爆炸場熱通量與溫度的理論與實驗研究*

陳愛艷，范錦彪，，李玲玲

(1中北大學電子測試技術國家重點實驗室，太原 030051; 2儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室，太原 030051)

爆炸場熱通量與溫度的理論與實驗研究*

陳愛艷1，范錦彪1，2，李玲玲2

(1中北大學電子測試技術國家重點實驗室，太原 030051; 2儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室，太原 030051)

由于爆炸場的環(huán)境特殊，從而使測量的溫度比實際要偏低。故研究熱通量與溫度的關系，通過測量熱通量得到更加準確的爆炸場溫度。論文從理論上研究分析了熱通量與溫度之間的關系，通過測試系統(tǒng)對爆炸場的熱通量和溫度進行了實際測量，并進行了實驗分析。最終得出通過測量的熱通量換算得到的溫度比直接測量得到的溫度更能真實地反應爆炸場的爆溫。

爆炸場;熱通量;溫度

0 引言

由于爆炸場的環(huán)境特殊，從而使測量的溫度比實際要偏低。Baker、Dorofeev S B等人對爆炸火球進行了理論研究［1］，Rakaczky.J.A［2］結合BLEVE模型中大氣傳輸率對Baker模型作了進一步改進;陳云珠等人提出了熱阻對熱通量失真影響的理論基礎［3］;尹福炎［4］等人提出了熱流的測量方法，余凱凱［5］基于Zig-Bee無線傳感網絡對爆炸場的瞬態(tài)溫度進行了測量;黃磊等人［6］基于熱通量傳感器對爆炸場的熱輻射予以了測量。

基于前人對熱毀傷研究所需模型的理論分析及對熱通量和溫度的測量實驗，文中對熱通量與溫度之間的關系做了進一步的分析。

1 熱毀傷威力的理論研究

1.1 火球的熱輻射模型

目前，國內外的學者大多將火球的爆炸過程看成一個靜態(tài)過程，他們認為火球的直徑、表面熱輻射等是在瞬間達到最大，因而提出了一系列相關的理論模型。但是，分析可知，即使是同一種物質，在不同的質量范圍、爆炸條件環(huán)境下，所得到的火球的模型之間也存在差異。因此，Baker等人提出了普適火球模型，引入火球的溫度作為參數，具有一定的實用價值。

火球的直徑：

結合BLEVE模型中的大氣傳輸率，將BLEVE模型和火球動態(tài)輻射模型都考慮進去，得到了更接近炸藥爆炸真實情況的火球模型：

式中：q為熱通量(W/m2);T為火球溫度(K);D為火球直徑(m);G為常量，G取0.958×10－7;L為目標到火球中心的距離(m);F為常量161. 7;M為火球中消耗的燃料質量(kg)。

1.2 影響熱通量失真的因素

在爆炸場中的熱通量傳感器會受到周圍介質的輻射換熱和對流換熱的影響，而且，由于傳感器制作工藝的原因，其自身的熱阻會影響熱通量的輸出值，使傳感器所指示的熱通量低于未經失真的熱通量，測量得到的數據不能反應實際的情況，為此，通過計算得到未經失真的熱通量值是很有必要的。對于放置在爆炸場空氣中的傳感器，熱阻主要分為兩部分：傳感器本身的熱阻以及傳感器與周圍環(huán)境的熱交換(對流和輻射)而引起的熱阻。

