硅系延期体喷火火焰特性研究

胡坤伦，蒙 可，韩体飞，张 晔，丁 峰

硅系延期体喷火火焰特性研究

胡坤伦，蒙 可，韩体飞，张 晔，丁 峰

（安徽理工大学化学工程学院，安徽 淮南，232001）

为了探究延期体末端喷火段的火焰特性，采用硅系延期药制备了无切缝和有切缝两种延期体进行对比实验，通过高速相机和激光纹影测试系统观测延期体末端喷火火焰的流场结构，计算喷火火焰速度，以获得延期体喷火火焰特性与药芯燃烧传播稳定性的关系。结果表明：末端无切缝时，喷火火焰存在二次不稳定湍流火焰，其原因是由于内部气体积累而使药芯断裂，产生脉动燃烧现象；有切缝时，不存在二次湍流火焰，由于切缝的泄压作用，使药芯密度均匀，内部为稳定的层状燃烧。

延期体；燃烧特性；硅系延期药；激光纹影仪；喷火火焰

硅系延期药是一种广泛应用于毫秒延期雷管中的快速延期药，其燃烧特性、燃烧传播稳定性是其延期精度研究的重要方面。Jonathan A. C. Goodfield等人[1]采用瞬态高温计测试了PbO/Si二元体系在半成品雷管中的燃烧温度，结果与计算的理论值具有较好的一致性，该温度测试方法为延期药燃烧特性的研究提供了一种实验手段。Kai-Tai Lu等人[2]采用高速相机研究两种硼系合金延期药在透明管中的点火和火焰传播特性，并用热电偶测试了喷火火焰的温度，为硅系延期药性能的研究提供了测试方法。陈磊等人[3-4]采用了高速摄像技术对延期体生产工艺中的压药压强、卡腰位置以及延期体药芯数与末端喷火火焰关系进行了实验研究，得到了各种工艺参数与喷火火焰持续时间的关系，进而揭示各工艺条件对延期精度的影响。马志钢等人[5]利用显微镜观察铅芯延期体药剂残渣状态，发现层状龟裂的残渣，是典型的脉动燃烧。沈瑞琪等研究者[6]通过高速摄影技术研究硼系延期药，进一步揭示了燃生气体的反复积累而产生延期药脉动燃烧现象。

综上国内外学者采用了瞬态高温计、高速摄像技术，设计不同的延期体测试样品，对延期药点火、燃烧传播过程及喷火火焰性能等方面进行了诸多研究，揭示延期药的燃烧机理以及影响延期药精度的因素，然而在延期药喷火火焰特性方面的研究不足。本文采用高速摄像和纹影技术，对硅系延期体末端喷火火焰进行测试，探究延期体末端喷火的特性以及与药剂燃烧传播的关系，进一步揭示延期药稳态燃烧机理。

1 实验

1.1 样品制备

药剂为淮南舜泰化工有限责任公司生产的铅丹-硅系延期药，采用多次、定量、定压的手动压药方式，将延期药压装在外径6mm、内径2mm、长16mm的铝管中，制成单芯延期体。用卡口机将延期体与雷管壳、橡胶塞和点火导爆管相连接。设计两种药芯：一种铝延期体外露部分沿药柱轴向磨成切缝，使药芯外露；另一种为无切缝延期体。样品实物及结构如图1所示。

图1 两种测试样品实物及结构图

1.2 延期体喷火火焰高速纹影测试

测试系统由高速相机和激光纹影仪两部分组成。高速相机为日本NAC公司生产的Memrecam HX-3型高速相机，图2为激光纹影测试系统光路图。

将测试样品固定于高速纹影测试系统的样品放置段，高速相机拍摄频率设置为10 000帧/s，测试无缝样品喷火端火焰流场，以及有切缝样品的切缝和喷火端火焰流场。

图 2 激光纹影光路图

1.3 测试结果分析方法

读取RGB原始图片并转化为灰度图，调取灰度图矩阵并乘以2，扩大目标与背景的对比度。采用阈值分割法对图像进行处理，先查看灰度图的灰度分布直方图，选取合适的灰度值设为阈值，对灰度图进行阈值化处理，最终得到二值化图像。根据灰度直方图选取阈值并将图像进一步阈值化，测量实际样品尺寸与拍摄图像进行尺度对比，得出图像像素比例，利用Getdata软件将所得图像位图转化成矢量图，逐张分析有效运动目标并记录x轴方向数值获得速度值。

