（安全技术及工程专业论文）激波与液体相互作用实验研究.pdf

a b s t r a c t 激波与液体相互作用实验研究 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , t h em o v i n gl a wo fi n s i d ea n do u t s i d ei n t e r f a c eo ft h el i q u i di nt h ee a r l y p h a s ed r o v e db ys h o c kw a v e ，t h ei n t e r a c t i o nb e t w e e ns h o c kw a v ea n df l u i df i l ma n dt h e i n t e r a c t i o nb e t w e e ns h o c kw a v ea n dd r o p l e tw e r es t u d i e de x p e r i m e n t a l l y t h er e s e a r c h s t r e s s e so nt h ec h a n g eo ft h ed e t o n m i o np r o d u c ta c t u a t i o nl i q u i dm e d i u mi n t e r f a c ea n dt h e o u t e rb o u n d a r y g e n e r a l i z e da n a l y s i st h ee x p e r i m e n t a ld a t ao fv a r i o u sp a r t s ，w ec a nd i s c o v e rt h r e e r u l e sa sf o l l o w s ：f i r s t l y ，t h ed e t o n a t i o np r o d u c td r i v e sl i q u i dm o v e m e n ti na i ra n dt h eo u t e r b o u n d a r yo fl i q u i ds h e e tt u r n st ob es t r i p p e da n dt h i n n i n gl a y e r - b y l a y e ra n dc h a n g e si n t o w a t e rf i l m s s e c o n d l y , t h ew a t e rf i l mh a st h ed i s t o r t i o nu n d e rt h es h o c kw a v ef u n c t i o n a n dt h ec o m b i n e da c t i o no ft h et r a n s m i s s i o ns h o c kw a v ea n dr e f l e c t e dw a v e sc a u s e st h e w a t e rf i l lt ob r e a ka n dh a v et h ea t o m i z a t i o n w h e nw a t e rf i l mt h i c k n e s si sc e r t a i n ，t h e w a t e rf i l md i s t o r t i o nt i m ei n c r e a s e sa l o n g 谢t ht h es h o c kw a v es t r e n g t hr e d u c e s ，b u tw h e n t h es h o c kw a v es t r e n g t hi sc e r t a i n ，t h ew a t e rf i l mb r e a kt i m ei n c r e a s e sa l o n g 谢mt h ew a t e r f i l m t h i c k n e s s t h i r d l y , t h e d i f f e r e n tb u b b l e d i s p l a y s t h ed i f f e r e n t d e f o r m a t i o n ， f r a g m e n t a t i o na n dt h ea t o m i z a t i o nu n d e rt h es a m ec o n d i t i o n ss h o c kw a v e t h ea v i a t i o n k e r o s e n e sd e f o r m a t i o n , f r a g m e n t a t i o na n dt h ea t o m i z a t i o ni se a s i e rt h a nt h e0 撑d i e s e lo i l m o r e o v e r , w em a ya l s