蒋 丽，白春华，刘庆明

（1.北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室，北京 100081；

2.中国民航管理干部学院，北京 100102）

气／固／液三相混合物燃烧转爆轰过程实验研究*

蒋 丽1，2，白春华1，刘庆明1

（1.北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室，北京 100081；

2.中国民航管理干部学院，北京 100102）

利用多相燃烧爆炸实验系统，通过高压喷粉／喷雾以及高能点火等过程，对化学当量比条件下3种典型燃料空气炸药，即硝基甲烷／铝粉／空气、硝酸异丙酯／铝粉／空气、乙醚／铝粉／空气三相混合物的燃烧转爆轰过程进行了实验研究，同时根据实验结果对比了3种三相混合物的燃爆性能。得到了三相悬浮混合物燃烧转爆轰过程的宏观规律以及三相混合物燃爆性能随质量浓度变化的规律。

爆炸力学；燃爆性能；燃烧转爆轰；气／固／液三相混合物；燃料空气炸药

1 引 言

20世纪50年代末60年代初，美国就开始了对爆炸场压力高、冲量大、杀伤威力强的燃料空气炸药（fuel air explosive，简称FAE）的研究。FAE武器主要工作原理是FAE燃料经过抛撒，与周围空气迅速混合，形成均匀的多相混合云雾，在适当的能量激励下发生爆轰，利用产生的爆轰波、冲击波、地震波、辐射热等效应对目标进行毁伤。经过不断的摸索，学者们一致认为：FAE燃料主要由液态燃料（如硝基甲烷、硝酸异丙酯、乙醚、环氧丙烷、环氧乙烷等）、固态燃料（如铝粉、镁粉等）以及敏化剂组成。

随着研究的不断深入，进一步提高FAE武器的性能成为研究的热点。F.Sauer等［1］、R.T.Sedgwick等［2］、惠君明等［3－5］、张陶等［6－7］、王文京［8］、熊祖钊等［9］对爆炸场超压分布进行了理论计算和实验研究、对爆炸威力进行了评估。本文中利用大型水平多相燃烧转爆轰系统，在当量比条件下，对3种典型FAE燃料（硝基甲烷／铝粉／空气、硝酸异丙酯／铝粉／空气、乙醚／铝粉／空气）的燃烧转爆轰过程进行实验研究。并在气／固两相［10－17］、气／液两相［18－22］混合物燃烧转爆轰过程研究的基础上，对气／固／液三相混合物的燃烧转爆轰过程进行分析，揭示气／固／液三相混合云雾燃烧转爆轰的内在规律，同时分析不同种类三相混合物燃爆性能之间的差异。

2 实验系统介绍

实验系统主要包括水平多相燃烧爆炸管、喷雾／喷粉系统、点火系统、测试系统、控制系统等。水平多相燃烧爆炸管内径为0.2m，总长28m，中间用法兰盘连接。在管道两侧以0.7m的间距均匀装有40套喷粉／喷雾扬尘系统。在管道上方均匀布置有测试孔，间距为0.7m。整条实验管道的一端由法兰盘密封，另一端与体积为13m3的泄压罐相连，全部管道安放在组合支架上。喷粉、喷雾系统能够确保在水平燃烧爆炸管内形成均匀弥散、悬浮时间达到秒级的混合云雾；点火过程为DX高能点火，发火电压约2kV，单次储能40J；测试系统由Kistler压电式传感器、适配器、数据采集系统组成，用于测试气／固／液三相混合云雾在燃烧转爆轰过程中的瞬态压力；控制系统用于控制喷射系统的开启、点火。实验系统的详细介绍见文献［23］。

3 实验结果及分析

利用上述实验装置进行当量比条件下的硝基甲烷／铝粉／空气、硝酸异丙酯／铝粉／空气、乙醚／铝粉／空气三相混合物燃烧转爆轰过程的研究。实验用铝粉为片状，盖水面积0.7m2／g，活性铝质量分数不小于82%，粒度分布为当筛网孔径为45μm时，筛上料（质量分数）不大于0.5%，筛网孔径为56μm时，筛上料（质量分数）不大于0.3%。硝基甲烷、硝酸异丙酯、乙醚均是从市场购买的分析纯。当量比条件下硝基甲烷／铝粉／空气、硝酸异丙酯／铝粉／空气、乙醚／铝粉／空气中可燃液体的质量浓度分别为458、324、162g／m3，铝粉的质量浓度为473g／m3。

