激波驱动下硝酸异丙酯的分散变化规律研究❋

张子龙 宋先钊 杨子凡 刘其闽 李 斌

南京理工大学化学与化工学院(江苏南京，210094)

引言

液体在高速气流作用下会发生变形和分裂，分散形成众多微小液滴，从而雾化。根据雾化的过程，一般分为一次雾化和二次雾化。喷射出的液体进入初始流场中，由于液滴与气体的相对运动而产生不稳定的表面波，这些波逐渐变化发展，最终发生破碎并分离出液滴，该过程称为一次雾化；随后，这些分离的液滴在周围气体流场的激励下，进一步分裂形成微观液滴，称为二次雾化[1-5]。

液滴分散雾化过程的研究对于消防、内燃机、军事等领域都具有重要意义。例如，为了阻止火灾的蔓延，利用爆炸产生作用力将抑爆剂进行抛撒，从而产生大范围的惰性物质分布区；利用激波将液体燃料分散雾化，可以提高以液体燃料为推进剂的发动机的燃烧效率，从而能够减少能源的浪费；而在国防军事方面，分散雾化过程具有更为重要的应用价值，在近现代局部战争中充分体现出了优越性。

作为一种敏化剂，硝酸异丙酯(IPN)不仅在民用工业上能很好地改进燃料的燃烧性能，而且在军事上可以敏化某些液体碳氢燃料，改善其爆轰性能。同时，由于IPN本身在一定外界能量的作用下具有爆炸危险性，故研究其燃烧爆炸属性能对正确使用这类物质提供重要依据，对发展先进的云雾爆轰武器和云雾爆轰控制技术具有重要意义[6-7]。

本文中，主要研究IPN液膜在激波作用下的抛洒及分散过程。通过改进过的竖直激波抛洒装置，以激波马赫数Ma以及液膜厚度H为变量，辅以压力测试系统以及高速摄影系统，对高速摄影系统捕获的图像以及压力传感器的数据进行分析，对液膜变化过程进行宏观研究，以探求其表观变化规律。

1 实验过程

1.1 实验设计

采用改进过的竖直激波抛洒装置。如图1所示，实验装置主要由高压区、激波区、膜片、法兰以及精度为1%的压力传感器组成。高压气体通过电磁阀进入装置高压区内，随后冲破高压区上方激波膜片，产生激波，通过改变激波膜片的厚度，产生不同强度的激波。

图1 实验装置图Fig.1 Experimental device diagram

除激波强度外，液膜厚度也为变量之一。实验中，称量纸承载液膜放置在激波区出口处；称量纸上方为可更换法兰，其正中央开有一直径为10 mm的圆孔；通过更换不同厚度的法兰，改变液膜的厚度。根据有关文献以及前期预备实验发现，液膜厚度以4 mm为差值变化时，液膜会表现出明显的变化差异。因此，主要研究4种不同的液膜厚度(分别为8、12、16 mm以及20 mm)的圆柱状液膜。

通过高速摄影系统的参数确定时间t。使用的高速摄影系统每0.2 ms拍摄一张照片，因此以0.2 ms作为时间间隔对高速摄影结果进行分析。

1.2 实验步骤

将高压气体入口通过电磁阀连至高压空气瓶。每次实验前，打开高压区上方的膜片法兰螺栓，更换不同马赫数Ma的激波膜片。分析云爆武器实际应用时产生激波的Ma，将激波管出口处激波的Ma设置为:1.44±0.04、1.53±0.08及1.62±0.11。

