水霧對爆炸沖擊波衰減效應(yīng)的實驗研究*

趙家興，李 奇，張 亮，劉凇含，姜 林

（1. 南京理工大學(xué)機械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094；2. 中國船舶集團(tuán)有限公司第七一三研究所，河南 鄭州 450015）

意外爆炸會給人員和設(shè)施造成嚴(yán)重的傷害，并造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。為了減輕爆炸對人員和設(shè)施的損傷，發(fā)展更為有效的防護(hù)手段是十分必要的。現(xiàn)有的研究表明水具有衰減爆炸載荷的能力[1-5]。水具有很高的蒸發(fā)潛熱，可以吸收爆炸釋放的能量。此外，水具有使用方式靈活、價格便宜、容易獲取和對環(huán)境無污染的優(yōu)點。

利用水衰減爆炸載荷主要有3 種方式：(1) 在爆炸物周圍或者沖擊波傳播的路徑中噴灑水霧[1-2,6]；(2) 將爆炸物放置在裝滿水的容器中以形成對爆炸物的完全包覆[3-4,7-8]；(3) 將水制作成水墻阻擋沖擊波的傳播[9-10]。與第二種和第三種方式相比，水霧具有以下優(yōu)勢：(1) 水霧可以起到滅火的作用；(2) 水霧可以在爆炸發(fā)生之前通過噴霧系統(tǒng)迅速地噴灑在使用環(huán)境中；(3) 水霧擁有更大的表面積，這增加了吸熱的效率，若爆炸發(fā)生在密閉空間內(nèi)，水霧可以通過熱傳遞和蒸發(fā)吸熱的方式降低爆炸產(chǎn)生的準(zhǔn)靜態(tài)壓力[2,5]。因此，水霧衰減爆炸載荷的機理和應(yīng)用得到了廣泛的研究。

Bailey 等[11]在一個艙室內(nèi)實驗研究了水霧對爆炸載荷的衰減作用，艙室的尺寸為4.6 m×4.6 m×3.1 m，質(zhì)量為0.9、2.2 和3.2 kg 的TNT 在艙室中被引爆。實驗結(jié)果表明，爆炸產(chǎn)生的準(zhǔn)靜態(tài)壓力分別被水霧減少了40%、47%和40%，爆炸超壓、沖量均被衰減。隨后，Willauer 等[12]采用更大質(zhì)量的炸藥進(jìn)行了實驗。艙室內(nèi)水霧質(zhì)量濃度為70 g/m3，炸藥為22.6 kg 的TNT、26.6 kg TNT 當(dāng)量的Destex 和26.6 kg TNT 當(dāng)量的PBXN-109。實驗結(jié)果表明，22.6 kg 的TNT 爆炸產(chǎn)生的沖量、沖擊波超壓以及準(zhǔn)靜態(tài)壓力分別被水霧降低了40%、36%、35%。22.6 kg TNT 當(dāng)量的Destex 爆炸產(chǎn)生的沖量、沖擊波超壓以及準(zhǔn)靜態(tài)壓力分別降低了43%、25%、33%。22.6 kg TNT 當(dāng)量的PBXN-109 爆炸產(chǎn)生的沖量、沖擊波超壓以及準(zhǔn)靜態(tài)壓力分別降低了49%、39%、41%。Schunck 等[1]在一個長4.35 m，寬2 m，高2.8 m 的隧道內(nèi)評估了水霧對爆炸載荷的衰減作用，實驗結(jié)果表明水霧不僅對爆炸超壓和沖量均造成了不同程度的衰減，還減緩了沖擊波的傳播速度。葉經(jīng)方等[13]在立式激波管內(nèi)進(jìn)行水霧衰減爆炸沖擊波實驗，沖擊波馬赫數(shù)為1.22～1.39，霧滴直徑分別為0.40 和0.53 mm，水霧密度為10.6 kg/m3，水霧區(qū)域長1.4 m，實驗結(jié)果表明水霧對沖擊波超壓造成了44%～55.6%的衰減。陳鵬宇等[14]在一個縮比艦船艙室內(nèi)進(jìn)行了水霧抑爆實驗，實驗結(jié)果表明水霧使27.5 g TNT 爆炸產(chǎn)生的沖擊波超壓衰減了27.27%，準(zhǔn)靜態(tài)壓力衰減了31.82%，遺憾的是該研究中沒有對水霧特性做進(jìn)一步闡述。張曉忠等[15]實驗研究了通道中水霧對沖擊波的衰減效應(yīng)，實驗結(jié)果表明：超壓的衰減率在42%～75%；水霧密度越大，水霧區(qū)域越長，沖擊波的衰減效應(yīng)越明顯?？紫樯氐萚5]研究了水霧對密閉的艙室內(nèi)爆炸的衰減效果，TNT 的質(zhì)量80～160 g，水霧平均濃度為(70±10) g/m3，研究結(jié)果表明水霧使爆炸產(chǎn)生的準(zhǔn)靜態(tài)壓力降低了36%，作者認(rèn)為衰減機理為水霧通過破碎和氣化吸收了爆炸釋放的熱量并抑制了爆轟產(chǎn)物的燃燒。上述研究表明水霧對爆炸超壓、沖量和準(zhǔn)靜態(tài)壓力能起到衰減作用，衰減效果與爆炸物的類型、質(zhì)量、水霧的特性（水霧密度、霧滴粒徑）和使用環(huán)境有關(guān)。然而，上述研究中缺乏對水霧特性的測量和進(jìn)一步描述，爆炸載荷衰減效果與水霧特性之間的關(guān)系缺乏定量研究。