3.1 当量比条件下硝基甲烷／铝粉／空气三相混合物燃烧转爆轰过程

在实验过程中，喷雾、喷粉压力均为0.8MPa，点火延迟为380ms，点火条件为电火花引燃管道左端2.1m范围内浓度为391g／m3的环氧丙烷／空气两相云雾，用环氧丙烷／空气两相混合云雾燃烧产生的平面波引燃硝基甲烷／铝粉／空气三相悬浮混合物。布置在水平燃烧爆炸管内壁面不同点处的压力传感器一共15个，距管道左端分别为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，用来测试三相混合物燃烧转爆轰过程中的瞬态压力。

表1为上述条件下，当量比浓度的硝基甲烷／铝粉／空气三相混合云雾燃烧转爆轰过程实验测试结果，表中x为压力传感器距管道左端距离、pmax为峰值超压、t为引导冲击波到达时间、vi为平均速度、vi＝（xi＋1－xi）／（ti＋1－ti），i表示实验序号。表1揭示了硝基甲烷／铝粉／空气三相悬浮云雾燃烧转爆轰（DDT）的宏观过程。

表1 当量比条件下硝基甲烷／铝粉／空气三相混合物爆轰参数实验结果Table 1 Experimental results of DDT process in stoichiometric nitromethane／aluminum powder／air mixture

当电火花点燃环氧丙烷云雾时，火花周围的云雾颗粒处于高温状态，云雾颗粒表面发生剥离、破碎、雾化，随后发生蒸发、扩散，以气相反应的形式进行燃烧，点火过程得以维持自动传播。起初，燃烧速度非常低。随着燃烧产物的膨胀，在燃烧阵面前产生一个压缩波，因此形成了前驱压缩波阵面和火焰阵面两波三区结构。由于是电火花点火，火焰以及前驱的压缩波都是以球面的形式向外传播的。当碰到管壁时，管壁使前驱压缩波运动受阻，管壁附近处流场湍流强度骤然增大，且在此出现回流区，并使得火焰面发生变形，以反射波的形式快速经过点火头下端未燃区域，并最终以平面波的形式向硝基甲烷／铝粉／空气三相悬浮云雾区域流动。

当环氧丙烷燃烧产生的前驱压缩平面波进入硝基甲烷／铝粉／空气三相悬浮混合物区域时，就会形成一个衰减的透射波。透射波过后，就会压缩周围的硝基甲烷雾滴以及片状铝粉颗粒，使得硝基甲烷雾滴进一步雾化后蒸发，铝粉表面熔化、蒸发、汽化，最终导致硝基甲烷／铝粉／空气三相混合物以气相的形式进行燃烧。燃烧产物膨胀压缩周围介质形成了压缩波，且与化学反应互相耦合，使得压缩波不断增强。因此，在距离点火端2.45～6.65m之间，由于压缩波的形成，压力有所上升，但上升速度缓慢，在6.65m处，压力仅为0.85MPa；当压缩波传播到8.05m处时，压力突跃到1.32MPa，压缩波在此处得到了增强；直到9.45m处，压力为1.65MPa，此刻速度达到1.35km／s，反应压缩过程结束，进入过渡过程。此后，燃烧过程由缓慢的反应压缩阶段进入过渡过程，燃烧速度突然从1.35km／s增加到2.13km／s，燃烧产物迅速膨胀导致反应区内压力从1.65MPa降低到1.12MPa，过渡过程结束。随后进入快速的反应冲击阶段，由于化学反应与冲击波耦合加剧，导致反应速率加快，燃烧管内压力逐渐升高，直到在测点21.35m处，测试所得的超压峰值达到最大值3.85MPa，爆轰波速度也达到了1.94km／s，过压爆轰状态出现。随后，爆轰波速度逐渐趋于稳定，火焰阵面追赶上了爆轰波阵面，自持稳定的爆轰过程得以实现。

