激波及诱导的高速气流抛撒柴油油膜的实验研究*
2016-04-25解立峰叶经方鲁长波安高军熊春华李永坚
黄 勇，解立峰，叶经方，鲁长波，安高军，熊春华，李永坚，徐 淳
(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.南京理工大学瞬态物理国家重点实验室，江苏南京 210094；4.中国人民解放军总后勤部油料研究所，北京 102300；5.山西江阳化工有限公司，山西太原 030043)
1 引 言
柴油被广泛用作为大型车辆、舰船和武器装备的燃料，而一旦车辆、装备发生安全事故或遭受炮火袭击，容易引发油箱中柴油的“二次爆炸效应”，这是造成车辆装备损毁和人员伤亡的重要原因。另外，消防车、救护车等专用车辆经常出现在火灾事故救援现场，其油箱处于高温环境中也可能引爆油料。因此，近三十年来，国外学者[1-3]开展了用于消防灭火、处突维稳、反恐救援、军事装备等特殊领域的具有抑爆功能且动力性能基本保持不变的的微乳化体系安全柴油的研究。但由于技术保密等原因，相关研究成果以及抑制爆炸机理方面的报道非常少。
关于液体燃料的爆炸机理，国内外的研究主要集中在激波作用下液滴的变形、破碎和雾化等方面，因为可燃液滴进一步破碎、雾化可以大大加快燃料液滴与氧化剂的混合及其反应速率,从而影响液雾爆轰的特性[4]，如Hsiang等[5-6]研究了激波诱发扰动作用下抛撒出的液滴变形和二次破碎的特性；Samirant等[7]利用多种测试技术开展的燃料液体爆炸抛撒瞬态过程实验，测量了燃料液滴运动速度、液滴平均直径、浓度等重要参数；耿继辉等[8]在水平方型激波管中进行了激波诱导液滴变形和破碎的实验，并详细分析了初始液滴形状对变形和破碎过程的影响。但对于更接近于油箱爆炸冲击波作用燃料的激波抛撒燃料液膜的研究还不多，Antipas[9]研究了高速气流作用液膜，建立了液体表面波不稳定性引起的液膜雾化、破碎机理模型；李斌等[10]通过实验研究了激波抛撒不同厚度水膜的速度、粒径等参数的变化，但以上研究的对象的理化性质与柴油有较大差别，其抛撒、雾化过程也不尽相同。
本研究在立式激波管上开展激波及其诱导的高速气流作用安全柴油的实验，并采用阴影照相技术，掌握激波驱动下不同配方柴油油膜的抛撒规律及其油粒的运动特征，确定影响安全柴油雾化效果的关键因素。
2 实 验
2.1 实验样品
实验样品为-10号柴油和另外3种以-10号柴油为基础燃料，并在其中添加少量乳化剂、水和抑爆剂的微乳化柴油(即安全柴油)。各柴油的组分和理化性质如表1所示，其中Tf是闭口闪点，ρ是密度，μ是运动黏度，α是黏性系数，σ是表面张力。
表1 柴油样品的组分和理化性质 Table 1 Components and physical & chemical properties of diesel fuel samples
2.2 实验装置
图1 实验装置示意图 Fig.1 Schematic of experimental device
实验装置主要有立式激波管、压力测试系统、不锈钢金属网、高压空气钢瓶等，如图1所示。
立式激波管为圆管型，长1 000 mm，内径为32 mm。激波管的中下部有一个法兰，法兰夹固一张略大于管径的塑料胶片。激波管上方管口处安装一张60 mm×60 mm的2 500目不锈钢金属网，并用4个螺栓固定与激波管口同截面的金属环，保证激波管、金属网和金属环3者之间紧密连接。由于预先实验表明实验样品在金属网上需20 s左右才滴落，而在金属网上添加完样品的后续实验操作不到10 s即可完成，因此完全可以保证油膜在激波作用前不滴落。
高压空气钢瓶的作用是向激波管提供高压驱动空气。当高压气体入口处的电磁阀打开后，高压空气急速进入激波管中使塑料胶片瞬间破裂，产生激波及其高速气流。
2.3 测试系统
2.3.1压力测试系统
压力测试系统包括PCB公司的113A21系列的压电式压力传感器，481A16型多通道信号调理器、四通道数据采集卡及配套的连接线。
压力传感器P1、P2安装在离激波管出口6.0、3.0 cm处的管壁上，且传感器受压面与激波管壁相齐。压力传感器P3、P4固定在金属网上方1.5、2.5 cm处。
压力传感器不仅可以测定激波及其高速气流的压力，而且可以根据激波通过两个传感器的时间差计算其速度。
2.3.2成像系统
图2 激波成像系统 Fig.2 Shock wave imaging system
(1) 激波成像系统
