摘要：為進(jìn)一步了解柴油爆炸拋撒云霧形成過程以及爆炸性能，開展了激波作用-10#柴油液柱實驗。采用陰影成像技術(shù)記錄油柱的變形、破碎行為和霧化過程，建立了油柱變形與破碎模型，并根據(jù)無量綱參數(shù)公式計算了油柱破碎模式，分析了激波作用后油柱變形和破碎霧化的特征。結(jié)果表明：激波遇到油柱會發(fā)生繞射現(xiàn)象，激波誘導(dǎo)的高速氣流將繼續(xù)作用油柱，油柱繼而發(fā)生弓箭形變形并最終導(dǎo)致其破碎、霧化。柴油柱在153μs時完成變形發(fā)生爆炸破碎，形成大量霧滴顆粒。霧滴在氣動力、空氣阻力等作用下繼續(xù)運(yùn)動形成云霧團(tuán)，激波波速越大，油柱破碎越劇烈，霧化粒徑也越小。
關(guān)鍵詞：柴油柱;激波;破碎;霧化
液體燃料的拋撒、破碎和霧化效果是決定其爆炸后果的重要因素，通過研究其破碎和霧化情況可以掌握液體燃料爆炸性能和機(jī)理，因此國內(nèi)外很多專家學(xué)者對液體燃料的拋撒、破碎和霧化過程進(jìn)行了深入研究。液體拋撒爆炸破碎可以分為首次破碎和二次破碎兩個階段[1]。
首次破碎是在被拋撒液體剛開始破碎的階段發(fā)生，指由于氣體動力作用而在連續(xù)相液體表面產(chǎn)生擾動、變形，導(dǎo)致大塊的液體最后破裂成較小的帶形、絲狀等不規(guī)則液體單元，液體單元的尺寸通常在毫米或厘米量級。液體的二次破碎是指從首次破碎中產(chǎn)生的液滴顆粒在氣動力作用下減速、變形和破碎的過程，通常表現(xiàn)為首次破碎后產(chǎn)生的不規(guī)則形狀的液體顆粒在氣動力作用下破碎為更小尺寸的細(xì)小霧滴[2]。
不像首次破碎受到湍流擾動、不穩(wěn)定性的發(fā)展或氣動阻力的作用，影響二次破碎的因素并不多。HINZE[3]指出二次破碎的破碎形式與Weber數(shù)(We)、Ohnesorge數(shù)(Oh)兩個無量綱量有關(guān)。We指液滴所受氣動阻力和表面張力之比，Oh表示液滴的黏性力和表面張力之比。HSIANG等[4-7]通過大量實驗研究了液滴的變形和二次破碎過程，提出液體在Oh<0.01時破碎模式隨We的增加而變化，主要有振蕩變形、袋形破碎、多模式破碎和剝落破碎等，這與HINZE等[3]提出的破碎模式相似。
耿繼輝等[8]開展了激波誘導(dǎo)液滴變形和破碎的實驗，詳細(xì)分析了激波與液滴相互作用以及液滴加速、變形和破碎過程，研究發(fā)現(xiàn)初始液滴形狀對變形和破碎過程有很大的影響，并且在低We數(shù)條件下，液滴變形到最大的時間將增大。吳德義[9]研究了在爆炸沖擊波作用下液體的密度、表面張力等對液體二次破碎的影響，研究表明液體密度較小，其拋撒初速度增大;液體表面張力較低，液體二次破碎加劇，霧化程度加強(qiáng)。在液滴研究的基礎(chǔ)上，一些學(xué)者對激波及高速氣流作用較大體積、不同自由形狀的液柱、液膜、液體環(huán)等進(jìn)行了研究。
例如，DOMBROWSKI等[10]在1963年提出了液膜解體的物理機(jī)理，他們認(rèn)為液膜的破碎解體主要是由液膜表面增長的長波引起的;HESPEL等[11]通過簡化氣流速度等實驗條件的方法研究了液膜、液片的霧化情況，并分別運(yùn)用高速攝像技術(shù)和圖像分析技術(shù)得到了液膜等破碎解體以及顆粒度情況，他們認(rèn)為液層的厚度對霧化質(zhì)量有重要影響。蔡慶軍等[12]對軸對稱液體環(huán)拋撒過程進(jìn)行了細(xì)致研究，不僅自主設(shè)計了軸對稱液體拋撒實驗裝置，還對軸對稱液體環(huán)的形成、變形和破碎等過程和物理機(jī)制進(jìn)行了分析和研究。
本文開展激波作用-10#柴油液柱實驗，采用陰影成像技術(shù)記錄油柱的變形、破碎行為和霧化過程，建立了油柱變形與破碎模型，分析了激波作用后油柱變形和破碎霧化的特征，為進(jìn)一步開展其爆炸拋撒云霧形成過程及其爆炸性能和機(jī)理研究提供了科學(xué)依據(jù)。
