现场混装乳化炸药静态敏化器混合特性研究

张小勇，薛 里

(1.中国葛洲坝集团易普力股份有限公司，重庆401121；2.中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京 100081)

现场混装乳化炸药以安全、高效、适应广等诸多优势在国内外得到广泛应用，敏化装置是乳化炸药生产中影响炸药爆轰性能的核心环节，直接关系到现场爆破的质量和安全。目前国内乳化炸药主要有机械搅拌及静态混合等两种化学敏化方式。机械搅拌敏化方式由于生产过程存在机械剪切作用，导致乳化基质会出现破乳现象，从而影响炸药性能，而静态敏化器无运动部件，具有混合效率高、体积小、能耗小、易于连续化生产等特点，因此，静态敏化器替代传统机械搅拌敏化机进行敏化，可有效避免机械搅拌对乳胶油膜的破坏，并能提高敏化过程的安全性[1]。

静态敏化器是实现乳化炸药现场混装的一个关键装置[2]，苗涛等[3]论述了现场混装炸药不同结构敏化混合装置及各自的应用场合，孙伟博等[4]应用数值模拟软件分析了撞击流混合单元对井下现场乳化炸药混合敏化的效果，周俊等[5]针对采用静态混合敏化器的安全性进行了分析。本文设计了一种针对铁路大断面隧道应用现场混装乳化炸药的静态敏化器，并采用数值模拟方法对其流场特性进行了研究，结合敏化试验进行了验证。

1 静态敏化器结构设计

静态敏化器是一种在管道内安装有若干不同类别、固定的混合单元而成，其作用可分为3类，一是对流体起分割作用；二是使流道形状和截面发生变化产生剪切作用；三是使流体产生旋转，起到自动搅拌作用[6-9]。静态敏化器混合单元的结构及数量产生的节流、分流及造涡作用将对乳化基质与敏化剂的混合效果产生直接影响[10-14]。根据上述特点，采用三维软件设计了静态敏化器几何模型(见图1)。

图1 静态敏化器几何模型Fig.1 Static sensitizer geometry model

在现场敏化混装乳化炸药时，非牛顿型流体的乳化基质[15]与低黏度的牛顿流体敏化剂分别从静态敏化器左端两个入口注入，分别经过管内布置的静态混合单元，完成乳化基质的静态敏化过程，最终由出口进入炮孔。静态敏化器由两个混合单元1和一个混合单元2组成，静态混合单元1结构是一个由大直径进口逐渐缩小成为一个小直径管道的单元，静态混合单元2是一个类似网状结构的静态混合单元。

2 静态敏化机理及参数模拟研究

2.1 模型建立

采用专业的计算流体动力学分析软件SOLIDWORKS Flow Simulation对乳化基质与敏化剂在静态敏化器中静态敏化过程进行数值模拟，通过应用数值模拟分析丰富类似工程问题的研究方法，对静态敏化器的进一步研究提供重要参考依据。

1)基本参数。数值模拟选择计算单位制为SI，压力单位bar；创建一个内部类型的流场分析，选择条件“排除不具备流动条件的腔”，选择瞬态分析和自由面物理特征，分析总时间3 s，输出时间步长0.2 s；默认流体乳化基质和敏化剂，其中乳化基质温度为50 ℃，密度为1.35 g/cm3，黏度为24 Pa·s，敏化剂用水代替；使用默认壁面条件为绝热壁面，粗糙度0 μm；初始液体为水。

2)边界条件及目标。静态敏化器模型主要由静态混合单元与静态敏化器壳体组成。其中乳化基质与敏化剂入口在静态敏化器管体上，直径分别为16、3 mm，管体长度200 mm，入口流体的质量流率分别为0.35、0.008 kg/s，出口处的压力边界条件为环境压力。数值模拟是流场的速度及压力分布，在此定义全局速度及静压为计算目标。

3)划分网格。全局网格采用4级精度自动划分网格，其中最小间隙0.3 mm；为静态混合单元3设置流体局部网格，细化流体网格的级别为3级。静态敏化器划分总网格510 178个，流体网格345 308个，接触固体的流体网格164 870个。

2.2 静态敏化器机理

1)静态混合单元1混合机理。当乳化基质、敏化剂混合流经过静态混合单元1时，从其出口端的一段管体中心流体速度最大，从管中心至管壁速度逐渐减小，中心高速流与管壁区域低速流形成的速度梯度涡流混合区让乳化基质与敏化剂得到混合，但随着混合流的流动距离增加，管中心至管壁区域之间的流速差变小，在静态敏化器管体出口段混合流成为层流状态(见图2)。