傳感器與周圍環(huán)境的熱交換(對流和輻射)而引起的熱阻：

式中：T1為爆炸后對流換熱過程中的溫度;q1為傳感器對流換熱過程中總熱通量。

用傳感器測量得到的實際的熱通量與未經失真的熱通量的比值為：

式中：q1為實際測量得到的熱通量;qs為未經失真的熱通量;R1為傳感器與周圍環(huán)境的熱交換(對流和輻射)而引起的熱阻;R2為傳感器本身的熱阻。

1.3 熱通量的測量方法

熱流的測量方法一般有兩種：溫度差法(定常法)和溫度上升法(過渡法)。

1)溫度差法

熱源產生的熱流，在其經過測量物體的時候，會形成溫度相等的等溫面，且該等溫面不隨時間而有位置形狀的變化。那么，單位時間內垂直等溫面的面積dS上流過的熱量dQ為：

式中：k為物質的熱傳導率;эT/эx為與等流面垂直方向的溫度梯度。

因此，熱傳導率為k，厚度為Δx時，在面積dS上板材的溫度差ΔT與熱量關系式為：

聯(lián)立以上兩式，則可以得到熱流傳感器損失的熱通量與其溫度差的關系。

2)溫度上升法

熱電偶傳感器的熱容量為C，在t時間內溫度變化為T2時，在單位時間內轉移到傳感器的熱量Q為：

在輻射場中，溫度由置于輻射條件下的傳感器測得，S1為輻射的垂直面積，則可求得輻射熱通量為dQn/S。

1.4 實驗的技術路線

文中先用Baker的修正模型對測量得到的熱通量與溫度數據進行檢驗，在滿足條件的情況下，利用熱通量和溫度求得未經失真的熱通量值。并根據熱通量的測量方法(溫度差法)，由傳感器損失的熱通量計算得到了傳感器在實驗時自身的溫度變化。最后，根據熱通量的測量方法(溫度上升法)，由未經失真的熱通量值求得了一定距離處的溫度，并與實際測量值進行比較分析。

2 實驗

2.1 樣品及儀器

為了驗證上述方法的可靠性，文中基于熱電偶傳感器(E12型)和G-25系列戈登輻射熱流傳感器測得了所需的溫度和熱通量數據。實驗時，樣品為27 kg的TNT炸藥，在距離爆心11 m、13 m和15 m處，分別放置了兩組測量溫度［7］和測量熱通量［8］的裝置進行數據的采集。

2.2 測試結果

測試所得的部分數據如圖1、圖2及圖3所示。

3 討論分析

3.1 熱通量曲線的分析

將測量數據進行統(tǒng)計整理，并結合以上理論分析所得結果如表1所示。

由表1可知，傳感器的熱阻對所測熱通量有一定程度的影響。當測量的熱通量值越大時，其自身的熱阻對其影響越大。

表1 不同距離傳感器的熱通量及溫升

圖1 15m處的熱通量和溫度

圖2 13m處的熱通量和溫度

圖3 11m處的熱通量和溫度

根據熱通量傳感器測試方法(溫度差法)，當傳感器自身損耗的熱通量較多時，傳感器的溫度上升也越高。但是，實際爆炸測試時，傳感器自身的溫度變化并不是太大。原因主要有以下兩個方面：一方面，傳感器放置在距爆炸火球較遠的地方;另一方面，由于爆炸后熱流作用在傳感器上的時間及其短暫，而傳感器溫度的升高則需要一定的熱積累［9］。因此，在測量時不必考慮傳感器自身溫度對測量數據的影響。

3.2 溫度曲線的分析

將測量數據進行統(tǒng)計整理，并結合以上理論分析所得結果如表2所示。

由表2可知，通過熱通量換算得到的溫度比實際測量得到的溫度要偏高。原因主要有以下幾個方面：一方面，熱通量傳感器的精度比熱電偶傳感器的精度高，響應時間快;另一方面，爆炸后，溫度衰減的速度較輻射熱流衰減的速度快得多。因此，用通過熱通量換算得到的溫度來衡量爆炸場某一點的溫度更準確。

表2 爆炸場溫度計算值與測量值比較

4 結論

1)文中研究了傳感器熱阻對熱通量的影響及傳感器熱通量對其溫度上升的影響，并通過熱流傳感器得到的熱通量曲線進行了分析與討論，其結果對評價爆溫有一定的意義。

2)文中研究了未失真的熱通量與溫度之間的關系，并與熱電偶傳感器測得的溫度進行了比較分析，得出了一種較準確的測量爆炸場溫度的方法。

［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］陳云珠，崔志尚，孫堅.熱通量傳感器的應用及檢定［J］.中國高新技術企業(yè)，2011(9)：79-81.

［4］尹福炎.熱流傳感器及其應用概況［J］.傳感器世界，2000(11)：7-13.

［5］余凱凱.基于ZigBee無線傳感網絡瞬態(tài)溫度存儲測試系統(tǒng)的研究［D］.太原：中北大學，2011.

［6］黃磊，何中其，李春光，等.熱通量傳感器在爆炸場熱輻射測試中的應用［J］.火炸藥學報，2011，34(5)： 38-42.

［7］田壯，溫濟霞，祖靜，等.瞬態(tài)高溫測試系統(tǒng)的設計［J］.伺服控制，2012(3)：89-91.

［8］鄭燕露，張會新，李永慧.基于FPGA的高溫熱流傳感器信號采集系統(tǒng)設計［J］.化工自動化及儀表，2011，38(7)：809-811.

［9］黃磊.不同炸藥爆源的爆炸場熱效應分析與測試［D］.南京：南京理工大學，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

陳愛艷(1989－)，女，山西太原人，碩士研究生，研究方向：爆炸場瞬態(tài)溫度的研究。