水霧對爆炸載荷的衰減作用可分為兩個階段：(1) 爆炸物爆轟以及爆轟產(chǎn)物的二次反應(yīng)階段；(2) 沖擊波離開爆轟產(chǎn)物進(jìn)行傳播的階段。在爆炸物爆轟以及爆轟產(chǎn)物的二次反應(yīng)階段，Schunck 等[1]指出爆轟產(chǎn)物的二次反應(yīng)被水霧猝滅是主要的衰減機理，液滴的二次霧化（二次霧化指的是液滴在沖擊波作用下發(fā)生霧化的現(xiàn)象）和動量傳遞沒有起到關(guān)鍵作用。然而，學(xué)界存在不同的觀點，例如：Ananth 等[16]通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)水霧液滴的潛熱吸收是主要衰減機理，其次是水蒸氣感熱吸收和動量吸收；Sugiyama 等[17]通過數(shù)值模擬的方法定量分析了爆炸釋放的能量通過阻力、對流和輻射換熱以及蒸發(fā)傳遞給水滴的能量，發(fā)現(xiàn)水霧通過阻力和對流換熱吸收了大部分能量。到了沖擊波離開爆轟產(chǎn)物進(jìn)行傳播的階段，沖擊波和霧滴之間的動量傳遞被認(rèn)為是主要的衰減機制。此外，一些研究表明液滴的二次霧化與超壓衰減效果之間存在關(guān)聯(lián)。例如，Jourdan 等[18]發(fā)現(xiàn)沖擊波的衰減率和控制液滴二次霧化的條件之間存在明確依賴關(guān)系。從現(xiàn)有的研究可以看出，水霧對爆炸載荷的衰減存在多種機制，在爆炸的不同階段，水霧對爆炸載荷的衰減機制是不同的。每種衰減機制對衰減效果的影響尚沒能得到定量的研究。

另一個值得關(guān)注的問題是如何評價特定特性的水霧對爆炸載荷的衰減效果，這需要建立衰減效果與水霧特性之間的關(guān)系。然而，前人的研究中，水霧的特性沒有得到很好的測量與計算，不同強度的沖擊波在不同特性的水霧中傳播的規(guī)律沒能得到進(jìn)一步分析。本文通過在爆炸驅(qū)動激波管搭建噴霧系統(tǒng)，并在管內(nèi)進(jìn)行爆轟實驗，基于噴頭的參數(shù)以及水霧的粒度計算激波管內(nèi)的水霧特性，并分析沖擊波超壓衰減效果與水霧特性之間的關(guān)系，評估水霧特性對沖擊波衰減效果的影響。

