆ Control，1996，10（2）：9-16.

［20］姚干兵，解立峰，劉家驄.液體碳氫燃料云霧爆轟特性的實驗研究［J］.爆炸與沖擊，2006，26（6）：543-549.

YAO Gan-bing，XIE Li-feng，LIU Jia-cong.Experimental study on detonation characteristics of liquid fuel-air mixtures［J］.Explosion and Shock Waves，2006，26（6）：543-549.

［21］宋述忠，彭金華，陳網樺，等.硝酸異丙酯與空氣混合物的爆轟性能研究［J］.爆破器材，2002，31（1）：4-6.

SONG Shu-zhong，PENG Jin-hua，CHEN Wang-hua，et al.Study on ignition and detonation properties of nitric ether-air mixture［J］.Explosive Materials，2002，31（1）：4-6.

［22］解立峰，劉家驄，果宏.三種燃料－空氣混合物爆轟的直接引爆實驗研究［J］.彈道學報，2002，14（3）：5-9.

XIE Li-feng，LIU Jia-cong，GUO Hong.Experimental study on the direct initiation of detonation in severalfuel-air mixtures［J］.Journal of Ballistics，2002，14（3）：5-9.

［23］李小東.固體燃料－空氣混合物爆炸過程研究［D］.北京：北京理工大學，2007.

Experimental study on DDT process in 3-phase suspensions of gas／solid particle／liquid mist mixture＊

JIANG Li1，2，BAI Chun-hua1，LIU Qing-ming1
（1.State Key Laboratory of Explosion Science and Technology，Beijing Institute of Technology，Beijing100081，China；
2.Civil Aviation Management Institute of China，Beijing100102，China）

The deflagration to detonation transition（DDT）processes in stoichiometric three-phase fuel／air explosives，which include nitromethane／aluminum powder／air，isopropyl nitrate／aluminum powder／air and ethyl ether／aluminum powder／air，were studied experimentally by using the multiphase combustion and detonation experimental system.And the combustion and detonation performances of different 3-phase mixtures were analyzed.The general regulation of the 3-phase mixture DDT was obtained.The results show that the combustion and detonation performances of the 3-phase mixture vary with the mass concentration.

mechanics of explosion；combustion and detonation performance；deflagration to detona-tion transition；gas／solid／liquid 3-phase mixture；fuel air explosive

18August 2009；Revised 4November 2009

JIANG Li，jiangli3199＠163.com

（責任編輯 曾月蓉）

O381；TJ41 國標學科代碼：130·35

A

1001-1455（2010）06-0588-05

2009-08-18；

2009-11-04

國家自然科學基金項目（10772032）

蔣 麗（1977— ），女，博士，講師。

Supported by the National Natural Science Foundation of China（10772032）