2 实验结果分析

2.1 延期体喷火火焰高速纹影典型图及数据处理过程

图3（a）为无缝延期体喷火2.6ms时刻、像素为1024×864的RGB原图，对图片进行灰度化处理，保留灰度值0～255范围内的图像矩阵；利用Matlab软件调取图像矩阵的灰度分布直方图，选取灰度值14进行阈值化处理，获得阈值化图像。

图3 典型图像处理过程

如图3（b）、3（c）分别为喷火2.6ms时刻灰度化图像和阈值化图像。处理后的图像可有效消除背景影响，突出目标边缘，利于研究延期药的喷火火焰特性。

2.2 延期药燃烧喷火火焰特性的分析

选取时间间隔为0.6ms无切缝延期体喷火火焰图进行图像处理，如图4所示。

图4 无切缝延期体初次喷火火焰图

图4中，0ms时火焰尚未喷出，0.6ms时未燃尽药剂颗粒从端部喷出，从1.2ms开始，药剂呈发散式运动，未燃尽药剂颗粒以喇叭状向前做线性运动，此时喷火界面无明显湍流现象，喷火过程呈发散式线性运动，火焰界面多个未燃尽延期药颗粒由于惯性做超前运动。图5为无切缝延期体二次喷火火焰组图，图中8.7ms时，延期体端部二次喷火火焰呈现湍流现象，随后湍流现象逐渐明显，火焰径向扩散范围增加。

图5 无切缝延期体二次喷火火焰图

根据层状燃烧理论分析产生二次喷火火焰的原因。在延期体有限空间内，药剂产生的微气体在管内累积，形成高压环境，气体压力累积大于药剂颗粒间及药剂与约束铝管内壁作用力时，燃烧反应区和未反应区的延期药层间断裂，出现不稳定的脉动燃烧；在端口处的自由面上，反应前区为未燃药剂，延期药被先行抛撒出端口，反应区药剂燃烧传播至端口并喷出，产生不稳定二次喷火现象。

图6为有切缝延期体样品测试结果图，管内延期药燃烧界面经过切缝时，燃烧产生的微气体经过切缝喷出，并伴有部分燃烧物。火焰伴随高压气体通过泄压切缝排出。图6中23.9ms时燃烧波阵面刚传播至泄压切缝，反应区内铅丹硅受热生成高压气体经泄压切缝排出，向管口斜上方较小范围扩散；24.5ms时刻燃烧反应区传播至泄压切缝，孔外燃生气体减少，但喷出速率较大，这是由于波阵面后方燃烧产物间密度降低，燃生气体所受阻力下降，喷火速率反而升高。图中燃烧界面经由泄压切缝传播至喷火端后，直接形成一次喷火，喷火界面无明显湍流现象及发散性扩散，喷火火焰界面更为集中，喷火速率较大。因此，在相同装药条件下，延期体侧壁切缝可使预反应区内燃烧产生的周期性气体累积压力卸除，消除二次喷火现象，减弱延期药的不稳定燃烧。

图6 有切缝延期体喷火火焰图

2.3 延期体燃烧喷火火焰速度分析

图7为无切缝延期体初次喷火火焰时间——速度图，图7中喷火火焰平均速率为17.96mm∙ms-1，最大速率为25.52 mm∙ ms-1，约在1ms后喷火火焰速度趋于稳定，火焰末端距管口最短距离约为10.48mm。

图7 无切缝延期体初次喷火火焰传播速率

图8为二次喷火火焰的时间——速度图，二次喷火火焰平均速率约为2.56 mm·ms-1，最大速率为5.52mm ∙ms-1，9.5ms后形成较为稳定的燃烧界面，火焰末端距管口为2.53mm。

分析两次喷火火焰可知，初次喷火火焰速率较大，喷火火焰距管口较远后扩散，二次喷火速率相对较小，喷火界面在近管口处形成。即初次喷火火焰为延期药喷出后于管外进行的燃烧反应，二次喷火现象主要由管内延期药的脉动燃烧引起。

