爆炸抛撒过程水雾运动特性的实验研究

爆炸抛撒过程水雾运动特性的实验研究

爆炸水雾去除是解决建筑物拆除爆炸性粉末的新方法。其原理是利用具有规定的水袋中的炸药爆炸能量来将水分配给处理，因此，由于分散形成的水雾液和运动粉末之间存在惯性碰撞、破裂和聚集，从而捕获和收集爆炸性粉末，并在较短时间内沉淀。其中，水的抛撒和雾化是水雾捕尘的前提条件，是爆炸水雾降尘中的关键技术。目前，国内外学者在爆炸抛撒方面开展了很多的研究，主要集中在对燃料空气炸药（FAE）的爆炸抛撒和雾化的研究上：文献对燃料近、远场阶段爆炸和抛撒特性进行了研究，并给出了近、远场阶段抛撒的模型；文献研究了液体燃料爆炸抛撒过程中近场与远场的运动特性，分析了云雾膨胀的过程；文献研究了壳体材料等装置参数对燃料空气炸药云雾状态的影响。本文通过高速摄影法技术观测爆炸作用下水的抛撒过程，讨论了不同爆炸水袋长径比对水在爆炸作用下抛撒成雾效果的影响，得出了不同长径比条件下爆炸水雾的运动特性和运动规律，为研究爆炸水雾的除尘提供科学依据。1理性认识界面稳定性的增加爆炸作用下水抛撒成雾的机理是：通过中心装药爆炸能量将装填在水袋中的水抛撒到空气中。在水被抛撒的初期，由于强冲击波在水与空气界面的反射和透射，使得界面发生Richtmyer-Meshkov不稳定；在此后抛撒过程中，水与空气之间存在速度差，这时在气液界面上又出现了Rayleigh-Taylor不稳定、Helmholtz不稳定和成长的Kelvin-Helmhotz不稳定波。这些不稳定的发展，造成气液的相互作用，液体逐渐破碎成液滴，进而剥离形成更细微的液雾。2地震水雾观测系统实验装置由两部分组成：爆炸水袋（见图1）和观测系统（见图2）ㄢ爆炸水袋用圆筒形的聚乙烯塑料膜制作，可根据实验的情况确定水袋的长度和直径，炸药药包由8号电雷管和一定长度的钝化黑索今线装药量为8g/m的导爆索构成，将药包做防水处理后固定在水袋的中轴线上。爆炸水雾观测系统由CCD高速摄像机、监视器和计算机组成。高速摄像机的型号为FASTCAMsuper10kc，最高拍摄频率可达10000幅/s，它可详细记录水雾的抛撒运动情况；监视器用来设置摄像机的记录参数，控制高速摄像机的运作和记录情况；计算机用来储存高速摄像机所拍摄的图像以及进行数据分析。选用深色的背景布作为衬托，并在背景布上喷上边长为10cm的方格，作为长度标志。3方法和实验结果3.1主要参数之一:压力值、比、时长为4个月时出的最长径比指用爆炸水袋的长度与其直径之比，它是水雾发生装置的一个重要参数。在药量、水量和水袋层数等其他装置参数一定的情况下，长径比的取值情况如表1所示（雷管为8号工业电雷管，导爆索的长度为10cm，水量为9000mL）ㄢ3.2拍摄速度对比为使水雾的拍摄画面清晰、判读比较精确以及有足够的纪录时间，选择高速摄像机的拍摄速度为500幅/s，典型的高速摄像图片如图3所示（长径比为B=1.64)。3.3布上的距离及运动目标利用图像处理软件，对水雾运动过程中的水雾前沿进行坐标定位，可得一系列的水雾前沿坐标值（单位为像素），两幅画面之间水雾前沿的真实距离可根据两幅画面水雾前沿坐标值及以及背景布上的长度标尺来计算，水雾前沿移动的真实距离R为：式（1）中：l为图像上测得的水雾移动距离（像素）；L为图像上的背景单位方格的长度（像素）。