黃 勇，魯長波，安高軍，熊春華，解立峰

(1.南京理工大學(xué)化工學(xué)院，江蘇 南京 210094； 2.常州大學(xué)環(huán)境與安全工程學(xué)院，江蘇 常州 213164； 3.中國人民解放軍總后勤部油料研究所，北京 102300)

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柴油爆炸性能外場實驗研究

黃 勇1,2，魯長波3，安高軍3，熊春華3，解立峰1

(1.南京理工大學(xué)化工學(xué)院，江蘇 南京 210094； 2.常州大學(xué)環(huán)境與安全工程學(xué)院，江蘇 常州 213164； 3.中國人民解放軍總后勤部油料研究所，北京 102300)

通過?30 mm殺爆燃彈外場炮擊實驗，模擬車輛、裝備油箱被炮火擊中后二次爆炸場景，采用高速照相機、紅外熱成像儀分別記錄引爆柴油過程和爆炸火球的溫度場，對比評估普通柴油、含水型柴油和抑爆型柴油的爆炸特性。實驗結(jié)果顯示：炮彈射擊油箱瞬間，柴油液滴被拋撒出油箱，與空氣快速混合形成氣溶膠，并在炸藥能量作用下引發(fā)爆炸，形成爆炸火球；不同類型柴油的爆炸火球均經(jīng)歷3個發(fā)展階段，但其尺寸、擴展速率和表面溫度等有較大差別，普通柴油和含水型柴油的火球這3個參數(shù)比較接近，都大于抑爆型柴油；含水型柴油的油箱毀傷容積為108.00 dm3，遠(yuǎn)高于普通柴油的57.65 dm3和抑爆型柴油的38.15 dm3。研究表明，抑爆柴油中的高分子聚合物能起到較好的抑爆作用。

爆炸力學(xué)；爆炸性能；二次爆炸；柴油；火球

輕質(zhì)石油燃料和危險化學(xué)品爆炸性能方面的研究大多集中在車用汽油上。柴油尤其是軍用柴油的閃點一般較高(-10號軍用柴油閃點高于65 ℃)，不屬于易燃易爆危險化學(xué)品，其危險化學(xué)特性研究也較少。然而，柴油被廣泛用作為大型車輛、機械設(shè)備和武器裝備的燃料，一旦車輛、裝備發(fā)生安全事故或遭受炮火襲擊，容易引發(fā)油箱中柴油的二次爆炸，這也是造成車輛裝備損毀和人員傷亡的重要原因[1]。

本文中模擬實戰(zhàn)條件，開展?30 mm殺爆燃彈引爆-10號軍用柴油和含水性、抑爆型軍用柴油的實驗，并運用高速照相機和紅外熱成像儀記錄引爆過程和爆炸火球參數(shù)，通過對爆炸過程、火球參數(shù)和油箱毀傷容積等分析和處理，評估上述3種類型柴油的爆炸性能和抑爆效果，為進一步改進、完善抑爆型柴油配方提供實驗參考。

1 實 驗

1.1 實驗方法

圖1 射擊點示意圖Fig.1 Sketch of the shooting point

采用?30 mm殺爆燃彈在120 m外對盛裝五分之一容積油料的臥置油箱的底面蒸氣區(qū)中心進行炮擊，文獻(xiàn)[2]中已通過實驗證實引爆柴油蒸氣比引爆液相柴油造成的爆炸后果危害更大。實驗要求炮彈須射正瞄準(zhǔn)位置，且在油箱內(nèi)部爆炸，否則實驗結(jié)果視為無效。圖1為炮彈射擊點示意圖。

1.2 實驗油料和裝置

(1) 實驗油料：Ⅰ為-10號軍用柴油；Ⅱ為含水15%的-10號軍用柴油；Ⅲ為-10號抑爆軍用柴油，即在-10號軍用柴油中添加了高分子聚合物抑爆劑及抗氧化劑等添加劑，其中抑爆劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4%。

(2) 實驗油箱：實驗油箱為108 L的圓桶，?500 mm×550 mm；油箱材質(zhì)為20號鋼，壁厚為2 mm。

(3) 測試系統(tǒng)：測試系統(tǒng)主要包括一臺高速照相機和一臺紅外熱成像儀，高速照相機為最大拍攝速率為12 000 s-1，每幀最大分辨率為1 504×1 128；紅外熱成像儀的溫度響應(yīng)時間為2 μs，采用分辨率為320×240的微熱輻射計探測器接收探測目標(biāo)所釋放出來的能量。