1 實驗設(shè)備與方法

1.1 實驗設(shè)備

如圖1 所示，實驗裝置包括一根爆炸驅(qū)動激波管、一套水霧系統(tǒng)和一套壓力測試系統(tǒng)。爆炸驅(qū)動激波管總長4 m，激波管被平均分為4 段，每段之間通過法蘭連接。激波管的內(nèi)截面為180 mm×180 mm。激波管的左右兩側(cè)加工有壓力傳感器安裝接口，上下兩側(cè)加工有水霧噴頭的安裝接口。

圖1 爆炸驅(qū)動激波管示意圖Fig. 1 Schematic of blast driven shock tube

水霧系統(tǒng)由水霧噴頭、水泵和水管組成。水霧噴灑在激波管的第2～3 段。如圖2 所示，為了盡可能地讓水霧均勻地噴灑在激波管中，每段安裝了5 個噴頭，每個噴頭上下間隔安裝，噴頭之間的水平間距為400 mm。為了避免噴頭對沖擊波傳播造成影響，噴頭的出口與激波管內(nèi)壁平齊。噴頭通過水管連接到水泵。水泵功率為750 W，放置在一個裝滿水的水箱里，可以將水以恒定的壓力輸送到噴頭。本文采用了兩種水霧噴頭，兩種噴頭的參數(shù)如表1 所示。相比于噴頭A，噴頭B 的流量更大，生成的水霧的粒徑也更大。兩種噴頭生成的水霧的粒徑及其分布通過一臺噴霧激光粒度儀進(jìn)行測量。測量是在與實驗相同的條件下進(jìn)行的。測量的結(jié)果如圖3 和圖4 所示。噴頭A 生成的水霧的液滴直徑范圍為19～696 μm，Sauter 直徑為136.04 μm；噴頭B 生成的水霧的直徑范圍為26～1 062 μm，Sauter 直徑為255.34 μm。Sauter 直徑指的是一個假想的、尺寸均一的液滴群的液滴直徑，這個液滴群能保持實際液滴群總體積和總表面積的比值不變。

表1 噴頭的參數(shù)Table 1 Nozzle parameters

圖2 實驗裝置示意Fig. 2 Schematic diagram of experimental setup

圖3 噴頭A 生成的水霧的粒徑及其分布Fig. 3 Particle size and distribution of water mist generated by nozzle A

圖4 噴頭B 生成的水霧的粒徑及其分布Fig. 4 Particle size and distribution of water mist generated by nozzle B

5 個壓電式壓力傳感器（型號PCB 113B21）安裝在爆炸管壁面上用于測量爆炸沖擊波的壓力。壓力傳感器的敏感面與激波管內(nèi)壁面平齊，位置如圖2 所示。壓力傳感器通過信號線纜分別與電荷放大器、數(shù)據(jù)采集器和電腦連接。實驗中采用的數(shù)據(jù)采樣頻率為1 MHz。

1.2 實驗方法

實驗采用的炸藥為TNT，其質(zhì)量分別為7、10 和13 g，用以實現(xiàn)不同強度的爆炸沖擊波。TNT 的形狀為圓柱形，密度為1.59 g/cm3。TNT 由一根安裝在藥柱頂面的8 號雷管引爆。激波管一端封閉，另一端敞開，炸藥懸掛的位置處于激波管的中軸線上，距離封閉端100 mm。實驗工況如表2 所示，每個工況進(jìn)行了3 次重復(fù)實驗。工況中的數(shù)字代表TNT 的質(zhì)量、字母代表水霧（N 代表無水霧、A 代表采用噴頭A，B 代表采用噴頭B）。實驗過程中，TNT 在水霧噴灑5 s 后被引爆。