oo b t a i nt h ef o l l o w i n gc o n c l u s i o n s ：t h ec o n f i g u r a t i o no ft h e l i q u i dl i n ks t a v e i n ga n dm i x i n gp r o c e s s ss u r f a c ec h a n g eh a v ec e r t a i ns i m i l a rr u l e s ：t h e s i m i l a rr u l e so ft h ea n o m a l o u ss h a p e sf r a c t a la n dt h em i x i n gz o n e sv a r i a t i o na l o n g 、) l ，i m t i m e t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a tu n d e rt h es a m ei n t e n s i t yw a v e s ，t h et e m p e r a t u r eo fe t h y l a l c o h o lr o s eq u i c k l yt h a nt h ew a t e r s ，a n dt h ee t h y la l c o h o li se a s i e rt ov a p o r i z e k e y w o r d s ：s h o c kw a v e ，e x p l o s i o nd i s p e r s a l ，f l u i df i l l ，d r o p l e t ，d e f o r m a t i o n ， f r a g m e n t a t i o n i i - 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：6 月脾e l 硕士论文 激波与液体相互作用实验研究 1 绪论 1 1 选题的科学意义和应用前景 气溶胶是指液体或固体微粒均匀地分散在气体中形成的相对稳定的悬浮体系，它 具有原介质的化学、物理特性且有特定的运动规律。气溶胶微粒可以是固体、液体或 固液混合体，按导电性能分为绝缘材料和导电材料两种。典型的绝缘材料有尘埃、水 雾、高岭土、滑石粉、碳酸钠等；许多金属材料粉末属于导电类气溶胶材料，如a l 、 c u 这类良导体的粉末，此外石墨粉也是一种良导体。这些气溶胶材料除民用的气象、 消防等外，还具有重要的军事用途。在现代战争中，气溶胶是一种重要的无源干扰材 料，由发烟器材向空气中施放大量的气溶胶微粒，可以形成气溶胶屏障，即烟幕。它 能够改变光波、电磁波在介质中的传输特性，从而对敌方光电探测、观瞄、制导武器 实施干扰，具有“隐真 和“示假”的双重功能。在未来的战争中，许多新概念的非 致命武器技术，如导电气溶胶和导电液溶胶、致使机动目标失效的气溶胶云团以及毁 伤光电传感器的气溶胶云团等，都需要气溶胶云团的形成技术和理论支持。 作为国家自然基金项目气溶胶云团形成过程的理论与实验研究中的一部分， 本文关注的是，液体介质以及它们的混合物，在气流或激波作用下的分散和运动、同 空气的混和以及气溶胶云团的形成。这是一个典型的多相流问题，具有极其重要的学 术和实用价值。而介质分散和气溶胶形成问题的核心是液滴或固体颗粒受到高速气流 或激波作用的变形和破碎机理。气溶胶云团的形成，如何对云团的形状和介质浓度控 制，则是实用技术中的关键。 爆轰波驱动下液体或固体微粒与空气、爆轰产物相混合而形成云团的过程，涉及 炸药爆轰、冲击波与介质相互作用、气溶胶介质变形、分裂、破碎、液滴与气体间的 相互作用、液滴加速、减速过程、蒸发、二次破碎、液滴与气体的热交换、湍流混合 以及相变等复杂过程。对这些过程的研究涉及到丰富的物理、数学知识，牵涉到多相 流体动力学、爆炸力学、弹塑性力学、计算力学和计算机科学等领域。通过对它的研 究，一方面有助于进一步从理论上认识爆轰波驱动下液体、固体微粒的抛撒过程，推 动军事技术和相关学科理论的发展；另一方面可将本项目的研究成果应用于工农业生 产和军事科研中，具有重要的现实意义。 液体抛撒在军事工程、爆炸灾害防治、工农业生产等方面有广泛的应用【l 】。爆炸 冲击波驱动液体抛撒至空气中在预防自然灾害方面有广泛的应用价值，例如工业生产 中采用爆炸抛撒将抑爆剂抛撒形成大规模的惰性物质分散区以阻止火灾的蔓延就是 其工程应用的一个方面1 2 1 。爆炸冲击波作用下液体抛撒的研究在安全生产方面也有广 泛的应用背景，运输管道中流体泄漏后和空气混合产生爆炸的事故时有发生，煤矿和 1 l 绪论硕士论文 瓦斯爆炸事故的发生给国家造成了巨大的经济损失，爆炸喷撒阻燃剂可以阻止火灾自 然灾害的发生【3 j 。分析爆炸冲击波下液体破碎、雾化的机理以及影响液体二次破碎的 因素有重要的工程应用价值。 f a e 武器等是在战斗部里装填燃料，作用时首先通过爆炸抛撒将燃料分散在空气 中形成可爆炸性的燃料一空气气溶胶云团，在一定条件下引爆，气溶胶云团发生爆炸， 产生高温高压，从而对爆炸覆盖区域及以外一定距离的物体造成不同程度的破坏。