图8 无切缝延期体二次喷火火焰传播速率

图9为有切缝延期体一次喷火火焰时间——速度图。

图9 有切缝延期体一次喷火火焰传播速率

图9中喷火火焰平均速度为9.96mm·ms-1，喷火瞬间火焰传播速率最大，速度为27.83 mm·ms-1，喷火后0.5ms内喷火火焰速度急速下降，0.5ms后喷火火焰速度趋于稳定，火焰末端距管口最小距离为6.75mm。与无切缝延期体两次发火火焰速度相比，一次发火初始速度更大，喷火火焰距管口较近，发火后速度下降幅度更大，但发火速度更快趋于稳定。即有切缝延期体有效消除了延期药管内脉动燃烧的影响，一次喷火火焰喷火能量更为集中。

综上分析，延期体内药剂燃烧产生微气体积累，在药芯间形成高压环境，使密度均匀药芯出现断裂现象，裂隙间的药剂燃烧传递呈现间断式，即忽明忽暗的脉动燃烧现象，而这种现象很大程度影响燃烧的稳定性。在压装密实的延期体切缝后，燃烧沿切缝面不断有气体泄出，避免了高压环境致使药芯断裂的现象，此时为稳定均匀的层状燃烧。

3 结论

采用高速纹影系统可获得延期体喷火火焰流场图，通过图像处理技术，得到了喷火火焰结构特性，揭示了药剂燃烧内部状态。通过实验图像处理，发现有切缝时，延期体火焰喷出速度较慢，无切缝时，存在二次喷火火焰，且喷出速度较快，为不稳定湍流现象。当延期体侧壁有切缝时，由于切缝的泄压作用，而消除不稳定二次湍流火焰，药芯内部燃烧稳定。

延期体在制备过程中，由于药芯药剂密实装药，微气体积累后，使药芯环境内形成高压，燃烧呈不稳定状态；有待进一步研究具有泄压缝的延期体，测试泄压缝与延期精度的关系。

[1] Nakamura H, Taniguchi H, Hara Y. Effect of milling on the burning rates of red lead‐ferrosilicon‐antimony(III) sulfide delay compositions[J]. Propellants Explosives Pyrotechnics, 1995, 20(2):87-90.

[2] Kai-Tai Lu, Yao-Chih Wang, Tsao-Fa Yeh,etc.. Investigation of the burning properties of Zr/B type and Ti/B type alloy delay compositions[J].Combustion and Flame,2009,156(8):1 677-1 682.

[3] 陈磊,韩体飞,孟丽娟.芯数对延期体延期精度的影响[J].火工品,2016(6):14-16.

[4] 韩体飞.影响延期药精度的实验研究[D].淮南:安徽理工大学,2015.

[5] 马志钢,王瑾,葛雷,等.高速摄影法研究铅芯延期体的燃烧特性[J].火工品, 2006(3):39-41.

[6] 武双章,沈瑞琪,叶迎华,等.硼系延期药燃烧特性分析[J].含能材料,2008,16(5):502-506.

Study on Output Flame Characteristics of Silicon Delay Element

HU Kun-lun, MENG Ke, HAN Ti-fei，ZHANG Ye，DING Feng

（School of Chemical Engineering，Anhui University of Science and Technology，Huainan，232001)

In order to study the output flame characteristics of the delay element, two kinds of delay elements of slotting and non-slotting were prepared by the silicon delay composition, and the flow field structure of the flame was observed by the high-speed camera and laser schlieren test system, meanwhile, the flame output rate was calculated, to study the relationship between the flame characteristics of the delay element and the combustion stability of the core. The results show that the secondary unstable turbulent flame exists in the combustion of the output flame when the end is non-slotting, which is caused by internal gas accumulation leading to the core break and producing pulsating combustion. When there is a slotting, there is no secondary turbulent flame, which is due to the pressure relief of the slotting, and that could make the density of the core uniform and the internal laminar combustion stable.

Delay element；Combustion characteristic；Silicon delay composition；Laser schlieren system；Output flame

1003-1480（2019）01-0022-04

TJ45+5

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2019.01.006

2018-11-26

胡坤伦（1962-），男，教授，主要从事民爆器材及爆破技术研究及教学。

国家自然科学基金项目（51004009）；安徽理工大学大学生创新创业训练计划项目（201710361268）；安徽理工大学校青年基金重点项目（12882）。