表2 實驗工況Table 2 Test conditions

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 壓力軌跡

下面以工況13-N、13-A 和13-B 中壓力測點P5 的壓力曲線為例說明水霧對沖擊波壓力軌跡的影響。圖5 為實驗工況13-N 中測點P5 的壓力曲線。在這一工況中，管道內(nèi)沒有噴灑水霧。爆炸沖擊波達(dá)到測點P5 時，壓力從大氣壓迅速上升，這是爆炸產(chǎn)生的前導(dǎo)沖擊波的壓力。隨后，壓力略微下降后又開始上升，直至達(dá)到峰值壓力，這是TNT 爆炸時沖擊波在激波管封閉端面以及壁面形成的反射沖擊波。本工況中峰值壓力為520 kPa，壓力從大氣壓增加到峰值的上升時間為8 μs。到達(dá)峰值壓力后，壓力逐漸下降到大氣壓以下。低于大氣壓的區(qū)域稱為負(fù)壓區(qū)，最小壓力為-164 kPa。負(fù)壓是爆轟產(chǎn)物過度膨脹后的反向運動導(dǎo)致的。一般來說，負(fù)壓是不會出現(xiàn)超過一個大氣壓的情況的，但是爆炸熱效應(yīng)對壓力傳感器中壓電晶體產(chǎn)生影響，導(dǎo)致實驗中測得的負(fù)壓超過了一個大氣壓。在工況7-N 和10-N 中，各個測點的壓力軌跡也呈現(xiàn)出了類似的特征。

圖5 工況13-N 中測點P5 的壓力曲線Fig. 5 Pressure profile versus time obtained with the pressure gauge P5 in case 13-N

圖6 為實驗工況13-A 中測點P5 的壓力曲線。在這一工況中，管道內(nèi)噴灑了由噴頭A 生成的水霧?？梢园l(fā)現(xiàn)，壓力先后分為兩個階段上升。在第一個上升階段，壓力迅速上升，然后出現(xiàn)略微下降。隨后壓力進(jìn)入第二個上升階段，第二階段的上升速度顯著小于第一階段，最終壓力達(dá)到峰值的時間為1 6 6 μ s，是工況1 3-N 中上升時間的2 1 倍。這一工況中壓力峰值為1 8 3 k P a，是工況1 3-N中壓力峰值的35.2%。到達(dá)壓力峰值后壓力繼續(xù)下降并進(jìn)入負(fù)壓區(qū)。由于水霧吸收了爆炸釋放的部分熱量，爆炸熱效應(yīng)對壓力傳感器中壓電晶體產(chǎn)生影響減小，因此最低壓力為-34 kPa，顯著大于工況13-N中的負(fù)壓極值。工況7-A、10-A 中各個測點的壓力軌跡也呈現(xiàn)了和圖6 中類似的特征。

圖6 工況13-A 中測點P5 的壓力曲線Fig. 6 Pressure profile versus time obtained with the pressure gauge P5 in case 13-A

圖7 為實驗工況13-B 中測點P5 的壓力曲線。在這一工況中，管道內(nèi)噴灑了由噴頭B 生成的水霧?？梢园l(fā)現(xiàn)，這一工況中的壓力曲線的軌跡和工況13-A 中的類似。壓力從大氣壓迅速升高后略微減小，隨后進(jìn)入一個緩慢上升的階段，直至達(dá)到壓力峰值。唯一的區(qū)別是相比于工況13-A，第二個上升階段的上升速度更為緩慢，最終壓力達(dá)到峰值的時間為682 μs，是工況13-N 中上升時間的85 倍。此工況中峰值壓力為133 kPa，只有工況13-N 中壓力峰值的25.6%。最低壓力進(jìn)一步回升，為-20 kPa，顯著大于工況13-N 中負(fù)壓極值。工況7-B、10-B 中各個測點的壓力軌跡也呈現(xiàn)了和圖7 中類似的特征。