近 年来，随着f a e 武器在战场上的不断使用，其优越性越来越受到各国的重视，f a e 武 器的研究已成为常规武器研究的热点。目前美国已研制成系列的云爆武器，俄罗斯也 有多种型号。我国七十年代末开始f a e 武器的研究工作，并取得一定成果。但由于过 去主要集中于武器化的工程研究，如研究装置的结构、比药量等对液体抛撒形成的气 溶胶云团的形状及大小的影响。而对云爆过程中，炸药爆轰驱动燃料内外界面的运动 规律、燃料初级破碎形成液滴的过程、云团燃料的浓度分布等问题的研究甚少，这些 问题成为提高f a e 武器的可靠性的瓶颈问题。通过本课题研究将为我国f a e 武器的研 制提供理论依据和实验方法，并为开拓新的应用领域打下基础。 1 2 国内外现状 近年来，国内外在液滴破碎这方面进行了广泛而深入的研究。1 9 8 7 年，a w i e r z b a 和kt a k a y a m a 对气流中液滴破碎( 气动雾化) 的实验研究，有一篇较全面的文献总 纠4 1 ，深入透视了关于液滴在气流中雾化的现状。 从上个世纪六十年代到本世纪初，激波与液滴之间的相互作用机制问题成为多相 流领域的一个研究热点，特别是发达国家对激波与液滴之间的相互作用开展了广泛研 究。h a n s o n 和d o m i c h ( 19 5 6 ) ，e n g e l ( 19 5 8 ) ，h a n s o n ( 19 6 3 ) r a n g e r 并f l n i c h o l l s ( 19 6 9 ) ， r e i n e c k e 和m c k a y ( 1 9 6 9 ) ，r e i n e c k e 和w a l d m a n ( 1 9 7 0 ) ，r e i n e c k e 和w a l d m a n ( 1 9 7 5 ) ， w a l d m a ne ta l ( 19 7 2 ) ，s i m p k i n s 和b a l e s ( 19 7 2 ) ，w i e r z b a 和t a k a y a m a ( 19 8 8 ) ， y o s h i d a 印- 和t a k a y a m a ( 1 9 9 0 ) ，h i r a h a r a c - r - 和k a w a h a s h i ( 1 9 9 2 ) 等人都对激波管中牛顿粘 性液滴在超音速和亚音速条件下的破碎情况进行过研究，实验中所用的液滴为水滴。 e n g e l 等人【5 】( 1 9 5 8 ) 研究发现：毫米直径的水滴与马赫数为1 3 1 7 的高速气流相互作 用后形成水雾。j o s e p h 等人 6 1 ( 1 9 9 6 ) 认为雾气能够从闪蒸汽化器的浓缩水汽中产生的 原因有：一、水汽层逐渐变稀薄和水滴具有的加速度造成低压；二、液滴的表层脱落 产生外延运动造成强张力；三、剧烈变形产生了摩擦热；四、热空气导致的液滴片状 细丝状破裂产生了热量。 1 9 9 2 年，g m f a e t h 等人【7 j 发表了对接近极限条件的液滴变形和后续破碎( - - 次 破碎) 的实验研究，观察了在常温常压条件下激波诱发扰动作用下液滴变形和二次破 碎的特性。g m f a e t h 等人【7 8 】后来又发表了一系列关于激波扰动和稳定扰动引起的液 2 硕士论文激波与液体相互作用实验研究 滴变形和破碎的实验研究，实验条件涵盖了相当大的范围，考虑了各种分散相和连续 相的气体和液体，用作分散相( 液滴) 的液体有：水、正庚烷、水银、d o wc o m i n g2 0 0 液体、各种甘油混合物、甘醇和二硫化碳。用作连续相的流体有：空气、石蜡油和水。 所有实验条件包括的范围是：比值范围达1 1 5 1 2 ，0 0 0 连续相分散相的密度比， 数值范围达0 0 0 0 6 - 6 0 0 的o h n e s o r g e 数，数值范围达0 0 0 4 - - 7 0 0 的w e 数，以及 数值范围达0 0 3 1 2 ，0 0 0 的r e y n o l d s 数。g m f a e t h 等【9 ，1 0 j 进入本世纪后，主要研究 了完全湍流化的液体湍流射流在静止空气中的表面特性、液丝形成、破碎以及液滴形 成。 目前，关于雾化问题的文献资料以h s i a n g 和f a e t h ( 1 9 9 2 ) ，h w a n g e ta 1 ( 1 9 9 6 ) 以及f a e t h ( 1 9 9 6 ) 的文章最为典型，他们的研究与早期k r z e c z k o w s k i ( 1 9 8 0 ) ，w i e r z b a ( 1 9 9 0 ) ，k i t s c h a 和k o c a m u s t a f a o g u l l a r i ( 1 9 8 9 ) 以及s t o n e ( 1 9 9 4 ) 的液滴研究都是拘束 在低韦伯数和雷诺数的条件下进行的。