1.3 實驗場布置

圖2 油箱布置Fig.2 The fuel tank layout

實驗在軍工專用實驗靶場中進行，具體實驗場的布置為：實驗油箱臥放于800 mm高的支撐鋼架上，并用兩根30 mm寬鐵條固定。油箱后側(cè)1 000 mm處豎立放置一尺寸為1 020 mm×1 800 mm×20 mm的受彈鋼板，鋼板后為鋼筋混凝土掩體，如圖2所示。30 mm口徑防空火炮架設(shè)在軌道座上，炮口中心線與油箱被射擊部位處于同一水平位置。高速照相機設(shè)置在油箱左前45°方向約25 m處，拍攝速率為1 000 s-1。紅外熱成像儀布置在油箱前方116 m處，采樣周期為31 ms。

2 結(jié)果與分析

2.1 柴油爆炸過程

炮彈射擊裝備車輛油箱引發(fā)爆炸通常呈現(xiàn)火球形態(tài)。它是因炮彈起爆引起燃油箱破裂，拋撒出來的燃料液滴與空氣快速混和形成氣溶膠，并在炸藥釋放的能量作用下形成的?；鹎蜻吘壍幕鹧鎸諝庵械娜剂弦旱芜M行預(yù)熱，使其蒸發(fā)、熱解、著火和燃燒，促進火球的擴展?；鹎虻陌l(fā)展可以分為3個階段[3]：(1)快速擴展期——短時間內(nèi)火球半徑急劇增長，達(dá)到特征半徑的60～70%；(2)穩(wěn)定期——大量的空氣與燃料混合，釋放大量的能量，以維持持續(xù)的高溫環(huán)境；(3)自由擴散期——擴散期初期，火球內(nèi)部的液滴仍在劇烈燃燒，火球中部維持著高溫，隨著能量不斷向周圍擴散，火球的溫度逐漸降低，直至形成煙霧散去。

通過對高速照相機所拍攝的實驗照片分析可以發(fā)現(xiàn)，炮彈射擊油箱瞬間產(chǎn)生亮白色的小火球，同時炮彈破片及柴油液滴向四周猛烈噴射，數(shù)毫秒內(nèi)將火球的大部分遮蓋?。淮蠹s在10～20 ms時，大部分柴油液滴參與燃燒，火球急速擴展；50 ms左右時，火球逐漸進入穩(wěn)定期，保持較高溫度，一般維持10～103ms量級，之后進入自由擴散期。圖3為3種柴油的火球發(fā)展過程的典型照片。圖3顯示：20 ms時，火球急劇膨脹，明顯可見炮彈破片和液滴云霧；200 ms時，火球亮度較高；2 000 ms時，火球燃燒大幅衰弱，表面呈暗紅色，此時柴油Ⅲ的火球已成煙霧散去。

圖3 不同柴油爆炸過程的典型照片F(xiàn)ig.3 Typical photos of explosion process for different types of diesel fuel

2.2 爆炸性能分析

火球參數(shù)和油箱毀傷情況反映了爆炸劇烈程度，因此可以用火球尺寸、擴展速率、表面溫度和油箱毀傷容積等參數(shù)描述和分析柴油的爆炸性能。

2.2.1 火球尺寸

運用AutoCAD軟件對實驗照片分析、處理，可以得到火球的直徑、截面積等尺寸[4]，如表1所示，其中：S、D、h分別為火球的最大截面積、最大直徑及火球直徑達(dá)到最大時的高度(縱向直徑)。

表1 火球尺寸

由表1可知，柴油Ⅲ的火球最大直徑及其高度、最大截面積均最小，且最大截面積只有柴油Ⅰ火球最大截面積的29.63%。Ⅱ與Ⅰ相比，火球最大直徑稍小，但其火球高度以及最大截面積均大于Ⅰ。

2.2.2 火球擴展速率

圖4 火球擴展速率曲線Fig.4 Expanding rate of the fireball

ProAnalyst是一款可追蹤及測量視頻中物體各項動態(tài)數(shù)據(jù)的分析軟件，主要用于燃燒過程、彈道和軌道跟蹤等領(lǐng)域的研究。運用ProAnalyst分析軟件在水平方向上對火球左側(cè)火焰的外邊緣進行跟蹤，獲取tn、tn′時刻的火球半徑Rn、Rn′，再將(Rn′-Rn)/(tn′-tn)作為tn′時刻火球的橫向擴展速率v(即火球半徑的增長速率)。圖4是火球擴展速率曲線圖，圖中曲線由3種柴油不同時刻的擴展速率經(jīng)二項式擬合而成。

從圖4可知：前20 ms，炮彈炸藥驅(qū)動作用使柴油形成射流，火球急劇擴展；之后，爆炸推力作用不斷削弱，爆炸產(chǎn)物氣體逐漸與柴油液滴分離，火球擴展速率隨時間迅速衰減(但仍保持較高水平)，一般來說液滴初速度大，運動中受到的阻力也較大，速度衰減也越快[5]，因此柴油Ⅰ和Ⅱ的火球在最大擴展速率時的衰減比柴油Ⅲ的火球更顯著；此后液滴只在外部氣場阻滯作用下做減速運動，而柴油Ⅲ的火球80 ms后擴展速率小于零，說明火球水平方向在逐漸收縮、消散。