圖7 工況13-B 中測點P5 的壓力曲線Fig. 7 Pressure profile versus time obtained with the pressure gauge P5 in case 13-B

從上述結(jié)果可知，水霧的存在顯著改變了沖擊波壓力軌跡，具體表現(xiàn)為沖擊波壓力因為水霧的存在分為兩個階段上升、壓力峰值被水霧衰減、壓力曲線的上升時間增加以及負(fù)壓增大。Chauvin 等[19]指出，當(dāng)沖擊波傳播至噴霧區(qū)域與氣相的交界面時，會在交界面形成透射沖擊波和反射沖擊波，如圖8 所示，其形成機理為沖擊波與單個液滴相互作用時，沖擊波會在液滴迎風(fēng)面形成反射沖擊波以及在液滴背風(fēng)面形成繞射沖擊波[20]。當(dāng)沖擊波沖擊大量顆粒群表面時，在大量單個顆粒表面形成的反射和繞射沖擊波匯聚成完整的反射沖擊波和透射沖擊波[21-22]。透射沖擊波在霧區(qū)內(nèi)傳播，反射沖擊波則沿著上流傳播。因此，圖6 和圖7 中壓力的第一個上升階段即為透射沖擊波的壓力。

圖8 沖擊波在水霧中傳播的示意圖Fig. 8 Schematic diagram of the propagation of a shock wave in a two-phase liquid-gas mixture

透射沖擊波在噴霧區(qū)內(nèi)傳播時，液滴會在沖擊波后的誘導(dǎo)氣流的氣動力作用下發(fā)生破碎或霧化，這一現(xiàn)象被稱為二次霧化[20,23-24]。圖9為本實驗室通過高速攝影機拍攝的液滴在沖擊波作用下的形態(tài)演變特征?？梢园l(fā)現(xiàn)，液滴的二次霧化先后分為兩個階段：變形階段（圖9(a)～圖9(d)）和霧化階段（圖9(e)～圖9(h)）。在變形階段，液滴的直徑增加，整體被壓縮。到了霧化階段，更小的液滴從母液滴表面剝離，這一過程一直持續(xù)到液滴被完全霧化。此外，液滴被霧化的同時沿著氣流的方向做加速運動，液滴和氣相之間還存在熱量和質(zhì)量傳遞，這一過程持續(xù)到液滴與氣相達(dá)到一個動量、熱量平衡的狀態(tài)，這一過程稱為弛豫過程[19]。文獻(xiàn)[24-26]表明液滴是在沖擊波后誘導(dǎo)氣流的氣動力作用下發(fā)生霧化的。液滴的二次霧化使液滴數(shù)量和液滴表面積增加，這增加了液相和氣相之間的動量交換和能量交換，這也是透射沖擊波到達(dá)峰值后出現(xiàn)略微下降的原因[27-29]。當(dāng)液滴霧化完成后，液滴與氣相之間的弛豫過程繼續(xù)，波陣面后的氣流在液滴群附近減速，液滴對氣流形成阻滯作用，氣流速度降低，這最終導(dǎo)致壓力繼續(xù)上升，這對應(yīng)著第二個壓力上升階段。

圖9 激波沖擊下典型的液滴變形和霧化過程Fig. 9 Typical deformation and atomization process of droplet under shock wave

2.2 壓力峰值及水霧對壓力的衰減作用

在所有實驗工況，中每個測點的平均壓力峰值如圖10 所示，橫坐標(biāo)為壓力測點到爆心的距離。所有實驗工況中每個測點的壓力峰值具有很好的重復(fù)性，標(biāo)準(zhǔn)差在10～40 kPa 之間。實驗誤差主要是實驗中管道內(nèi)水的總質(zhì)量以及濃度分布有略微差別導(dǎo)致的。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)激波管內(nèi)沒有噴灑水霧時（工況7-N、10-N、13-N），壓力峰值隨著沖擊波傳播的距離增加而減小。TNT 的質(zhì)量越大，各個測點的壓力峰值也越大。當(dāng)管內(nèi)噴灑噴頭A 生成的水霧時（工況7-A、10-A、13-A），各個測點的壓力峰值都小于沒有噴灑水霧的工況。同樣，壓力峰值隨著沖擊波傳播距離的增加而減小，隨著TNT 質(zhì)量的增加而增加。當(dāng)管內(nèi)噴灑噴頭B 生成的水霧時（工況7-B、10-B、13-B），各個測點的壓力峰值進(jìn)一步減小。