但h s i a n g 和f a e t h ( 1 9 9 2 ) 曾发表过一篇在高韦 伯数和雷诺数条件下液滴破碎情况的文章，他们的研究的韦伯数范围为0 5 1 0 0 0 ， 雷诺数范围为3 0 0 - - - 1 6 0 0 。 关于液体燃料的爆炸抛撒及云雾方面的实验研究，做得比较好的是法德联合研究 所( i s l ) 。i s l 的s a m i r a n tm 等人【l l 】利用多种测试技术研究了液体燃料爆炸抛撒及 f a e 云雾形成过程。r o s e n b l a n t tm 等人【1 2 】设计了一种由垂直的无膜激波管和液体环 发生器所组成的实验设备，用来观察轴向运动受约束的轴对称液体环的形成、变形和 破碎过程。 有关液体抛撒的研究最早是由l e w i s 1 3 】开始的。b i r k h o f f t l 4 】提出了非线性界面发 展的五阶段划分概念。有关实验研究还有b l o u n t 15 1 、r e a d 1 6 1 、j a e o b s 和c a t t o n 等人【1 7 】 的工作。w a d d e l l 、n i e d e r h a u s 和j a c o b s 等人【1 8 】近期也做了大量的工作。但迄今其中 的流体力学机理还很不完善。而液体粘性对爆炸抛撒形成气溶胶过程中，介质变形、 分裂、破碎以及湍流混合过程影响研究还是空白。 关于爆炸冲击波作用下液体的抛撒，国内学者开展了一些研究。吴德义【1 9 】采用高 速摄影仪拍摄爆炸冲击波作用下不同时刻液体抛撒运动图片，通过分析，得出了爆炸 冲击波作用下液体抛撒不同阶段的运动规律。分析表明爆炸冲击波作用下，液体抛撒 不同阶段有不同的特点，抛撒初期液体处于加速阶段并在较短的时间内获得最大速 度。获得最大速度的液体由于表面张力、空气阻力及粘性的作用产生首次破碎与二次 破碎，此阶段液体抛撒速度随时问呈指数关系衰减，二次破碎后的液滴由于仅受空气 阻力的作用，受力形式发生改变，速度衰减减慢。吴德义、杨基明【2 0 】通过强冲击波 作用下液体抛撒的系列实验，总结分析了抛撒液体尺寸、爆炸装药量、抛撒液体性质 等对液体抛撒运动过程、抛撒半径及液体抛撒作用时间的影响，发现强冲击波作用下 液体抛撒速度随时间呈指数衰减，不同的实验参数对衰减系数将产生一定的影响。吴 l 绪论 硕士论文 德义【2 】通过采用高速摄影的方法拍摄了不同实验条件下液体抛撒的实验图片，发现爆 炸冲击波作用下液体颗粒产生二次破碎需一定的条件，不同的因素如液体密度、装盛 液体量、装药量、表面张力等对液体抛撒二次抛撒、二次破碎都产生显著影响。王爱 兰、吴德义【3 】采用高速摄影的方法拍摄了装盛容器不同直径条件下液体抛撒图片。通 过分析高速摄影图片，得出液体抛撒速度随时间的变化关系，并在此基础上进一步分 析了装盛液体容器直径对液体抛撒的影响。薛社生等【2 l 】为了合理设计云雾爆轰装置， 对液体燃料爆炸抛撒规律进行了实验与数值模拟研究，得到了6 2 5 0 k g f a e 装置云雾 形成的若干重要实验数据。通过实验数据分析给出了云雾膨胀的相似律，并研究了爆 炸抛撒过程中近场与远场阶段特性；用一个简化的解析模型描述了液体燃料的近场膨 胀，给出了液体燃料在加速阶段的极限速度；用数值方法研究了远场云雾的物理特性， 给出了云雾速度场及云雾内部燃料速度与燃料蒸汽浓度的分布。 通常，液体的破碎过程可以被分成两个主要的阶段，首次破碎过程和二次破碎过 程。首次破碎过程是指被抛撒液体刚开始破碎的阶段，同时也是抛撒、破碎中十分重 要的过程，因为这个过程是整个雾化过程的开始，它控制着液体块的延伸范围，并提 供以后的进一步二次破碎的初始条件。二次破碎是抛撒、破碎和雾化的另一个重要过 程，这个过程直接影响到雾化液滴尺寸的分布。蔡庆军、韩肇元等1 2 2 j 通过实验发现在 确定的抛撤条件下，液体环的失稳，即不稳定的发生、发展并最终导致液体环破碎的 过程是由于液体环运动的加速度改变方向而引起的。蔡庆军、韩肇元等【2 3 j 通过纹影法 对液体环轴对称抛撒首次破碎后期，即首次破碎向二次破碎转化的阶段进行了研究， 发现首次破碎前期产生的液体块在空气阻力作用下，变形成树枝状，进而变细变长， 最后在不稳定性的作用下，断裂成更小的液体珠串。杨磊等【2 4 j 研究了轴向气流作用下 液体轴对称抛撒二次破碎过程，利用激光粒子测量仪获得了在不同实验工况和不同位 置下的雾化场s m d 分布曲线。 史绍熙、都大光等【2 5 。2 6 j 通过实验，发现在适当的条件下，非轴对称模式有可能成 为最不稳定模式，从而肯定了非轴对称模式在射流破碎中的重要作用。液体在雾化初 始阶段的破碎子扰动波，扰动波由表及里，在周向与轴向不断发展，首先将射流撕裂 成大液滴，之后再进一步破碎成小液滴。潘建平等1 2 。7 】对激波诱导气流与液幕和液柱相 互作用过程进行了一系列实验研究，得到的结论是：激波诱导气流与水幕、水柱、水 滴的作用机理各不相同：液幕具有较强的阻挡激波透过的特性，在相互作用的初始时 刻，它的表现类似于固壁，但当局部突破之后，它的变形破碎速度增长很快；在液幕 初始击穿时刻，由于二次诱导气流速度的效应，它的抛撒破碎速度较诱导气流速度为 快；液幕的破碎变形行为有很强的三维性，而液柱在作用过程中保持较好的对称特性。 