爆炸场热通量与温度的理论与实验研究*

陈爱艳，范锦彪，，李玲玲

(1中北大学电子测试技术国家重点实验室，太原 030051; 2仪器科学与动态测试教育部重点实验室，太原 030051)

爆炸场热通量与温度的理论与实验研究*

陈爱艳1，范锦彪1，2，李玲玲2

(1中北大学电子测试技术国家重点实验室，太原 030051; 2仪器科学与动态测试教育部重点实验室，太原 030051)

由于爆炸场的环境特殊，从而使测量的温度比实际要偏低。故研究热通量与温度的关系，通过测量热通量得到更加准确的爆炸场温度。论文从理论上研究分析了热通量与温度之间的关系，通过测试系统对爆炸场的热通量和温度进行了实际测量，并进行了实验分析。最终得出通过测量的热通量换算得到的温度比直接测量得到的温度更能真实地反应爆炸场的爆温。

爆炸场;热通量;温度

0 引言

由于爆炸场的环境特殊，从而使测量的温度比实际要偏低。Baker、Dorofeev S B等人对爆炸火球进行了理论研究［1］，Rakaczky.J.A［2］结合BLEVE模型中大气传输率对Baker模型作了进一步改进;陈云珠等人提出了热阻对热通量失真影响的理论基础［3］;尹福炎［4］等人提出了热流的测量方法，余凯凯［5］基于Zig-Bee无线传感网络对爆炸场的瞬态温度进行了测量;黄磊等人［6］基于热通量传感器对爆炸场的热辐射予以了测量。

基于前人对热毁伤研究所需模型的理论分析及对热通量和温度的测量实验，文中对热通量与温度之间的关系做了进一步的分析。

1 热毁伤威力的理论研究

1.1 火球的热辐射模型

目前，国内外的学者大多将火球的爆炸过程看成一个静态过程，他们认为火球的直径、表面热辐射等是在瞬间达到最大，因而提出了一系列相关的理论模型。但是，分析可知，即使是同一种物质，在不同的质量范围、爆炸条件环境下，所得到的火球的模型之间也存在差异。因此，Baker等人提出了普适火球模型，引入火球的温度作为参数，具有一定的实用价值。

火球的直径：

结合BLEVE模型中的大气传输率，将BLEVE模型和火球动态辐射模型都考虑进去，得到了更接近炸药爆炸真实情况的火球模型：

式中：q为热通量(W/m2);T为火球温度(K);D为火球直径(m);G为常量，G取0.958×10－7;L为目标到火球中心的距离(m);F为常量161. 7;M为火球中消耗的燃料质量(kg)。

1.2 影响热通量失真的因素

在爆炸场中的热通量传感器会受到周围介质的辐射换热和对流换热的影响，而且，由于传感器制作工艺的原因，其自身的热阻会影响热通量的输出值，使传感器所指示的热通量低于未经失真的热通量，测量得到的数据不能反应实际的情况，为此，通过计算得到未经失真的热通量值是很有必要的。对于放置在爆炸场空气中的传感器，热阻主要分为两部分：传感器本身的热阻以及传感器与周围环境的热交换(对流和辐射)而引起的热阻。

传感器与周围环境的热交换(对流和辐射)而引起的热阻：

式中：T1为爆炸后对流换热过程中的温度;q1为传感器对流换热过程中总热通量。

用传感器测量得到的实际的热通量与未经失真的热通量的比值为：

式中：q1为实际测量得到的热通量;qs为未经失真的热通量;R1为传感器与周围环境的热交换(对流和辐射)而引起的热阻;R2为传感器本身的热阻。

1.3 热通量的测量方法

热流的测量方法一般有两种：温度差法(定常法)和温度上升法(过渡法)。

1)温度差法

热源产生的热流，在其经过测量物体的时候，会形成温度相等的等温面，且该等温面不随时间而有位置形状的变化。那么，单位时间内垂直等温面的面积dS上流过的热量dQ为：

式中：k为物质的热传导率;эT/эx为与等流面垂直方向的温度梯度。

因此，热传导率为k，厚度为Δx时，在面积dS上板材的温度差ΔT与热量关系式为：

联立以上两式，则可以得到热流传感器损失的热通量与其温度差的关系。

2)温度上升法

热电偶传感器的热容量为C，在t时间内温度变化为T2时，在单位时间内转移到传感器的热量Q为：

在辐射场中，温度由置于辐射条件下的传感器测得，S1为辐射的垂直面积，则可求得辐射热通量为dQn/S。

1.4 实验的技术路线

文中先用Baker的修正模型对测量得到的热通量与温度数据进行检验，在满足条件的情况下，利用热通量和温度求得未经失真的热通量值。并根据热通量的测量方法(温度差法)，由传感器损失的热通量计算得到了传感器在实验时自身的温度变化。最后，根据热通量的测量方法(温度上升法)，由未经失真的热通量值求得了一定距离处的温度，并与实际测量值进行比较分析。