从表1可以看出，爆炸峰值超压在21.35m（长径比L／D＝107）处达到最大值3.85MPa，具有明显的爆轰特征。

同时，在相同的实验条件下，还分别进行了当量比条件下硝酸异丙酯／铝粉／空气、乙醚／铝粉／空气三相混合物燃爆实验，实验结果一致表明，气／固／液三相混合物燃烧转爆轰的宏观过程主要包括反应压缩过程、过渡过程、反应冲击过程以及爆轰过程。

3.2 不同三相混合物燃爆性能对比

为了对比不同FAE燃料的燃爆性能，将上述3种实验结果进行分析。图1、2分别为3种三相混合物在燃爆过程中，爆轰超压峰值、爆轰波速度沿管长的分布。

图1 3种三相混合物燃爆过程中爆轰超压峰值沿管长的分布Fig.1Maximum overpressure peak with propagation distance during the DDT process in 3stoichiometric gas／solid／liquid mixtures

图2 3种三相混合物燃爆过程中爆轰波速度沿管长的分布Fig.2 Wave velocity with distance during the DDT process in 3stoichiometric gas／solid／liquid mixtures

从图1可以看出，3种三相混合物的燃爆过程均经历了反应压缩过程、过渡过程、反应冲击过程以及爆轰过程。从爆轰成长过程来看，硝基甲烷／铝粉／空气、硝酸异丙酯／铝粉／空气、乙 醚／铝 粉／空 气 分 别 在 21.35m（L／D ＝106.75）处、19.25m（L／D ＝96.25）处、17.15m（L／D＝85.75）处达到了爆轰状态。

从图2可以看出，与硝酸异丙酯／铝粉／空气、乙醚／铝粉／空气三相混合物相比，硝基甲烷／铝粉／空气三相混合物爆轰波速度在过压爆轰趋于稳定后，震荡较大，主要是由于硝基甲烷／铝粉／空气三相混合物还未达到稳定爆轰状态，而硝酸异丙酯／铝粉／空气、乙醚／铝粉／空气三相混合物均已达到稳定爆轰状态。原因可能是，在标准状态下，硝基甲烷闪点较高（35℃），饱 和 蒸 汽 压 较 低 （3.71kPa），粘 度 较 高（648g／s），而硝酸异丙酯、乙醚的闪点相对较高（分别为12℃、－45℃），饱和蒸汽压也相对较高，粘度较低。所以在相同的喷雾条件下，硝酸异丙酯、乙醚相较硝基甲烷来说，易在管道内形成均匀稳定的悬浮混合云雾，闪点较低也易于发生燃烧爆炸，易于达到稳定爆轰。实验用的水平管道长28m，管径200mm，因此直到管内27.65m（长径比L／D＝138.25）处，硝基甲烷／铝粉／空气混合物爆轰波速度较硝酸异丙酯／铝粉／空气、乙醚／铝粉／空气混合物，波动比较大，尚未达到稳定爆轰状态。

硝基甲烷／铝粉／空气、硝酸异丙酯／铝粉／空气、乙醚／铝粉／空气三相混合物的质量浓度分别为465、399、318g／m3，对应的稳定爆轰波速度分别为1.63、1.68、1.75km／s，由此可以看出，随着三相混合物质量浓度的减小，稳定爆轰波速度增大。

4 结 论

（1）大型水平管道三相混合物DDT的宏观过程主要包括反应压缩过程、过渡过程、反应冲击过程以及爆轰过程。（2）大型水平管道三相混合物燃爆实验中，混合物质量浓度越小，稳定爆轰波速度越大。

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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

（责任编辑 曾月蓉）

O381；TJ41 国标学科代码：130·35

A

1001-1455（2010）06-0588-05

2009-08-18；

2009-11-04

国家自然科学基金项目（10772032）

蒋 丽（1977— ），女，博士，讲师。

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