新型微乳化柴油抛撒和云雾爆炸实验及其抑爆性能评估*

黄 勇，解立峰，张红伟，鲁长波，安高军，熊春华，陈 群

（1. 南京理工大学化工学院，江苏 南京 210094；2. 常州大学环境与安全工程学院，江苏 常州 213164；3. 中央军委后勤保障部油料研究所，北京 102300；4. 常州大学石油化工学院，江苏 常州 213164）

柴油被广泛用作为大型车辆、舰船和武器装备的燃料，一旦车辆发生交通事故或者装甲装备遭受炮火袭击，都可能会引爆柴油造成人员伤亡[1]。因此，美国陆军坦克研发工程中心和俄罗斯国防部第25国立油料化学装备研究所先后开展了防火柴油技术的研究[2-3]。防火柴油是含有微乳化成分的含水柴油，利用自身的防火性能使得泄漏燃料不易燃烧形成地面池火。近年，鲁长波等在美、俄防火柴油中添加高分子聚合物防雾剂，运用防雾剂对燃料抛撒雾化的抑制作用开发出一种具有防火抑爆功能的新型微乳化柴油[4]；他又通过理化性能分析、储存安定性评定、实验室爆炸性能评定和外场爆炸性能评定，对新型微乳化柴油和普通军用柴油进行了综合性能对比分析，认为新型微乳化柴油能有效解决柴油油箱在受到外力打击或意外撞击时发生燃烧、爆炸所带来的安全问题[5]。

开展液体燃料抛撒和云雾爆炸实验有助于掌握燃料的抛撒雾化效果及其云雾爆炸威力，它常用于燃料空气炸药（FAE）装置结构参数、爆炸分散特征和爆轰特性研究。学者们分别从FAE爆炸抛撒过程力学模型及其数学描述[6-7]、FAE装置结构参数和抛撒方式对云雾抛撒的影响[8-9]、FAE云雾爆轰特性及其威力[10]等方面进行了较为系统的研究。但是，从云雾爆炸火球表面温度、高温持续时间、截面积等特征参数角度来研究燃料云雾的爆轰威力，尤其运用相关评价方法对云雾爆炸火球特征参数进行定量计算并评估燃料云雾爆轰性能的研究鲜有报道。

本文中，开展-10#柴油、普通微乳化柴油（防火柴油）和新型微乳化柴油（防火抑爆柴油）的抛撒和云雾爆炸实验，并运用灰色关联分析法对其爆炸火球的特征参数进行定量计算，从爆炸火球温度场角度评估新型微乳化柴油的云雾爆炸威力及其抑爆性能，最后通过激波及其高速气流抛撒实验研究新型微乳化柴油的抑爆机理。

1 抛撒和云雾爆炸实验介绍

1.1 柴油样品

表1给出了本实验所用5种柴油样品的组分构成及性质。样品1为-10#柴油；样品2和样品3分别为含水质量分数为5%和15%的普通微乳化柴油；样品4和5为在样品2中添加了质量分数为0.2%和0.4%的高分子聚合物防雾剂构成的新型微乳化柴油。

表1 柴油样品的组成和理化性能Table 1 Component and physical & chemical properties of diesel fuel samples

1.2 实验装置和测试仪器

1.2.1 液体燃料抛撒装置

如图1所示，液体燃料抛撒装置采用薄壁圆筒结构，容积约1 L；圆筒上、下端板为PVC塑料板，侧壁为聚酯塑料外壳，上、下端板的厚度和强度远大于侧壁，以限制燃料的轴向飞散，促使形成的燃料云雾成饼状，尽可能地扩大云雾的覆盖面积；中心PVC管中段装填雷管和炸药，两端为阻火泡沫。