耿继辉、叶经方等【2 8 j 用自行设计的方型激波管研究了激波诱导变形和破碎现象，详细 分析了激波与液滴相互作用以及液滴加速、变形和破碎过程。陆守香等【2 9 】建立了液滴 硕士论文激波与液体相互作用实验研究 变形与破碎的模型。发现液滴与激波碰撞后，液滴变形、表面剥离至完全破碎是一个 渐进过程。为了分析该过程，定义了开始雾化时间和完全破碎时间，分析得到了液滴 变形率和完全破碎时间。 燃料爆炸抛撒过程持续时间短，目前用实验的方法很难得到详细的内部云雾场参 数，可以用数值计算的方法获得。公开的文献仅涉及在静止状态下的爆炸抛撒。席志 德、解立峰、刘家骢等【3 0 l 对高速运动下的爆炸抛撒作了初步探索，发现f a e 装置初始 速度将影响燃料爆炸抛撒的过程及云雾外形。对于高速运动液体燃料的爆炸抛撒，其 云团形状和液滴浓度分布，不同于“静态 液体燃料爆炸抛撒的相应值。丁珏等p 1 。3 2 】 为了描述气液云雾形成的初期运动和发展过程，建立了物理数学模型。对于初期运动 建立一维气相运动模型，同时利用移动边界法处理气、液的接触边界。对于后期的气、 液多相混合流动过程建立二维多相模型。对爆炸抛撒全过程编制了计算程序。数值仿 真给出了云雾区内重要参数的分布，计算得到的云雾外形变化与试验结果有较好的一 致性。 1 3 本论文的主要工作 本论文是国家自然基金项目气溶胶云团形成过程的理论与实验研究中的一部 分。在实验中进一步完善和发展了已有的实验装置、测试系统，为从事本文的研究提 供了良好的基础。 在实验中，分别对爆炸抛撒液体、激波与液膜作用、激波与液滴作用进行实验研 究，主要工作如下： ( 1 ) 实验装置的完善：在原有装置设备基础上，设计增加了产生水幕的装置。 ( 2 ) 爆炸抛撒液体的过程研究，主要从两个方面进行研究：激波驱动液体初始 阶段内界面和外界面的运动规律研究。外界面的研究又分为两种，一种是上端无约束 爆炸抛撒，另一种是弱约束爆炸抛撒。 ( 3 ) 激波与液膜作用的研究，采用阴影照相的方法拍摄激波与水膜相互作用的 像片。在实验中，选取两个变量：激波强度和水膜厚度。 ( 4 ) 在以往实验的基础上，采用y a 1 6 高速分幅照相机拍摄激波管内液滴( 航 空煤油、0 拌柴油) 与入射激波之间相互作用的阴影照片，研究液滴在激波波后的高速 气流中加速、变形、剥离破碎和雾化等过程。 2 爆炸抛撤液体硕士论文 2 爆炸抛撒液体 2 1 爆轰产物驱动液体介质内界面实验研究 2 1 1 实验装置 南至 1 氩气弹；2 玻璃容器；3 铅导爆索；4 p b x 0 1 炸药； 5 防护墙；6 光学窗口；7 高速分幅相机( 2 t l t s f ) 图2 1 实验装置示意图【3 3 】 图中1 为氩气弹，产生光源。2 为一个玻璃容器，容器里面盛有液体，在中部装 有p b x 0 1 炸药，铅导爆索在炸药的上端，用来引爆炸药。将整个容器放在一个爆炸 堡里。在爆炸堡的一侧开有光学玻璃观察窗，高速分幅相机正对观察窗，用来拍摄整 个爆炸过程。 2 1 2 实验条件 选用两种液体：水和乙醇。 2 1 3 实验步骤 1 ) 在玻璃容器中注入液体； 2 ) 把插有炸药的导爆索放入玻璃容器中，使炸药完全浸入液体； 3 ) 调节光源及高速分幅相机，使其正对观察窗口并处于工作状态，采样频率为 2 5 0 0 0 幅秒； 4 ) 调节延时同步起爆装置； 5 ) 按下起爆装置的开关，记录保存数据。 。 一一 一 。l 顸论文 檄波与谴件相作月宴骑研究 2 1 4 实验结果 黪圈 a ) 0 l s 匦舸翮酊 ( e ) 1 6 s , s ( t ) 2 0 , , u s( h ) 2 8 , u s 圈2 2 水与爆轰产物界面的演变过程” 雷管被引爆后，产生爆轰波，在铅导爆索中传播。把爆轰波且u 将进入p b x - 叭炸 药的时刻定为0 9 s ，如图22 ( a ) ，从图中可清晰地分辨出冲击波在水巾的迹线；图 2 2 ( b ) 为4 时爆轰波在p b x - 0 1 炸药中传播，可以看到，朱反应炸药阴影保持 原来形态，已反应炸药爆轰产物则在水中膨胀形成鼓包，水中冲击波迹线也进步扩 大；到8 1 a s 时p b x 一叭炸药已全部变为爆轰产物，如图2 2 ( c ) ；爆轰产物在水中继 续扩散，同时水中的冲击波迹线也发展变化，如图2 2 ( d ) 、2 2 ( e ) 、2 2 ( f ) 、2 2 ( g ) 和2 2 ( h ) 。 勘刚剐圜 a ) 0 , u sd ) 1 2 , u s 圜副圜副 ( e ) 1 6 , u s( 0 2 0 , u s( g b 4 , u s ( h ) 2 8 p s 图2 3 乙醇与爆轰产物界面的演变过程 乙醇与爆轰产物界面的演变过程如图2 _ 3 所示。具体分析与爆轰产物在水中扩敞 和瞻 即 2 爆炸抛撒液体 硕论立 相同。 根据龙新平等人的实验分析和洪滔等人【3 3 。”的数值模拟结果表明，在相同强度的 冲击波作用下乙醇比水的温升更高，乙醇比水更容易达到相变点，即更容易汽化。 