通过金属网和油膜后的激波的成像由立式激波管、压力传感器、信号调理器、时序控制器、光源控制器、闪光电源、凹面反射镜和单反照相机等组成的系统来获得，如图2所示。其成像原理是压力传感器受到激波作用后将信号反馈到信号调理器，信号调理器再将信号同类放大后输出到时序控制器。时序控制器控制信号反馈给光源控制器的时间，光源控制器则控制闪光电源产生光及其持续时间，保证激波到达视场的时间与光源产生同步。操作者提前启动单反相机Bulb开关，当瞬间光源经视场中凹面反射镜反射后被单反照相机接受，获得激波照片。
(2) 阴影成像系统
阴影成像系统由立式激波管、高速照相机、影视灯、白色反光板等组成。激波管处于白色反光板和高速照相机之间，呈一直线。黑暗环境条件下，影视灯的强光源投射在白色反光板上，此时激波及其高速气流抛撒油膜的阴影呈现在白板上，通过高速照相机将其拍摄下来。
高速照相机为Photron公司的Fastcam nltima APX型。本次实验中，高速照相机的拍摄速率为3 000帧每秒，影视灯的使用功率为1 800 W。
2.4 实验方法
首先调节好高压空气瓶的气体输出压力(1.5 MPa)，再用注射器在金属网上均匀滴定1 mL实验样品，最后开启高压气体入口处的电磁阀，高压气体瞬间破膜产生的激波及其高速气流抛撒油膜，同时用高速照相机拍摄下其抛撒过程。
各次破膜产生的激波在管内的速度误差不超过5%才为有效实验。
图3 压力波形图 Fig.3 Pressure waveforms
3 实验结果与分析讨论
3.1 激波与油膜作用的波系结构
图3为压力测试系统测得的金属网上未添加油样时的激波与其诱导气流的压力波形图。黑、红、蓝、绿色曲线分别为P1、P2、P3、P4的压力曲线。
图3显示，每条波形曲线的初始波峰均是急速上升，破膜后大约只用十几微秒即达到波峰，显然这是激波作用传感器受压面引起的。激波在管内由下向上运动遇到金属网，一部分通过金属网形成透射激波，另一部分则反射回来形成反射激波，因此可以看出P1、P2波形曲线在第1个波峰过后又迅速上升，并且压力值约为第1个波峰压力值的2倍，这基本符合反射激波压力增长规律。第2个波峰持续的时间较长，是因为此时激波诱导的高速气流正通过传感器。气流过后，压力开始快速持续下降，但在下降过程中P1、P2的压力波形曲线又出现了数个小峰，这是因为激波在管内不断上下反射，其能量逐渐衰减，波速持续降低。
表2为激波在管内外的速度和压力参数，v1是激波在管内首次通过P1、P2的平均波速，v2是激波作用金属网和油膜后首次反射通过P2、P1的平均波速，v3是激波通过P3、P4的平均波速，p1、p2是反射激波首次通过P1、P2的压力值，p3、p4是P3、P4测得的激波压力值。
表2 激波参数 Table 2 Shock wave parameters
图4 激波波系示意图 Fig.4 Schematic of shock wave structure
由表2可知，初始压力为1.5 MPa的驱动空气破膜产生的激波通过P1、P2的速度一般介于565～580 m/s之间。透射过金属网和油膜后其激波速度将大幅减小，如未加油样时激波通过P3、P4的速度马赫数约为1.12，而透射过4种柴油油膜激波的马赫数均小于1，这说明油膜吸收了激波大量的能量使其衰减为高速气流。因此，综合图3和表2中激波运动性质及其参数得到管内外的激波波系，如图4 所示。
运用激波成像系统获取激波运动到激波管口外的图像(见图5)，以验证此处激波的存在。
图5 激波成像照片 Fig.5 Shock wave photographs
图5证实了激波能通过不添加油样的金属网，并且激波诱导的高速气流跟随激波从管内喷出。由于透射激波出管口瞬间会产生“活塞效应”，因此激波后会出现负压面。然而，当金属网上添加1 mL 1号柴油或其他柴油时，在管口处激波衰减为高速气流。
3.2 激波及其高速气流抛撒油膜过程
静置在金属网上的油膜在激波通过时，主要受到激波作用力、油膜自身重力、空气阻力等作用。由于激波作用于油膜的力远大于其重力和空气阻力，将使油膜产生脱离金属网的趋势及速度，油膜被抛撒。
运用闪光电源、凹面反射镜、高速照相机等构成的成像系统拍摄了油膜被抛撒的过程，如图6所示。
图6 激波抛撒柴油油膜 Fig.6 Diesel fuel films dispersed by shock wave