图1 液体燃料抛撒装置示意图Fig. 1 Schematic of liquid fuel dispersal device

1.2.2 点火炸药

中心装药即中心管内装填的雷管和炸药，本实验的中心装药为1支8号电雷管和50 g海萨尔药柱。

二次起爆药柱固定在抛撒装置附近，用于在柴油爆炸抛撒成云雾后引燃柴油云雾，由1支8号电雷管和100 g海萨尔药柱构成。

二次起爆药柱应布置在燃料较富集的区域，文献[11]中总结得到了二次起爆药柱布置点的经验公式：

式中：L为距离中心装药起爆爆心的二次起爆药柱位置，(m)；Dc为云雾最大直径，(m)；Dh为云雾最大空洞直径，(m)；m0为燃料装填量，(kg)。

1 L柴油样品的的质量约为0.8 kg，因此，由式(1)～(3)计算可知，将二次起爆药柱设置在距爆心1.5 m处是合适的。

1.2.3 测试系统

（1）高速照相机：Fastcam nltima APX型，日本Photron公司，最大拍摄频率为12 kHz，每帧最大像素数为 1 504×1 128。

（2）红外热成像仪：Mikronscan 7200V型，美国Mikron公司，温度响应时间为2 µs。

1.3 实验场布置

将两根铁架竖立在实验场，顶端用铁丝相连。在铁丝中部悬挂燃料抛撒装置至1.3 m高（由文献[12]可知燃料抛撒装置炸高0.8～1.6 m时可以保证有足够的空间分散和爆轰，并且具有较好的爆轰状态）。在燃料抛撒装置后侧固定木杆，木杆顶部绑定二次起爆药柱。高速照相机、红外热成像仪布置在燃料抛撒装置前方，实验场布置如图2所示。

图2 实验场布置示意图Fig. 2 Schematic of the layout of experimental field

1.4 实验方法

首先中心装药起爆抛撒柴油样品，再运用同步控制仪控制二次起爆药柱在中心装药起爆42 ms后起爆，引燃柴油云雾团，同时用高速照相机、红外热成像仪记录引爆过程并采集火球的表面温度。高速照相机的拍摄频率为1 000 Hz；红外热成像仪的采样周期为32 ms。

2 实验结果与分析

2.1 抛撒与云雾爆炸过程

运用图像处理软件对高速照相机拍摄记录的抛撒过程分幅照片进行判读、处理，量取抛撒最前沿射流、云雾在图片中的径向位移，并根据图片尺寸与实际尺寸的比例尺，获得实际径向扩展距离，即云雾的径向扩展半径Rc。图3是柴油样品爆炸抛撒的云雾径向扩展半径Rc随时间的变化曲线。

图3 柴油云雾径向扩展半径随时间的变化Fig. 3 Variation of radial extension radius of diesel fuel cloud with time

从图3中可以看出，前2, 3 ms云雾径向扩展半径急剧增大，此时抛撒液体环内部爆炸产物压力远大于气动阻力，爆炸作用力起主导作用。该阶段燃料的黏性等理化性能对其抛撒作用几乎没有影响。4～8 ms时，5种柴油的云雾径向扩展半径趋于平缓，该阶段可认为是气动阻力起主导作用，此时液体环正逐步瓦解。20 ms后，4、5号柴油的云雾径向扩展半径相对较小，这是因为它们较高的黏性抑制了造成液滴破碎的R-T和K-H不稳定性作用，它们仍以较大液滴形式运动、扩展，气动阻力较大，抛撒速度较小，分散效果差。

图4 柴油云雾爆炸过程Fig. 4 Diesel fuel cloud explosion process

由于抛撒出的柴油液滴与气体之间有较大的相对运动，在液滴表面形成了逆气流方向的剪切力，液滴被逐层剥离形成细雾滴群。二次药柱起爆后，细雾滴群在爆炸产物高温作用下迅速汽化、燃烧发生热爆燃。图4是5种柴油云雾在二次起爆药柱作用下被引燃形成爆炸火球的分幅图片。从图4中可以看出：二次起爆药柱起爆后1 ms（即中心装药起爆后第43 ms，下同）时，柴油云雾被二次起爆药柱引燃形成火球；200 ms时，4种微乳化柴油爆炸火球边缘的火焰已熄灭，1号柴油云雾仍在剧烈燃烧；400 ms时，3、4、5号柴油火球基本已熄灭消散，而1号柴油火球只有径向两端部分火焰熄灭。

2.2 爆炸火球特征参数

爆炸火球特征参数主要包括表面温度、高温持续时间和火球尺寸等。运用红外热成像仪自带的MikroSpec软件对火球热成像图进行分析、处理，可以得到具体的爆炸火球特征参数，如表2所示，其中：Tm为表面最高温度，T0为火球表面最高温度时的表面平均温度，Δt为各温度区间的持续时间，S为火球最大截面积；对于粗略的估算，柴油等碳氢燃料形成的“厚发光火焰”可以视为黑体[13]，由Stefan-Boltzmann定律可知黑体辐射度J*为