圖10 各壓力測點的壓力峰值Fig. 10 Peak pressure obtained with each pressure gauge

圖11 呈現(xiàn)了噴灑水霧的工況中各個測點的超壓峰值相對變化率Kp，其計算方式為

圖11 超壓峰值的相對變化率Fig. 11 Mitigation coefficient of peak pressure

從圖11 中可以看出，峰值壓力的相對變化率Kp隨著沖擊波傳播距離的增加而減小。這說明沖擊波掠過霧滴數(shù)量越多，沖擊波被耗散的能量越多。當(dāng)采用噴頭A 時，Kp的絕對值為34.2%～60.9%。當(dāng)采用噴頭B 時，Kp的絕對值為48.4%～78.6%。在每個測點，采用噴頭B 時水霧對壓力峰值的衰減效果均好于噴頭A。此外，在每個壓力測點，隨著TNT 質(zhì)量的增加，Kp的絕對值出現(xiàn)略微降低。陳鵬宇等[14]通過實驗同樣發(fā)現(xiàn)隨著炸藥藥量的增加，水霧對沖擊波峰值壓力的衰減效果變差。研究指出，對于特定的水霧，水霧吸收爆炸釋放的能量存在上限。因此，隨著爆炸釋放的能量增加，水霧吸收的能量在爆炸釋放的能量中的占比不斷減小，這是衰減效果隨著炸藥質(zhì)量增而加變差的原因。

2.3 正壓持續(xù)時間和比沖量

在所有試驗工況中每個測量點（分別記為1～5）的正壓持續(xù)時間t+以及相應(yīng)的相對變化率Kt如表3所示。Kt的計算方式與Kp相同，即式(1)。從表3 中可以發(fā)現(xiàn)，水霧延長了沖擊波超壓的正壓持續(xù)時間。激波管內(nèi)沒有噴灑水霧時，正壓持續(xù)時間在3.4～7.5 ms 之間；管內(nèi)噴灑由噴頭A 生成的水霧時，正壓持續(xù)時間在4.1～8.2 ms 之間，增加了4%～32%；管內(nèi)噴灑由噴頭B 生成的水霧時，正壓持續(xù)時間在4.5～10.2 ms 之間，增加了24%～61%。2.1 節(jié)中呈現(xiàn)的實驗結(jié)果表明，水霧的存在顯著延長了壓力曲線的上升時間，且水霧B 對上升時間的延長效果比水霧A 更為顯著。這說明正壓持續(xù)時間增加主要是水霧延長了壓力曲線的上升時間造成的。

表3 所有試驗工況中每個測點的正壓持續(xù)時間 t+ 及其相對變化率KtTable 3 Positive pressure duration (t+) and its relative change ratio (Kt) obtained with each pressure gauge under all test conditions

在所有試驗工況中每個測量點的最大比沖量I以及其相對變化率Ki如表4 所示，Ki的計算方式與Kp類似，比沖量I定義為

表4 不同測點處的最大比沖量 I 及其相對變化率KiTable 4 Maximum impulse (I) and its relative change ratio (Ki) obtained with each pressure gauge