抛撒过程中，作用在油膜上的气动力等外力大于油膜的表面张力、粘性力等内力，将使油膜破碎成液滴或液丝群，形成液雾炬。从图6可以看出，2 ms时，1、2号液雾炬的高度接近，其次是3号油，最小是4号油；7 ms时，可见1、2号液雾炬的中心产生漩涡，油滴向四周抛撒，并进一步破碎、雾化成细小油粒。此时液雾炬明显有两段，上方的几乎完成雾化，下段液雾炬又迅速升起，这是因为最初的液雾炬是激波作用油膜瞬间的冲量引起的，液雾炬在惯性力作用下边上升边雾化，随着激波诱导的高速气流从管口喷出，使金属网上剩余油样持续抛撒并雾化，直至外力与内力达到平衡停止雾化。3、4号柴油的雾化效果则较差，在高速气流推动下呈液块、液丝状抛撒，3号柴油有部分液丝向四周散开，而黏度更高的4号柴油其液块更聚集。
因此，4种油膜被抛撒的实验现象可总结为：液膜在非稳态空气扰动波的作用下破碎成柱状液丝，不稳定液丝受扰动及表面张力的影响，进一步破碎，收缩成初始液滴。液滴在运动过程中受到空气阻力的作用，表面形成不规则的压力分布，导致液滴的变形及二次破碎。由文献[11]可知，液滴破碎的条件为
(1)
式中:CD为阻力系数；ρg为气体密度；Ur表示气、液相对速度；σ为液体的表面张力；dmax为液滴发生二次破碎前的气液相对速度下，最大的稳定液滴直径。处于气流中的液滴若直径d
3.3 油膜抛撒的运动特征
为了扩大视场,以便较完整地观察和掌握油膜抛撒的运动轨迹和特征，采用阴影成像系统记录了4种油膜抛撒的情况(见图7)，并根据抛撒最前沿云雾或液丝单位时间内在抛撒图片中位移和比例尺实际距离的对比获得抛撒速度，如图8所示，v是抛撒速度。
图7 油膜抛撒运动轨迹 Fig.7 The dispersion trajectory of diesel fuel films
图8 油膜抛撒速度 Fig.8 The dispersion velocity of diesel fuel films
从图7、图8可以看出，1、2号油膜的初始抛撒速度明显大于3、4号油膜，但之后由于液滴在运动中与周围空气进行能量交换而快速衰减，而3、4号油膜的抛撒速度的衰减则相对比较平稳，在12 m后均高于1、2号油膜的抛撒速度，这是由于1、2号油滴发生了二次破碎后颗粒更加细小，迎风面的空气阻力则明显增加，因此在高速气流和空气阻力的共同作用下，1、2号的雾滴趋向于向四周扩散，竖直向上的速度迅速下降。整个抛撒过程，4号油膜的抛撒速度几乎均小于3号油膜，主要是4号油膜较于3号油膜黏度过大，使作为抛撒驱动力的激波及其高速气流的能量大量耗损，如表2所示,4号油膜的管口外附近的气动力只有3号油膜的41.52%、52.94%，造成气动力明显不足，抛撒速度较小。
因此，根据管口外附近的激波及高速气流速度、油膜抛撒速度及物性参数等可以计算1、2号油膜液滴二次破碎过程中的Weber数(We)、Ohnesorge数(Oh)、特征破碎时间t*，以获知油滴二次破碎的模式。另由文献[12]可知，当液膜的表面直径与其厚度比过大时，其变形及破碎效果更多由其厚度决定。因此，可用油膜的等效厚度代替油滴直径进行无量纲数计算，计算结果如表3所示，V是体积，S是油滴与气流的相对速度，h是等效厚度,油膜等效厚度是运用等效体积法[13]将同体积的油膜等效为球体，再将球体半径增加10%，最后折算成厚度。
表3 油膜无量纲参数计算 Table 3 The calculation of dimensionless parameters for diesel fuel films
由于1、2号柴油Oh数较小(Oh<0.1)，而We又远大于350，所以两者的初始油滴二次破碎模式均属于完全破碎或爆炸破碎。由于特征破碎时间极短，油滴将迅速完成变形、破碎过程，且形成的液体碎片粒径较小，雾化效果好。
4 结 论
(1) 马赫数约为1.12的激波作用4种柴油油膜后均衰减为高速气流，说明油膜对激波运动产生了较大阻碍作用，吸收了其部分能量。
(2) 油膜在激波及其高速气流作用下抛撒、破碎，其中1、2号油膜雾化效果好，发生了液滴的二次破碎，而黏度较高的3、4号油膜抛撒后呈液块、液丝状，并且黏度越大，液丝越聚集，雾化效果越差。
(3) 油样黏度小，则初始抛撒速度较大，但由于油滴会发生二次破碎，空气阻力将显著增加，表现为黏度越小，抛撒速度衰减越快。油样黏度较大，抛撒的距离和速度则随黏度的增大而减小，主要是黏度大的油膜对激波及高速气流的阻碍作用越大，急剧减小了起抛撒作用的气动力。
(4) 4种实验油样的密度、表面张力相近，但其运动黏度相差较大，并且油样运动黏度越大，激波作用油膜后压力衰减越大，表明激波能量被吸收越多，其气动力越小，雾化效果越差，由此可以确定运动黏度是影响柴油雾化效果的关键因素。
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