1實驗介紹
實驗裝置主要有水平激波管、油杯、出油管、高壓空氣瓶、膜片等。由于柴油燃料表面張力較小，在自由下落情況容易發(fā)生變形，很難實現(xiàn)規(guī)則的球狀或柱狀，因此實驗中上、下兩根不銹鋼出油管之間留有3mm高的空隙形成形狀規(guī)則的油柱，出油管上管的內(nèi)徑為3mm，下管的內(nèi)徑為5mm，油柱底面直徑與高相等。水平激波管為長1000mm的圓管，內(nèi)徑為32mm，中后部有一個法蘭和氣體接口。油杯及其連接的出油管豎直固定在激波管口部前方15mm處。
高壓空氣瓶的作用是向激波管提供高壓驅(qū)動空氣。當(dāng)高壓氣體入口處的電磁閥打開后，高壓空氣急速進(jìn)入激波管中使法蘭夾固的膜片瞬間破裂產(chǎn)生空氣激波?？諝饧げㄒ猿曀俾氏冗\(yùn)動至水平激波管管口，而激波之后的氣流以亞聲速向出口方向運(yùn)動。 壓力測試系統(tǒng)壓力測試系統(tǒng)包括PCB公司的113B21系列的壓電式壓力傳感器、482A20型多通道信號調(diào)理器、四通道數(shù)據(jù)采集卡及配套的連接線。壓力傳感器P1，P2安裝在離激波管出口6，3cm處的管壁上，且傳感器受壓面與激波管壁相齊平。壓力傳感器不僅可以測定激波及其高速氣流的壓力，而且可以根據(jù)激波通過兩個傳感器的時間差計算其速度。
首先設(shè)置好高壓空氣瓶的輸出壓力和激波成像系統(tǒng)，再將實驗樣品倒入油杯中使其豎直從出油管中連續(xù)流動，最后開啟高壓氣體入口處的電磁閥，高壓氣體瞬間破膜產(chǎn)生激波作用油柱，同時成像系統(tǒng)記錄下該時刻的激波作用油柱情況。
2實驗結(jié)果與分析
激波在前進(jìn)中，遇到一些柱、球等幾何體時會發(fā)生繞射現(xiàn)象，而對于薄物體，則可以認(rèn)為這時產(chǎn)生的激波作用油柱情況，擾動是對原平面激波的微擾[13]。該時刻激波已繞射至油柱左側(cè)，而高速空氣流則剛運(yùn)動到管口，此時油柱未發(fā)生明顯變形，因此可以確定激波發(fā)生了繞射現(xiàn)象。但是在超聲速條件下，激波作用到油柱時會在油柱表面形成不均勻的壓力分布，后面的高速氣流繼續(xù)作用油柱，壓力分布發(fā)生變化，油柱繼而發(fā)生變形并最終導(dǎo)致其破碎、霧化。
激波及誘導(dǎo)的高速氣流與油柱的相互作用其實是兩種不相混流體之間的交界面上形成的擾動是否發(fā)展的問題。高速氣流運(yùn)動伴隨著較高的加速度，因而出現(xiàn)與加速度反向的慣性力，只要有物質(zhì)界面存在，就會有Rayleigh-Taylor(R-T)不穩(wěn)定性。對于柱狀液體，高速氣流作用時還會存在切向速度的差異，也會形成Kelvin-Helmholtz(K-H)不穩(wěn)定性。因此，作用在油柱表面的不穩(wěn)定擾動波發(fā)展到一定程度將導(dǎo)致油柱變形和破碎。
2.1變形行為
柴油密度遠(yuǎn)大于空氣，是重流體，而激波誘導(dǎo)的高速氣流為輕流體，加速度方向指向軸心，因此必然出現(xiàn)R-T不穩(wěn)定性現(xiàn)象。當(dāng)氣動力作用油柱的時候，氣流在油柱表面形成不均勻的壓力分布，油柱沿氣流方向被壓縮，沿垂直氣流的方向被拉伸。水平方向上，上下管口的油液因為黏性力的作用阻礙與它貼近的油柱液層沿氣流方向運(yùn)動，這樣的黏性力作用隨著時間從上、下液層向油柱中心層傳遞，由于油柱中心部分總是先于油柱上下兩端液層發(fā)生速度和位移，而越往中心處其液層與貼近的上下兩層液層在垂直方向的相對速度越小，根據(jù)剪切力公式可知黏性阻力越小，沿氣流運(yùn)動方向加速度越大，油柱呈弓箭形變形，并伴有液體發(fā)生剝離。
2.2破碎模式
由于油柱的直徑與高相等，因此這里可以將油柱近似為球狀油滴，其變形和破碎的程度取決于作用在液滴上的氣動阻力和形成液滴的液體的表面張力之間的比值。
2.3霧化過程