式中：t0為沖擊波達(dá)到測量點的時間，t1為沖擊波壓力重新回到大氣壓力的時間，p為壓力傳感器測量的壓力?？梢钥闯觯葲_量隨著沖擊波傳播距離的增加而減小。在所有噴灑了水霧的實驗工況中，比沖量均被水霧衰減了。在采用噴頭A 的工況中，7 g TNT 爆炸產(chǎn)生的比沖量被衰減了40%～54%；10 g TNT 爆炸產(chǎn)生的比沖量被衰減了27%～51%；13 g TNT 爆炸產(chǎn)生的比沖量被衰減了9%～45%?？梢钥闯?，隨著炸藥質(zhì)量的增加，水霧對比沖量的衰減效果被削弱了，類似的現(xiàn)象也出現(xiàn)在采用噴頭B 的工況中。當(dāng)管道內(nèi)噴灑由噴頭A 生成的水霧時，沖量被衰減了9%～54%；當(dāng)管道內(nèi)噴灑由噴頭B 生成的水霧時，沖量被衰減了14%～66%。這表明噴頭B 生成的水霧對比沖量的衰減效果優(yōu)于噴頭A 生成的水霧。

2.4 超壓相對變化率與水霧特性之間的關(guān)系

水霧對爆炸沖擊波的衰減效果與水霧特性之間的關(guān)系是水霧抑爆問題中的研究重點。然而，從上述實驗結(jié)果以及前人的研究結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，影響衰減效果的因素眾多。影響因素包括水霧的粒徑及其分布、霧區(qū)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)（或體積分?jǐn)?shù)）、噴霧區(qū)域的幾何尺寸以及沖擊波的強度等。然而，通過實驗的方法研究上述某一因素對衰減效果的影響是很困難的。因為就目前的霧化手段而言，單獨改變水霧的某一特性而保持其他特性不變是很困難的。Schunck 等[1]在其研究中給出了水霧的粒徑及其分布、濃度及其分布，但沒能對爆炸載荷衰減效果與水霧特性之間的關(guān)系做出進(jìn)一步分析。Jourdan 等[18]在研究水霧抑爆問題時提出了沖擊波與液滴交換面積的概念，并通過高壓氣體驅(qū)動的激波管實驗發(fā)現(xiàn)沖擊波超壓峰值相對變化率Kp與交換面積Se之間存在相關(guān)性。交換面積Se指的是沖擊波掠過噴霧區(qū)域時與霧滴之間的交換面積。交換面積的計算中囊括了霧滴粒徑、水霧的體積分?jǐn)?shù)、霧區(qū)幾何尺寸等水霧特性參數(shù)。對于水霧抑爆問題，交換面積這一參數(shù)的提出對研究爆炸載荷衰減效果與水霧特征之間的關(guān)系提供了新的思路。在Jourdan 等[18]的實驗中，水霧是通過霧滴生成裝置生成的，而不是傳統(tǒng)的水霧噴頭。因此，交換面積Se的計算方式對于水霧噴頭生成的水霧來說存在差異。本節(jié)根據(jù)水霧噴頭的特性以及水霧粒徑，提出針對噴頭霧化方法的交換面積計算方式，就超壓峰值相對變化率Kp與交換面積Se之間的相關(guān)性展開探討。

實驗過程中噴灑水霧5 s 后引爆炸藥，而噴霧系統(tǒng)在2～3 s 內(nèi)即可形成穩(wěn)定持續(xù)的噴霧，因此當(dāng)炸藥被引爆時一部分霧滴吸附或沉積在管壁上，實際與沖擊波相互作用的是在管內(nèi)運動的霧滴。單個噴頭生成的在管內(nèi)運動的液滴質(zhì)量m1可通過霧滴在管內(nèi)飛行的時間ttof和噴頭的流量Q得到，即：

式中：ρ 為液體密度，ρ=998 kg/m3。霧滴離開噴頭時的初速度由一臺激光多普勒測速儀測量。測量得到噴頭A 的霧滴平均初速度為0.28 m/s，噴頭B 的霧滴平均初速度為1.08 m/s。假設(shè)霧滴在激波管內(nèi)飛行時做勻速運動。則霧滴在管內(nèi)飛行的時間ttof等于霧滴最大飛行的位移除以液滴飛行速度，即：