根据每两幅高速摄像图片的时间间隔（如拍摄频率为500幅/s，则时间间隔为2ms），就可得出水雾前沿运动一定距离所用的时间以及在该时间段的速度v:v=∆t∆R(m·s-1）(2)式（2）中：∆R为两幅画面水雾前沿位移差，m；∆t为两幅画面水雾前沿时间差，sㄢ将实验图像进行处理，可得到不同长径比情况下水雾抛撒半径、抛撒速度与轴向抛撒高度随时间变化的关系曲线，见图4～6ㄢ3.4结果分析3.4.1水雾体表面为中心的状向外扩散通过图3可以看出，在条状药包、柱状水袋条件下，从水雾的空间发展情况来看，水雾开始时以圆柱状向外扩散。由于雷管及爆炸气体的轴向效应、重力以及水袋边界条件的影响，在大约5ms以后水雾以圆台形状向外扩散，最终形成一个以装置为中心、半径小于6m、厚度小于3m的扁平状雾团，水雾体中心区被爆轰产物气体所占有。起爆后大约350ms时，水雾抛撒接近尾声，水雾扩散趋于停滞。3.4.2抛撒半径随长径比变化从图4可以看出，在水雾抛撒初期，半径增长率较大，随着时间的增加水雾抛撒半径变化率逐渐减小。在水雾抛撒初期，随着长径比增大水雾抛撒半径增大，但到后期水雾抛撒半径基本接近。也就是说，虽然水袋的长径比不同，但爆炸抛撒最终形成的水雾的半径变化不大。因此得出，水袋的长径比不是影响最终水雾半径的主要因素。3.4.3水雾抛撒过程从图5可以看出，水的抛撒初速度是瞬间获得的，在强冲击波和爆生气体作用下，液体在装药起爆1～2ms后即可获得最大抛撒速度，然后开始减小，开始时抛撒速度随时间衰减呈一种振荡趋势且衰减较快，随后衰减减慢。分析其原因可能是：药包发生爆轰后在水中形成冲击波，当冲击波传至水袋表面时发生透射和反射。反射波为稀疏波，反射的稀疏波与水中传播的冲击波相互叠加，使水由表及里产生加速运动，不断地被拉断，形成最初的水雾，水雾在波的相互作用及爆轰气体作用下，具有最大初速度。但由于其和空气接触表面积逐渐增大，其速度很快衰减，而后面向外运动的液体受到炸药爆炸产生的高温高压气体的推动作用，呈加速运动状态，最终必将赶上并超过先前运动的水雾。这样周而复始便使速度出现了振荡衰减趋势，当爆生气体半径膨胀到最大值且与水雾脱离时，这种趋势便停止。这个阶段持续时间在150ms左右，之后水雾只受到空气的阻碍作用，水雾的径向速度呈缓慢的递减趋势，直到水雾的抛撒运动停止。从图5中可以看出，水雾抛散初速度的获得与水袋长径比变化有很大的关系。对于长径比大的水袋，其水雾径向抛撒速度在水雾抛撒的初期阶段远大于长径比小的水袋，其原因为长径比大的水袋在单位长度的液体水质量小于长径比小的，在同样的压力作用下，获得的初速度大。但在水雾抛撒后期，不论长径比过大或过小，其水雾抛撒速度的衰减都较快，如长径比为1.03和3.93、长径比为1.64和2.86，它们的后期水雾抛撒速度变化均较为平缓。3.4.4高度变化的变化由图6可以知，水雾在抛撒高度方向上的变化，同径向相比是比较小的，最高水雾抛撒高度到达2.5m后，高度将不再变化。水袋长径比小时水雾抛撒的高度高，长径比大时水雾抛撒高度小，规律十分明显。同时可以看到水雾轴向抛撒高度在前15ms内变化较大，水雾爆炸抛撒后期轴向抛撒高度变化几乎为零，所以对水雾抛撒运动作一维分析也会得出一些有益的结论。4水雾抛撒速度随时间的变化(1）当爆炸水袋的长径比较大时，水破碎程度大且比较均匀，云雾的