2 实验

2.1 样品及仪器

为了验证上述方法的可靠性，文中基于热电偶传感器(E12型)和G-25系列戈登辐射热流传感器测得了所需的温度和热通量数据。实验时，样品为27 kg的TNT炸药，在距离爆心11 m、13 m和15 m处，分别放置了两组测量温度［7］和测量热通量［8］的装置进行数据的采集。

2.2 测试结果

测试所得的部分数据如图1、图2及图3所示。

3 讨论分析

3.1 热通量曲线的分析

将测量数据进行统计整理，并结合以上理论分析所得结果如表1所示。

由表1可知，传感器的热阻对所测热通量有一定程度的影响。当测量的热通量值越大时，其自身的热阻对其影响越大。

表1 不同距离传感器的热通量及温升

图1 15m处的热通量和温度

图2 13m处的热通量和温度

图3 11m处的热通量和温度

根据热通量传感器测试方法(温度差法)，当传感器自身损耗的热通量较多时，传感器的温度上升也越高。但是，实际爆炸测试时，传感器自身的温度变化并不是太大。原因主要有以下两个方面：一方面，传感器放置在距爆炸火球较远的地方;另一方面，由于爆炸后热流作用在传感器上的时间及其短暂，而传感器温度的升高则需要一定的热积累［9］。因此，在测量时不必考虑传感器自身温度对测量数据的影响。

3.2 温度曲线的分析

将测量数据进行统计整理，并结合以上理论分析所得结果如表2所示。

由表2可知，通过热通量换算得到的温度比实际测量得到的温度要偏高。原因主要有以下几个方面：一方面，热通量传感器的精度比热电偶传感器的精度高，响应时间快;另一方面，爆炸后，温度衰减的速度较辐射热流衰减的速度快得多。因此，用通过热通量换算得到的温度来衡量爆炸场某一点的温度更准确。

表2 爆炸场温度计算值与测量值比较

4 结论

1)文中研究了传感器热阻对热通量的影响及传感器热通量对其温度上升的影响，并通过热流传感器得到的热通量曲线进行了分析与讨论，其结果对评价爆温有一定的意义。

2)文中研究了未失真的热通量与温度之间的关系，并与热电偶传感器测得的温度进行了比较分析，得出了一种较准确的测量爆炸场温度的方法。

［1］Baker W E，Cox P A，Westine P S，et al.Explosion hazards and evaluation［M］.Amsterdam：Elsevier，1983.

［2］Rakaczky J A.The suppression of thermal hazards from explosions of munitions：A literature survey.BRL Interim Memorandum Report，No.377［R］.1975.

［3］陈云珠，崔志尚，孙坚.热通量传感器的应用及检定［J］.中国高新技术企业，2011(9)：79-81.

［4］尹福炎.热流传感器及其应用概况［J］.传感器世界，2000(11)：7-13.

［5］余凯凯.基于ZigBee无线传感网络瞬态温度存储测试系统的研究［D］.太原：中北大学，2011.

［6］黄磊，何中其，李春光，等.热通量传感器在爆炸场热辐射测试中的应用［J］.火炸药学报，2011，34(5)： 38-42.

［7］田壮，温济霞，祖静，等.瞬态高温测试系统的设计［J］.伺服控制，2012(3)：89-91.

［8］郑燕露，张会新，李永慧.基于FPGA的高温热流传感器信号采集系统设计［J］.化工自动化及仪表，2011，38(7)：809-811.

［9］黄磊.不同炸药爆源的爆炸场热效应分析与测试［D］.南京：南京理工大学，2013：19-20.

The Theoretical and Experimental Research Between Heat Flux and Temperature in Blasting Field

CHEN Aiyan1，FAN Jinbiao1，2，LI Lingling2
(1National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology，North University of China，Taiyuan 030051，China; 2Key Laboratory of Instrumentation Science and Dynamic Measurement(North University of China)，Ministry of Education，Taiyuan 030051，China)

Because of special environment in blasting filed，the measured temperature is lower than actual temperature.By studying the relationship between heat flux and temperature，accurate temperature was got through the measured heat flux.In the paper，the relationship between heat flux and temperature was analyzed theoretically;the experimental result of heat flux and temperature that got through test system was analyzed.The temperature converted from the measured heat flux can more realistically reflect explosion temperature than the measured temperature.

blasting filed;heat flux;temperature

TB 941;TP27

A

10.15892/j.cnki.djzdxb.2015.05.018

2014-11-06

陈爱艳(1989－)，女，山西太原人，硕士研究生，研究方向：爆炸场瞬态温度的研究。