式中：Stefan-Boltzmann常数σ0=5.67×10-8W/(m2·K4)；T1为黑体绝对温度，即火球表面最高平均温度。

表2 柴油云雾爆炸火球特征参数Table 2 Characteristic parameters of diesel fuel cloud explosion fireball

由表2可知，前4种柴油云雾爆炸火球的表面最高温度均超过了1 273.15 K，其中3号柴油火球表面最高温度最大，而火球表面达到最高温度时的表面平均温度T0与火球表面最高平均温度T1则由1号至5号柴油递减，均与实验测量得到的火球表面平均温度Ta随时间的变化情况（如图5所示）较为一致，即柴油云雾爆炸火球表面平均温度随着柴油样品中水、防雾剂含量的增加而减小，可见火球表面最高温度Tm在起爆初期受到炸药爆炸产物的影响比较明显，它只体现了爆心附近区域火球的表面温度，不能代表火球表面整体情况。同时也说明，采用T0、T1表示火球火焰燃烧剧烈程度是合适的。

图5 柴油云雾火球表面平均温度随时间的变化Fig. 5 Variation of the surface average temperature of diesel fuel cloud fireball with time

3 抑爆性能评估

灰色关联分析法是分析系统中各元素之间关联程度或相似程度的方法，无须确定评估指标的权重，有利于增强评估的客观性[14]，因此运用灰色关联分析法对爆炸火球特征参数进行定量计算，可以评估新型微乳化柴油火球的爆炸威力及其抑爆性能。

3.1 确定指标数据列

选取4种评估柴油云雾爆炸火球特性的指标：火球表面最高温度时的平均温度T0、高温（高于1 273.15K）持续时间Δt、火球最大截面积S、火球的辐射度J0。其评价指标值如表2所示，指标数据列为：

3.2 指标数据规范化处理

对指标数据列进行规范化处理，以便把原始数据化为无量纲、同级、正向可加的数据。

由于表2中各指标数据均为极小型数据，即评估指标值越小，火球爆炸威力越小，关联度越大，抑爆性能越好，因此采用下式对指标数据进行标准化

式中：dij为原始数据，为指标数据列中第i个评估对象的第j项指标值，μij为标准数型，Mj和mj分别为第j项指标的最大值和最小值。根据式(5)得到表3。

表3 规范化后的指标值Table 3 Normalized index values

3.3 构造最优参考数据列

根据以上指标数列构造出最优参考数据列。最优参考数据列由各项指标在以上数据列中最优的值所构成，即 x0=（1，1，1，1）。

3.4 计算最优关联度，并排序评估

计算最优关联度τi，即xi与最优参考数据列x0的关联度。关联分析中被比较数列常记为xi，一般表示为：

对于一个参考数据列x0，比较数列为xi，可用下述关系表示比较点与参考点在各点的差：

式中：δik(k)是第k个时刻xi与x0的相对差值，称为xi对x0在k时刻的关联系数。在实际使用时，应根据序列间的关联程度选择分辨系数，一般取δ=0.5。因此，由式(7)计算可得：δ11(1)=δ12(2)=δ13(3)=δ14(4)=0.333 3。

关联系数只表示各点数据间的关联程度，由于关联系数的数很多，信息过于分散，不便于比较，为此有必要将各点的关联系数集中为一个值，求平均值便是作为这种信息集中处理的一种方法。最优关联度的一般表达式为

根据式（8）计算得到：τ1=0.333 3，τ2=0.567 3，τ3=0.725 0，τ4=0.730 2，τ5=1

由此可得，在被评估的5种柴油中，1号柴油的爆炸威力最大，3、4号柴油的爆炸威力比较接近，而5号柴油的爆炸威力最小。可见，新型微乳化柴油具有良好的抑爆性能，随着防雾剂含量的增加，其抑爆性能也越好，而且从3、4号柴油评估结果可以确定，柴油的含水量在15%以下时，多增加10%的水与加入质量分数为0.002的防雾剂的抑爆效果相当。

4 抑爆机理分析

运用液体燃料抛撒和成像系统可以记录柴油柱在激波及其高速气流作用下的抛撒雾化情况。液体燃料抛撒和成像系统由水平激波管、压力传感器、信号调理器、时序控制器、光源控制器、高压闪光电源、凹面反射镜和单反照相机（BULB模式）等组成，如图6所示。

图6 液体燃料抛撒和成像系统俯视示意图Fig. 6 Vertical schematic of liquid fuel dispersal and imaging system