图2 静态敏化器纵向速度流场Fig.2 Longitudinal velocityf low field of static sensitizer

2)静态混合单元2混合机理。分别于距静态混合单元1出口端X0处20、40、50、60、150 mm位置，选取X1～X5截面速度流场，得静态敏化器在不同位置横截面的速度流场变化分布(见图3)，可直观观察到当乳化基质、敏化剂混合流流经静态混合单元2时，乳化基质、敏化剂混合流除经“分割—移位—汇合”3个要素混合之外，还会形成涡流。涡流产生的强剪切力会作用于乳化基质、敏化剂混合流，使流体的细微部分进一步被分割、混合，进而实现强化混合效果。

图3 静态敏化器不同横向位置的速度流场分布Fig.3 Velocity flow field distribution of static mixer at different horizontal positions

2.3 参数变化对静态敏化的影响

1)不同结构单元对静态敏化的影响。保持静态混合器的边界条件不变，单独对静态混合单元1与2各自的混合效果分别进行数值模拟对比，结果如图4所示。从图4a中可看出，乳化基质、敏化剂混合流分别通过静态混合单元1和单元2时，前者的出口流体速度达到7.9 m/s，后者只有1.09 m/s，静态混合单元1远大于单元2；静态混合单元1出口流体高速流会保持一段距离，而静态混合单元2出口的流体速度会迅速降低。从图4b中可看出，在相同边界条件下，静态混合单元1的静压为5 bar，高于静态混合单元2的2.8 bar。

图4 静态敏化器不同混合单元的流场分布Fig.4 Flow field distribution of different mixing units in static sensitizer

2)入口流体质量流率变化对静态敏化的影响。入口流体质量流率选用工程常用的3种工作质量流率进行了数值模拟对比(见表1)。

表1 入口流体质量流率

经数值模拟计算，当乳化基质、敏化剂混合流流经静态混合单元时，乳化基质、敏化剂混合流会逐级产生压降，使系统压力逐渐提高(见图5)。但在3种不同质量流率下，静态敏化器的速度流场除最高流速增大外，其混合分布形态未发生变化，但静态敏化器的整体静压会随着质量流率增大而增大，3者最大静压力值为15 bar， 压力值在乳化基质管路安全泵送的压力范围0.8～1.5 MPa[16]内，应用安全。数值模拟仿真初始条件管道内壁表面粗糙度0 μm，未考虑管道与混合流体的摩擦，显而易见摩擦将会导致输送压力增大。因此，静态敏化器实际工作应采用低于0.5 kg/s入口质量流率。

图5 静态敏化器不同入口质量流率纵向静压流场分布Fig.5 Longitudinal static pressure flow field distribution of mass flow rate at different inlet of static sensitizer

3 静态敏化器应用研究

3.1 敏化试验

为直观验证静态敏化器的敏化效果，采用现场混装设备进行敏化试验，试验设备及工艺流程系统如图6所示。试验时，乳化基质、敏化剂分别从乳化基质料箱及敏化剂箱中流出，通过泵送、计量至静态混合器，经静态敏化后，取样观察乳化基质敏化的效果及测量乳化基质敏化的密度。

图6 试验设备及工艺流程Fig.6 Flow of test equipment and process

为了对比静态敏化效果，试验分为两组进行，一组静态敏化器中包含两个静态混合单元1(试验1)，另一组则在两个静态混合单元1中间加了一个静态混合单元2(试验2)，试验结果如图7所示。试验1敏化剂分散混合不均匀，乳化基质的敏化密度1.22～1.27 g/cm3；试验2敏化剂分散混合均匀，乳化基质的敏化密度1.10～1.17 g/cm3，试验2满足应用需求。从两种组合的敏化效果看，试验2采用的组合静态敏化器敏化混合均匀性明显优于试验1，发泡效果也更好。

图7 静态敏化效果对比Fig.7 Comparison of static sensitization effect

3.2 工程应用

应用经静态敏化器敏化的现场混装乳化炸药在东方希望重庆水泥有限公司六期804平台石灰岩矿开展了装药、爆破作业。现场炮孔台阶高度12 m，孔网参数6.5 m×4.0 m，炮孔直径160 mm，炮孔深度13.5～14.0 m，单孔装药量130～165 kg，填塞长度4.5～5.0 m，装药输送压力小于0.8 MPa。爆破后岩石破碎均匀，爆破效果良好(见图8)。

图8 爆破效果Fig.8 Blasting effect

4 结论

1)通过分析静态敏化器内部纵向及横向不同位置的速度流场，显示乳化基质与敏化剂在两种静态混合单元的作用下得到充分混合。

2)通过分析不同静态混合单元、不同入口质量流率下的速度及静压流场分布，获得静态混合单元及入口质量流率对静态混合器的影响，验证了现场混装乳化炸药静态敏化器的安全性。

3)由两个混合单元和一个网状结构单元组成的静态敏化器混合均匀，敏化效果良好，能满足工程使用需求。