在本实验中，乙醇发生汽化，而水尚未达到试验压力条件下的相变汽化温度。原因是： 水的比热容是42 1 0 3 j ( k g ) ，在常见液体中是比热容最大的，所以在相同的能 量下，水的升温比较慢，达到相变点也就比较困难。 2 2 爆轰产物驱动液体介质外界面实验研究 2 2 1 无约束抛撒实验研究 2 2 1 1 实验装置 图2 4 透明水槽上端无约束爆炸抛数装置 用有机玻璃制作一个上端无约束水槽，其长3 0 0 r a m ，宽1 0 0 m m ，高2 8 0 m m 。 3 9 m 的导爆索沿长的方向布设，离槽底高1 6 0 r a m ，槽中灌水，水面高出导爆索约 7 5 m m ，如图2 4 中左图。右图是从观察窗口拍摄的装置图片。把有机玻璃水槽放在 一个爆炸堡里面，整个实验装置如图2 1 。 2 2 12 实验步骤 1 ) 沿有机玻璃水槽长的方向布设导爆索，然后在水槽中注水，水面高出导爆索 约7 5 r a m ： 2 ) 调节光源及高速分幅相机，使其正对观察窗并处于工作状态；采样频率为 颈论女 被踱与液体相作用实验* 究 2 5 0 00 幅秒； 3 ) 接雷管； 4 ) 调节延时同步起爆装置： 5 ) 按下起爆装置的开关，记录保存数据 2 2 1 3 实验结果与分析 口口口口 已| 】l j 幽 图2 5 离导爆索位置不同高度的图片 水最初是一个连贯的质量层，导爆索被引爆后，产生的高温高压气态产物推动其 周围的水环向周围运动。由于上端是无约束的厚轰产物和介质水整体运动方向是向 上的。爆炸产物不断扩散并且驱动水界面不断向上运动。高出导爆索75 c m 处正好 是水面的上端面可以看到水面变成一个锥形，并且不断变大，向上运动。在爆炸 产物的驱动下，水面继续向上运动到了高出导爆索3 0 c m 处，锥形水而的顶角变大， 锥面变得凸凹不平并且有逐渐消减的趋势。抛撒的液体在空气中运动液气界面 扰动发展，界而失稳，抛撒液体与周围空气混合并产生破碎、雾化。在高出导爆索 4 0 c m 处，可以看到水蒸气。随着时阃的延长，水蒸气会逐渐冷凝变成液态水。从图 中可以看出，越来越多的水蒸气冷凝变成水。 2 埘炸姑m 渡体 刨j 论文 酗2 j 竖直约束皱苴液体爝炸抛撒实验5 0 舡的结果 采用5 0 0 0 却s 拍摄到的过程如上圈所示。可以清楚地看到；a 图中水面，f 始出现毛 刺在b 图中- 毛刺增多，而且水面已经开始喷射喷射使水面不稳定，受到扰动 在c 图中，可以看到扰动承面喷射。 2 2 2 弱约束抛撒实验研究 1 2 纠引言 研究爆炸作用下两种不同流体界面运动变化、界面稳定性及液体破碎、雾化在 i m 硕论文 傲渡与液体相作用宴验研究 工农业生产等方面有广泛的应用背景。分析影响爆炸作用下界面扰动运动变化、界面 稳定性及流体破碎、雾化的因素，有较为广泛的学术研究价值和工程应用背景【”】。本 文主要采用两种方法对弱约束条件下的爆炸抛撒进行研究。 2 2 2 2 液体爆炸抛撒阴影照相测量 ( 1 ) 实验装置 嘲2 8 液体爆炸分散实验装置口q 实验装置如上图所示，在上下两个圆盘之间放置雷管和液体。在上圆盘上开有观 察窗，用来观察液体环运动的情况。分散装置被上下两块半径05 m 、厚度为2 0 m m 的 钢板约束，高度为6 0 r a m ，即分敞装置上部有2 0 m m 的空隙。 翻2 9 阴影j 1 l 相光路示意瞬p 6 1 利用如上图所示的装置，在保证平行光穿过实验段观察窗的光路条件下，应用高 速c c d 记录了液体爆炸分散界面破碎的形态和过程。光源是2 0 0 w 的氤灯。 2 爆炸抛搬慷件硬论文 ( 2 ) 实验步骤 0 调节光源和高速c c d 阴影照相机，使其能正常记录液体分敝界面破碎的形态 和过程。 安装压力传感嚣。 调节数据采集单元，包括电荷放大器、瞬态记录仪、脉冲高压点火器等，并 使其处于等待状态。 按下点火器，储存实验数据。 ( 3 ) 实验结果 应用m o t i o n x t r ah g - l e 高速c c d 采用1 0 0 0 0 帧秒的拍摄频率，共记录t 2 0 0 多幅 穿过观察窗口的液体界面破碎形态时m 枣列。 田2 i o 外部蜡环破裂后射漉向外喷射的状态图2 i i 液体环界面破碎的形态 此外，在距离中心起爆点1 2 0 r a m 和2 4 0 m m 处，分别放置了两个压电传感器，获得 的信号脉动数据如下圈2 1 2 。 硕士论文激波与液体相互作用实验研究 ，、 一 正 至 、 磐 了 雹 正 名 正 至 v 型 晶 n 巴 皿 图2 1 2 两个压电传感器的脉动曲线 李磊等人【3 6 】对结果进行了分析，主要有以下几个方面： a 、压电传感器数据的处理 首先，从记录的波形来看，震荡比较厉害，从其位置间隔和时间间隔得到数据难 以判断其是否为冲击波直接传递给传感器的信号。考虑到上下两个钢板的约束，雷管 起爆后产生的冲击波是在钢板之间反射传播的，因此，估计冲击波和主气流在没有到 达两个传感器的位置之前，两者就已经通过钢板感应到了压力的脉动。因此所得到的 脉动曲线实际上反映的是冲击波在两个钢板之间反射传播和气体沿上钢板穿行过程 中的信号及其它杂波信号，其最大峰值估计体现了反射冲击波的压力峰值。 