安装好膜片后，将实验装置连接真空泵，抽真空检查装置气密性。若气密性不良，检查漏气处；气密性良好，则继续实验。

由于IPN的黏度太低，每次实验时以一张称量纸盛装液体。液膜厚度H为8、12、16 mm以及20 mm。加注完液体后，开始实验。

2 结果与分析

2.1 液膜运动规律的分析

分析图2~图3中的典型图片。重点关注其宏观运动规律和水平及竖直方向的分散程度。

有关研究表明，液膜分散雾化过程是气动力控制过程[8]，气动破碎是液滴破碎的主要形式[9]。但在本实验条件下，液膜还会受到激波的作用。激波与液膜作用过程中存在入射、反射与透射现象。透射激波影响液膜左侧破碎云团形状，入射激波和反射激波影响液膜右侧破碎云团形状。激波从管口出来后形成不稳定的狭长射流[10]，而流体界面的不稳定变化是一个复杂的过程，包括尖钉、气泡的形成[11]。由图2可以发现:在Ma＝1.53±0.08激波作用下，0~1 ms时，液膜会在激波产生的射流作用下以锥型向上突起，并会出现不规则的尖钉；此时液膜发生初次分散，这些尖钉在不稳定射流作用下失稳并且破碎成球形液滴[12]。1~3 ms为液膜的扩散阶段，在此阶段内液膜上端会逐渐变平，并且在射流以及激波的作用下呈现出变粗、变长的趋势；在2 ms时，液柱下方均出现了明显的丝状分散痕迹，并带有明显的液丝，在液柱两侧也出现了明显的尖钉现象，这些尖钉破碎成球形液滴并变为水平方向的云雾扩散。4~8 ms阶段内，液柱的形状已无明显变化，已破碎的液膜在激波作用下再次分散，在这个过程中会形成更多的丝状云雾，并且由液膜下方逐渐发展到液膜上方。这些丝状云雾会随着激波作用时间的延长而逐渐消失。这些丝状云雾应该是IPN部分气化时的残留效应，但随着激波的不断作用，其最终完全气化，这与有关石油醚[8]研究结果类似，如图3所示。石油醚液膜在分散初期也会出现明显的尖钉效应，在分散后期也会出现液丝；并且，随着液膜厚度的增加，液膜整体变形明显变慢，丝状云雾的量随之增加，且持续时间更长，分散效果变差。

图3 Ma＝1.62±0.11激波作用下12 mm厚的石油醚液膜的高速摄影图像[8]Fig.3 High speed photographic images of 12 mm-thick petroleum ether liquid film under shock wave with Ma＝1.62±0.11[8]

对高速摄影图像进行处理，得到了不同时间的竖直方向云雾高度h、水平方向云雾宽度l、竖直方向高度变化△h1和水平方向宽度变化率△l2，如图4所示。令δ＝△h1/△l2，δ随时间的变化情况如图5所示。

云雾抛撒过程可分为3个阶段，分别是加速运动阶段、减速运动阶段和湍流运动阶段[13]。将8、12、16 mm以及20 mm的液膜运动图像进行比较，并结合图4可发现:在1 ms的时间内，水平、竖直方向均出现明显的云雾抛洒，可以认为在水平和竖直方向上均出现了分散现象。在运动初期，△l2要明显大于△h1，液膜呈现水平方向快速分散的现象。但随着激波作用时间的增加，△l2会逐渐减小，△h1逐渐增大，由此可以发现，水平方向先进入到减速运动阶段。

液滴与激波碰撞后，液滴的抛撒是一个多阶段的渐进过程[14]。分析图4~图5可以发现，△h1、△l2以及δ均存在多个峰值与谷值。对照图2可知，此时会有丝状云雾的出现；并随着峰、谷的不断出现，会有更细小的丝状云雾的出现。此时发生了液滴的再次分散现象，最外侧的液滴在激波作用下不断被分散，最终变成混合气体。δ由0开始，逐渐增大；随着液膜厚度增大，δ＝1所需的时间增长，即△h1＝△l2时所需的时间增长。

图2 Ma＝1.53±0.08激波作用下IPN液膜的高速摄影图像Fig.1 High speed photographic images of IPN liquid films under shock wave with Ma＝1.53±0.08

图4 高速摄影图像得到的各参数随时间的变化曲线Fig.4 Changes of parameters obtained from high speed photographic images with time

图5 δ随时间的变化曲线Fig.5 Changes ofδwith time

液膜的竖直及水平方向的变化距离均与液膜厚度负相关、与激波强度正相关。对云雾高度h以及宽度l与时间t的关系进行拟合，所得关系式分别如表1~表2所示。

由表1~表2发现，在4种液膜厚度的情况下，竖直方向与水平方向的液膜运动距离与时间呈4次方关系，并且R2均大于0.98，这说明拟合关系式相关性较佳。水平方向上，8 mm及12 mm液膜厚度时，l与t4有很好的相关性；当液膜厚度增加到16 mm及以上时，l与t4相关性变差。在h、l与t的关系式中，当液膜厚度为8 mm时，t4系数最大；液膜厚度为20 mm时，t4系数最小；当液膜厚度为12 mm和16 mm时，t4系数接近。总体来看，t4系数在液膜厚度从8 mm到12 mm以及大于16 mm时呈现出快速下降的趋势，在12 mm到16 mm之间变化不大。

表1 云雾高度h与时间t的拟合式Tab.1 Fitting formulas between cloud height h and time t

表2 云雾宽度l与时间t的拟合式Tab.2 Fitting formulas between cloud width l and time t

2.2 入射激波与反射激波的变化分析

所选用的测试系统中共设有8个压力传感器。以传感器P4为例，研究入射激波以及与液膜接触后的反射激波的压力变化。对压力数据进行处理后得到表3。表3中:p4为入射激波压力；p′4为反射激波压力；△p为超压；ε为超压比，ε＝△p/p4。