式中：H為激波管內(nèi)徑，θ 為噴霧角度。

激波管內(nèi)水霧的體積分?jǐn)?shù)為

式中：NN為噴頭的數(shù)量；V為噴霧區(qū)域的體積。

結(jié)合式(3)～(5)可計算得到噴頭A 生成的水霧在激波管內(nèi)的體積分?jǐn)?shù)為1.72×10-3，噴頭B 生成的水霧在激波管內(nèi)的體積分?jǐn)?shù)為3.43×10-3。

交換面積Se定義為[18]：

式中：N為沖擊波掠過的液滴數(shù)量，d0為霧滴的Sauter 直徑。液滴數(shù)量N計算公式為

式中：L為沖擊波穿過的噴霧區(qū)域的長度；S為激波管的橫截面積；VD為液滴的體積。將式(7)代入式(6)可得

可以看出，影響交換面積的水霧特性包括水霧的體積分?jǐn)?shù)α、沖擊波穿過的噴霧區(qū)域的長度L和霧滴的Sauter 直徑d0。

考慮炸藥質(zhì)量的影響，記TNT 炸藥質(zhì)量為M，將式(8)兩邊同乘M-1/3得：

式中：SeM-1/3為比例交換面積；R為比例距離，R=LM-1/3。按照J(rèn)ourdan 等[18]的研究，將交換面積Se除以激波管橫截面積S來對交換面積進(jìn)行歸一化處理；對進(jìn)行歸一化處理：

將超壓峰值相對變化率Kp與無量綱化后的比例交換面積MnSe/S繪制成散點圖并進(jìn)行線性擬合，結(jié)果如圖12 所示。線性擬合的相關(guān)系數(shù)為0.92，這表明Kp隨著MnSe/S的增加而線性減小。

圖12 衰減系數(shù)與比例交換面積之間的關(guān)系Fig. 12 Relationship between mitigation coefficient and normalized exchange surface area

3 結(jié) 論

本文在爆炸驅(qū)動激波管內(nèi)進(jìn)行了水霧抑爆實驗，評估了兩種不同特性的水霧對爆炸載荷的衰減效果，獲得了沖擊波在水霧中傳播時超壓分布規(guī)律。此外，本文基于水霧粒徑和噴頭參數(shù)計算了管內(nèi)的水霧特性，分析了水霧特性與壓力峰值衰減程度之間的關(guān)系，得到的主要結(jié)論如下：

(1) 當(dāng)沖擊波在水霧中傳播時，水霧區(qū)域內(nèi)的壓力分兩階段上升，第一個上升階段為透射激波的壓力，第二個階段為霧化后的液滴與氣流之間的弛豫過程導(dǎo)致的壓力上升；

(2) 沖擊波掠過的噴霧區(qū)域越長，水霧對壓力峰值的衰減效果越好；對于同一特性的水霧，沖擊波強度的增加將削弱水霧的衰減效果；

(3) Sauter 直徑為136.04 μm，體積分?jǐn)?shù)為1.72×10-3的水霧對超壓峰值的衰減率在34.2%～60.9%之間，對比沖量的衰減率在9%～54%之間；Sauter 直徑為255.34 μm，體積分?jǐn)?shù)為3.43×10-3的水霧對壓力峰值的衰減率在48.4%～78.6%之間，對比沖量的衰減率在14%～66%之間；

(4) 水霧對沖擊波的衰減效果與比例交換面積有關(guān)；沖擊波壓力峰值的衰減率隨著比例交換面積的增加而線性減小。

本文采用的TNT 質(zhì)量較小，實驗結(jié)果只能表明在這個爆炸強度下水霧對爆炸載荷的衰減效果以及衰減規(guī)律。為此，下一步將針對更大質(zhì)量的TNT 開展水霧抑爆研究。此外，接下來還將針對水霧抑爆問題開展數(shù)值模擬研究，以定量研究水霧抑爆的機制。