其次，从对数据进行功率谱分析得到的对数谱图可知( 图2 1 3 ) ，杂波信号是一 个具有相同斜率的非高斯噪声。表明冲击波在钢板之间的传播过程是有规律的( 传感 器感受到同等强度的激励) ，但上钢板表面穿行气流和钢板的振动却带有随机特征， 呈现出非高斯噪声的特征。 1 0 9 ( 、柁) 图2 1 3 两个压电传感器脉动曲线的对数功率谱 2 堪蚱抛撒滩# 颐j 1 论文 b 、界面破碎形态的数据处理 图21 4 为提取界而二维投影曲线的图像处理过程( 以1 4 m s 的图像为例) 。 以所得到的二维界面投影曲线为基础，应用分j l l j l = 何方法进行r 分析。分形维数 为曲线占有空间的盒维数。闺2 1 5 为1 4 m s 时液体界面曲线分形维数的拟台图其中该 直线的斜率的负值即为该图像曲线的分形盒维数。 图口 圈卜 豳2 ”器嚣鐾嚣暮酣i i i 枷线的分形维数拟合圉2 ”第；絮蠹舞瞥界面曲线 分形维散变化魁 第一个阶段，射流界面逐渐出现并趋于完整，由于受空气阻力及界面不稳定的影 响，射流运动速度降低，前锋速度减缓，界面早现光滑趋势，使得界而曲线的分形维 数呈下降趋势。 第二个阶段，1 1 , 6 m s - q 25 m s ，随着液体环主体的出现，与射流界面混合，使得 顾+ 论空 波与液体相作用实验 究 整体界面变得复杂界面曲线的分形维数增大。而后随着时间的推移，界面曲线的分 形维数呈现暂时下降，界面曲线的分形维数从17 3 8 3 下降到16 6 8 5 。 1 26 m s - 1 59 m s ，液体混合界面出现相对较眭时间的平稳阶段，界面曲线的分形 维数稳定在l6 附近。 1 6 m s 1 7l m s ，界面的前锋出现蘑菇状尖顶并逐步趋于破碎，使得界而曲线趋于 复杂，分形维数逐渐增大，从i6 7 1 l 上升到17 5 5 3 。 1 7 2 m s 一1 84 m s ，蘑菇状尖顶破碎界面与后面赶上的界面融合，形成一个独立的 空化区域，界面曲线的弯曲程度降低，使得分形维数立即降低，曲线的分形维数大约 为1 5 直到第1 84 m s 空化区域消失。 1 72 m s l8 4 m s 界面曲线的分形维数稳定在i5 附近。 1 85 m s l88 m s ，射流界面的前锋继续破碎界面曲线的分形维数大约l8 。第 1 89 m s 时，蘑菇状尖项破碎界面与后面赶上的界面融合，形成多个新的空化区域，界 面曲线的分形维数下降为14 ，第1 9l m s 时，左前锋的一个空化区域暂时破裂，使得 界而的分形维数立即选到l8 1 6 8 。随后界面曲线的分形维数稳定于1 4 附近。 c 、界面破碎混合区的定性分析 定义；液体界面边缘距离爆炸中心最远端及最近端所围成的区域为混合区( 图 21 7 ) 。通过计算液体界面距离爆炸中心最近及最远与中心所围的区域而积及其变化 过程，则可得到如下面积变化二次拟合图( 图21 8 ) 和拟合公式： s ：一2o f 2 十6 2 6 t 一1 6 1 2 5 图21 7 混合区域定义：液体界面边缘距离 图21 8 批台区面积变化二次拟合幽( 从第 爆心堆远端及展近端所罔成的区域 7 1 幅一第1 7 8 幅界面图片) 还可以通过统计计算分别得到射流喷射阶段( 图21 9 ) 和界面破碎混合阶段( 图 22 0 ) 界面运动速度、半径随时问的变化或增长规律。 2 爆炸抛撒液体 硕士论文 t f m e 图2 1 9 射流喷洒阶段界面运动速度和半径变化曲线 t i m e ( h 田t 搬 图2 2 0 破碎混合阶段界面运动速度和半径变化曲线 以上结果，充分表明液体环破碎混合过程界面变化的形态存在一定的相似规律： 即不规则形态的分形相似规律、混合区随时间变化的相似规律。 阴影照相实验中，穿过观察窗的界面阴影实际上是各层界面前沿的投影，因而图 像灰度分析才有可能识别出液体环内部的不均匀性。液体环沿径向向外的运动过程中 底部产生空化区和破碎飞散的较快，可能是由于受到m a c h 杆作用的结果。液体环内 界面破碎比外界面块，可能是内界面处冲击波、稀疏波的来回反射及其相互作用的原 因，也包括内部空化比较严重导致的结果。 液体爆炸分散过程中，爆炸冲击波与液体环的相互作用非常重要，冲击波在液体 环内部的传播现象比较复杂，在液体外环面的反射稀疏波是主要导致外界面破碎分散 的原因。但是，许多现象还难以解释。因此，仅靠冲击波与气液界面相互作用的分析 和现有软件的计算，均无法确定空化区域的大小和数量，也不能给出空化区域究竟对 液体环破碎飞散的作用机制。 2 2 2 3 液体爆炸抛撒高速录像观测 ( 1 ) 实验装置 1 6 窖舢)芎螽 霉县扫萋 金警暑霉置 碰l 。论立撇被。，被体相怍月宴验目 究 ：赢- 6 i 灌 、= ：= = = h 仁 | 瓣 。函专。 耵 ： ? 广1 凹2 , 2 1 液体爆炸分数实验装置及光学测量方法示意幽【3 7 】 测试装置如上图所示：主要由液体爆炸分散实验装置和光学测量装置组成。其中， 光学测量装置主要是由光源、高速摄像仪、白色反光扳镩组成。