由表3可知:当激波强度为Ma＝1.44±0.04时，ε≈2；当激波强度为Ma＝1.62±0.11时，ε≈3；激波强度增大，超压比ε增大。张晓娜等[15]对燃料抛撒的分散过程进行了研究，提出入射激波、反射激波等相互作用对云雾状态造成影响。且当激波以传感器作用于普通密度物质时，激波在作用面会发生大量的透射、反射和绕射，初始激波的形态和强度会发生较大的变化[16]。对此现象，考虑是由于入射激波强度的不足所导致，激波与液膜接触后，发生透射、投射和反射，激波强度发生衰减，无法为液膜分散提供足够能量。当激波强度较低时，ε会在一个范围附近波动；当激波强度较高时，激波衰减后仍能提供足够的能量，ε更大。分析认为，激波强度在超过Ma＝1.53±0.08之后，ε会逐渐有随着H变化发生线性变化的趋势。当激波强度为Ma＝1.62±0.11时，△p会随着H的改变呈现线性变化；εmin≈2.6，εmax≈3.0，ε会随着H的增加而增大。

表3 传感器P4测得的入射激波压力与反射激波压力Tab.3 Incident shock pressure and reflected shock pressure measured by Sensor P4

石油醚是云爆武器的另一种典型燃料。有关石油醚[8]研究表明，4~16 mm厚的石油醚液膜的反射超压为654.7 kPa。在激波强度相同的情况下，IPN的超压要明显小于石油醚，说明相同条件下，激波作用在IPN液膜后能量衰减更多。这表明，同等条件下，IPN液膜分散过程所需的能量更大。

2.3 液体云雾超压的研究

通过位于液膜上方的间距为10 cm的压力传感器测量液膜分散形成的云雾的压力变化，对压力数据进行处理得到表4。表4中，p5~p8分别为对应传感器P5~P8测得的压力。

表4 传感器P5~P8测得的压力Tab.4 Pressure measured by Sensor P5-Sensor P8

由于传感器P5与法兰直接接触，会因设备振动等原因产生一定误差，对此在讨论时忽略传感器P5的值，分析其他3个传感器(P6、P7、P8)的压力变化情况。当以传感器与液膜的距离为变量进行研究时发现，云雾形成的压力与传感器距液膜的距离呈负相关；以激波马赫数为变量研究时发现，云雾形成的压力与激波马赫数呈正相关。

8 mm液膜产生的压力仅次于20 mm液膜产生的压力；12 mm的液膜所产生的压力均较小。由于压力传感器所测数据是云雾压力的最大值，考虑此现象是因为液膜厚度及激波强度两种因素共同影响导致的。结合图4发现，在相同时间间隔内，h以及l均与H负相关。理论上，此时云雾压力应与液膜厚度正相关，但仍需考虑激波强度带来的影响。

δ可以作为分散程度的判据。单位时间内，δ越大，表示液膜分散得越快。通过图5可以得到，激波强度为Ma＝1.53±0.08时，δ8＞δ20＞δ16＞δ12。故8 mm液膜分散得最快，20 mm液膜次之。在8~20 mm液膜厚度的范围内，8 mm厚的液膜主要是受激波强度的影响，分散得更彻底，分散效果更好。20 mm液膜的分散过程主要是受液膜厚度的影响，随着液膜厚度的增加，透射激波强度减小，反射激波强度增大，液滴的二次破碎情况减弱。液滴粒径增大[17]，液膜分散效果变差，分散程度逐渐减弱。激波能量主要用于一次分散雾化过程，故而距液膜10 cm处形成的分散云雾仍具有较大的压力。但由于初次分散雾化产生的液滴体积及速度均较大，方向不定，粒子间相互碰撞而使其能量降低，致使距液膜20 cm处的云雾压力与16 mm液膜相比下降更多。因此，随着液膜厚度的增加，激波强度的影响逐渐降低，液膜厚度的影响逐渐增高。当液膜厚度为12 mm时，δ最小，说明其分散的过程最慢、效果最差。基于此现象以及表1~表2有关内容认为:IPN液膜厚度H＝12 mm时，激波强度及液膜厚度的影响均最小，液膜分散效果最差；H＜12 mm时，液膜的变化过程主要受激波强度影响；H＞12 mm时，液膜的变化过程主要受液膜厚度影响。

3 结论

1)IPN液膜在激波作用下水平与竖直方向上均发生分散。初始阶段，以水平方向的分散为主；随后，以竖直方向的分散为主。水平方向，液膜抛洒先进入减速阶段，随着液膜厚度的增加，液膜分散效果变差，分散时间变长，其分散表征与石油醚相似。

2)IPN液膜分散所需能量要高于石油醚，在Ma为1.53±0.08与1.62±0.11之间存在一个激波强度，在这个激波强度下，超压比ε随液膜厚度H呈线性变化的趋势，可以为液膜分散提供足够的能量。

3)IPN液膜分散过程中，H＝12 mm时，液膜分散过程的主要影响因素发生变化。H＜12 mm时，液膜的变化过程主要受激波强度影响；H＞12 mm时，液膜的变化过程主要受液膜厚度影响。