油柱破碎后的霧滴在氣動力、空氣阻力等作用下繼續(xù)運(yùn)動，并形成較大面積的云霧團(tuán)。
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3結(jié)論
1)激波前進(jìn)中遇到油液柱會發(fā)生繞射現(xiàn)象，但是在油柱表面會形成不均勻的壓力分布，激波誘導(dǎo)的高速氣流繼續(xù)作用油柱，壓力分布發(fā)生變化，油柱繼而發(fā)生變形并最終破碎、霧化。
2)當(dāng)氣動力作用油柱的時候，油柱迎風(fēng)面受到滯止壓強(qiáng)作用，油柱沿氣流方向被壓縮，沿垂直氣流的方向被拉伸，呈弓箭形變形，并伴有液體發(fā)生剝離。同時，表面張力以及出油管內(nèi)油液對油柱的水平剪切力阻礙油柱沿氣流方向運(yùn)動。由此，可以得到油柱的運(yùn)動方程。
3)直徑與高相等的油柱可近似為球狀油滴，根據(jù)無量綱參數(shù)公式計算以及實驗均得到在153μs左右時油滴完成變形發(fā)生爆炸破碎，形成大量霧滴顆粒。
4)油柱破碎后的霧滴在氣動力、空氣阻力作用下繼續(xù)運(yùn)動形成云霧團(tuán)。應(yīng)用激光粒度分析儀測定了不同波速的激波作用油柱形成的云霧團(tuán)的霧滴平均粒徑，表明激波波速越大，油柱破碎越劇烈，霧化粒徑也越小。
5)液體燃料由于其自身的揮發(fā)性和易燃性，在激波強(qiáng)沖擊作用下，極易發(fā)生快速霧化進(jìn)而引起燃燒和爆轟。目前的研究主要關(guān)注于激波沖擊下非反應(yīng)性液滴的破碎和霧化，對于燃料液滴的霧化特性研究較少，因此研究柴油液滴的變形、破碎和霧化過程，對掌握它的爆炸特性和開發(fā)在強(qiáng)沖擊載荷作用下拋撒而不發(fā)生云霧爆炸的安全燃料具有重要理論和技術(shù)指導(dǎo)作用。原總后勤部油料研究所在激波與燃料液滴相互作用過程中的流場混合機(jī)制認(rèn)識基礎(chǔ)上，成功開發(fā)出沖擊作用下不易發(fā)生爆轟的阻爆柴油。
參考文獻(xiàn)：
[1]FAETHGM，HSIANGLP，WUPK.Structureandbreakuppropertiesofsprays[J].InternationalJournalofMulti-phaseFlow，1995，21：99-127.
[2]楊磊.軸向氣流作用下液體軸對稱拋撒的實驗研究[D].合肥：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2005.
[3]HINZEJO.Fundamentalsofthehydrodynamicmechanismofsplittingindispersionprocesses[J].AIChEJournal，1955，1(3)：289-295.
[4]HSIANGLP，F(xiàn)AETHGM.Dropdeformationandbreakupduetoshockwaveandsteadydisturbances[J].JournalofMultiphaseFlow，1995，21(4)：545-560.
[5]HSIANGLP，F(xiàn)AETHGM.Near-limitdropdeformationandsecondarybreakup[J].InternationalJournalofMulti-phaseFlow，1992，18(5)：635-652.
[6]CHOUWH，HSIANGLP，F(xiàn)AETHGM.Temporalpropertiesofdropbreakupintheshearbreakupregime[J].In-ternationalJournalofMultiphaseFlow，1997，23(4)：651-669.
作者：黃勇1，2，趙慶賢2，劉龍飛3，解立峰1，陳群
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