液体爆炸分散装置主 要由液体爆炸分散容器、同步控制仪、瞬态记录仪等组成。液体爆炸分散装置实物图 如图22 2 所示。把该装置固定到一个支撑架上，如图22 3 所不。 ：隔嘲 凹22 2 液体爆炸分数容器图2 2 3 实验支撑装置 ( 2 ) 实验参考量 液体：水、目油 铝薄板厚度：直径为1 4 0 m m 、1 2 0 n m l 导爆索药量：3 9 m 、5 9 m 的纯黑索今r d x ( 3 ) 实验步骤 检查实验装置及光学测量装置是古l - 常。 2 爆蚱抛撒液体删l 论立 调节光源及高速摄影仪，使爆炸装置在观测范围内。设置高速摄像仪的参数 并使其处于工作状态。 调节瞬态记录仪，设置参数，并使其处十等待状态。 导通雷管，按下同步丌关。 储存实验数据。 ( 4 ) 实验结果与分析 ( c ) ( d ) 幽22 4 水 爆炸分敞辑器罩液体为水；导爆索药最：3 9 m 的纯黑索今( r d x ) 。实验结果如 图22 4 所不，a 、b 、c 、d 川幅幽是不同时刻的图像。 当导爆索被引爆后，侧壁薄板被炸裂水首先从裂缝处飞散，如圈a 所示。可以 看到，爆炸容器耶外侧出现毛刺。随后主液体逐渐涌现，且以针刺形态为主，如图b 所示。等到越束越多的液体在爆轰产物的驱动下分散到壳体外面时，液体形态变得比 较复杂。除了以树枝状存在外，还有一部分以液体块形式存在如图c 。在液体表面 张力和爆轰产物共同作用下以液体块存在的液体被拉成交叉树枝状，充满整个抛撒 场。液体形成交叉树枝后，其组成的丝带再破碎成液滴如图d 所示。 论女撒被与液体相作用宴验研兜 d )( e )( f ) 图22 5 甘油 爆炸分敞容器黾液体为甘 f | ；导爆索药量：5 9 m 的纯黑索令( r d x ) 。实验结果 如图22 5 所示，a 、b 、c 、d 、e 、f 六幅图是不同时刻的嘲像。因为甘油的粘度比较 大，导爆索药量选用5 9 m 。 当导爆索被引爆后，侧向薄板被炸裂，甘油从裂缝中向外飞散，如图a 。甘油在 爆炸产物气体的推动下形成主液体环状带i 句# - 飞散，带中液体的形状以针刺状为主， 如图b 、c 所示。由于甘油的粘度比较大，形成的主液体环带可以认为足由片状的连 续液体块组成的。主液体环带在爆炸产物的推动下继续$ 1 ，1 - 扩散，随着时问的延长， 山于空气阻力和液体表面张力的作用，片状液体逐渐破碎为液滴。李磊等人i ”i 对此问 题进行了比较深入研究，也得出与本文类似的结果。 ( 5 ) 结论 经过选取不同参考量，可以得到以下结论旧： 外壳体破裂后，液体酋先从裂缝处飞散，随后t 液体逐渐涌现，且以针刺形态 为主。对小炸药量情况，液体被拉成交叉树枝状，充满整个抛撒场。对大炸药量情况， 则在爆炸产物气体的推动下形成主液体环状带向外飞散，带中液体以分散的制刺状形 惫为主。 液体粘度越高，形成的交叉树枝越集中。当液体粘度很高时，丰液体环带可认 - l * 2 爆炸抛撒液体硕1 ：论文 为是由片状的连续液体组成的。 液体形成交叉树枝后，其组成的丝带再破碎成液滴。而对于片状液体，则有一 定的界面不稳定，逐渐破碎为液滴。主液体环带的破碎并不是因为膨胀变薄，而是被 拉伸变宽变稀疏，进而破碎成液滴。 2 3 本章小结 本章主要是对爆轰产物驱动介质内界面和外界面进行了实验研究。 通过比较强度相同的冲击波对水和乙醇两种介质的驱动作用，得出结论：在相同 强度的冲击波作用下，乙醇比水的温升更高，乙醇比水更容易达到相变点，即汽化。 对上端无约束的爆炸容器里水的爆炸抛撒进行实验研究，发现导爆索瞬时爆轰产 生高温高压气态产物，在高温高压气态产物的推动下外层液体形成一个连续的液体 环，随着爆轰产物膨胀，液体环逐渐变薄，并最终破碎形成液滴群。液滴的高速运动 导致液滴与液滴之间的相互作用加剧，湍流效应加剧，从而导致液滴破碎及碰撞聚合 效应加剧，以及蒸发速率提高。 对于弱约束条件下的爆炸抛撒通过两种方法进行了研究。方法一是采用高速 c c d 阴影照相对爆炸抛撒水进行了研究，通过分析结果得到结论：液体环破碎混合 过程界面变化的形态存在一定的相似规律，即不规则形态的分形相似规律、混合区随 时间变化的相似规律。方法二是对不同粘度的液体( 水和甘油) 进行爆炸抛撒研究， 得到以下结论：外壳体破裂后，液体首先从裂缝处飞散，随后主液体逐渐涌现，且 以针刺形态为主。对小炸药量情况，液体被拉成交叉树枝状，充满整个抛撒场。对大 炸药量情况，则在爆炸产物气体的推动下形成主液体环状带向外飞散，带中液体以分 散的针刺状形态为主。液体粘度越高，形成的交叉树枝越集中。当液体粘度很高时， 主液体环带可认为是由片状的连续液体组成的。液体形成交叉树枝后，其组成的丝 带再破碎成液滴。而对于片状液体，则有一定的界面不稳定，逐渐破碎为液滴。主液 体环带的破碎并不是因为膨胀变薄，而是被拉伸变宽变稀疏，进而破碎成液滴。 磺士论文 鼍鼓与谴体相互作用宴验妍究 3 激波与液膜相互作用研究 3 1 实验装置 建立激波与液膜相互作用实验系统，如图3 1 、3 2 。该系统由激波管、实验区、 阴影照相系统等组成。激波管出口端分别安装p 1 、p 2 、p 3 、p 4 四个铡压点。由p 1 信号触发高速阴