水平激波管管口外部15 mm处自上而下布置有油杯和上、下两根出油管，上、下出油管之间留有3 mm的空隙以形成油柱。出油管为不锈钢管，上管的内径为3 mm，下管的内径为5 mm，如图7所示。

图8是油柱在1.75马赫激波作用下的雾化情况，图9是运用Spraytec型实时喷雾激光粒度分析仪测定得到的油样抛撒雾滴特征平均粒径，其中DV(10)、DV(50)、DV(90)为累积体积分数为10%、50%、90%时对应的雾滴粒径，即小于此粒径的雾滴体积分别占全部雾滴总体积的10%、50%、90%。D[3,2]为表面积动量平均径，即索态尔（Stauter）平均直径。D[4,3]为体积或质量动量平均径。

图7 水平激波管示意图Fig. 7 Schematic of a horizontal shock tube

图8中，3号云雾团的颜色比1、2号稍浅，说明雾滴平均粒径较大，密度较小。4、5号柴油雾化效果差，呈液丝、液块状向前运动，只有少部分的细小雾滴从液丝上脱落出来，而由图9可见4、5号柴油的5种特征平均粒径均显著高于前3种柴油雾滴粒径，如4、5号柴油雾滴索态尔平均直径D[3,2]比1号柴油雾滴D[3,2]大77.7及110.6 µm。总体上，图8反映的抛撒雾化现象与图9中5种柴油雾滴平均粒径大小排列是吻合的。

图8 激波及高速气流作用下柴油柱的雾化过程Fig. 8 Atomization process of diesel fuel column by shock wave and high speed airflow

由此可见，液体燃料的运动黏度和黏性对燃料的抛撒雾化效果有着至关重要的影响。尤其是，在燃料中添加高分子聚合物防雾剂后增强了其“雾化抑制效应”，防雾剂的高分子链变形和松弛造成燃料的黏弹性增大[15-16]，如图10所示，其中ω是样品小幅振动的角频率，3号柴油的黏性模量始终稍大于弹性模量，表明黏性起主要作用，而5号柴油的弹性模量值显著大于自身的黏性模量以及3号柴油的弹性模量，表明它具有较高的弹性，因此新型微乳化柴油在高速抛撒过程中分子链的拉伸将产生抵制外部变形的拉伸应力[17-19]，使液滴在高速气流剪切作用下也不易破碎，液滴分散效果差，抑爆性能好。

图9 雾滴特征平均粒径Fig. 9 Characteristic mean particle size of droplet

图10 柴油样品的小振幅振荡流变曲线Fig. 10 Small amplitude oscillatory rheological curves of diesel fuel samples

5 结 论

（1）抛撒和云雾爆炸实验中，中心药柱起爆抛撒20 ms后新型微乳化柴油的抛撒云雾径向扩展半径显著小于其他柴油，如在24 ms时，4、5号新型微乳化柴油抛撒云雾径向扩展半径比1号-10#柴油分别小15.43和15.95 cm。新型微乳化柴油云雾爆炸火球特征参数也较小，4、5号柴油的火球的表面最高平均温度比1号柴油分别低296.90和336.90 K；火球表面高温（高于1 273.15 K）持续时间方面，4、5号柴油为140、0 ms，分别比1号柴油少94和234 ms；4、5号柴油的火球最大截面积也分别只有1号柴油的60.10%、53.53%。

（2）运用灰色关联分析法对爆炸火球的表面最高温度时的平均温度、高温持续时间、最大截面积、辐射度等特征参数进行定量计算，评估了5种柴油火球的爆炸威力。结果表明，随着柴油中的含水量和防雾剂含量的增加，微乳化柴油的爆炸威力越小，其抑爆性能越好。另外，3、4号柴油的抑爆性能接近，说明柴油的含水量在15%以下时，多增加10%的水与添加0.2%防雾剂的抑爆效果相当。

（3）运用激波及其高速气流抛撒雾化柴油样品，再应用激光粒度分析仪测定抛撒雾化形成的雾滴平均粒径，4、5号柴油的雾滴特征平均粒径显著大于其他柴油，如4、5号柴油雾滴索态尔平均直径D[3,2]比1号柴油雾滴D[3,2]大77.7和110.6 µm。又根据其流变性能确定，新型微乳化柴油中添加防雾剂使其液滴黏弹性增大，在高速气流剪切作用不易破碎、雾化，液滴分散效果差，抑爆性能好。