含水型軍用柴油是通過微乳化的方式在柴油中加入一定量水，以提高其防火性能。其中，水是以油包水型乳化油的形式存在。由于水沸點低于油的沸點，炮彈炸藥起爆后環(huán)境溫度急劇升高，水微粒將先沸騰氣化，體積瞬間增大。當(dāng)水滴中的壓力超過油的表面張力及環(huán)境壓力之和時，水蒸氣產(chǎn)生的巨大壓力將沖破油膜的束縛，這相當(dāng)于極小的爆炸，使油霧化成更細(xì)小的油顆粒，即“微爆效應(yīng)”[6-8]。細(xì)小油顆粒與空氣接觸的比表面積增加了10 000倍左右，變得更易燃燒。因此，圖4中柴油Ⅱ火球的擴展速率幾乎均大于同時刻Ⅰ和Ⅲ火球的擴展速率。

2.2.3 火球表面溫度

紅外熱成像系統(tǒng)清晰地記錄了火球表面溫度變化過程，得到不同時刻的紅外熱圖像。運用紅外熱成像系統(tǒng)自帶的MikroSpec軟件對熱成像圖進行分析、處理，可以得到選定圖像區(qū)域內(nèi)的最高、最低和平均溫度，以及它們隨時間的變化關(guān)系。表2是3種柴油的火球表面溫度參數(shù)，其中：Δt為各溫度區(qū)間的持續(xù)時間，Tm,max為火球的表面最高溫度Tm的最大值，Ta,max表示火球在達(dá)到表面最高溫度時的平均溫度。圖5是火球表面最高溫度隨時間的變化關(guān)系曲線，Tm為火球的表面最高溫度。

表2 火球表面溫度

圖5 火球表面最高溫度隨時間的變化曲線Fig.5 Variation of the highest temperature on the surface of the fireball

從表2看出，柴油Ⅰ和Ⅱ的火球表面最高溫度以及最高溫度時的表面平均溫度比較接近，均遠(yuǎn)高于柴油Ⅲ火球的表面最高溫度(1 260.1 ℃)和平均溫度(1 001.9 ℃)。在高溫持續(xù)時間方面，柴油Ⅲ的優(yōu)勢更明顯，其火球表面最高溫度處于1 000 ℃以上的時間只有453 ms，遠(yuǎn)低于Ⅰ(2 945 ms)和Ⅱ(3 850 ms)，并且在1 250～1 500 ℃、1 000～1 250 ℃高溫段的持續(xù)時間同比Ⅰ和Ⅱ，分別是它們的4.65%、3.81%和36.04%、17.85%。

圖5顯示了1 500 ms內(nèi)柴油火球表面最高溫度隨時間的變化，即火球發(fā)展初期表面溫度迅速升高，并維持一段時間高溫后，又逐漸降低。柴油Ⅲ的火球表面溫度迅速升溫至高溫段，并維持了約200 ms后開始快速下降，而柴油Ⅰ和Ⅱ液滴與空氣持續(xù)、充分反應(yīng)釋放出大量的能量，維持了較長時間1 200 ℃以上的高溫。

2.2.4 油箱毀傷容積

同樣實驗條件下，3種柴油的油箱的毀傷情況有很大差別，如圖6所示，這體現(xiàn)了不同類型柴油之間抑爆效果的優(yōu)劣。從圖6看出，油箱主要是前后端面破裂，側(cè)壁是數(shù)十個破片孔，說明爆炸驅(qū)動力主要是沿油箱軸線方向作用，因此可采用(1)式計算油箱毀傷容積，計算結(jié)果見表3。

(1)

式中：V為油箱毀傷容積；H為靶間距，即油箱前后端面間距(55 cm)；b為靶板厚度，即油箱壁厚(2 mm)；D1和D2為油箱前后端面的破壞尺寸。

圖6和表3表明，Ⅲ的油箱毀傷容積稍小于Ⅰ的油箱，它的前、后端面均是部分翹起，而Ⅱ的油箱則被完全毀傷。

表3 油箱毀傷容積計算結(jié)果

圖6 油箱毀傷情況Fig.6 Fuel tank damage

3 抑爆性能評估與分析

對柴油爆炸過程、爆炸火球參數(shù)和油箱毀傷容積等實驗結(jié)果進行綜合分析，可以判定Ⅲ的抑爆效果較好，而Ⅱ不具有抑爆作用，甚至比Ⅰ具有更強的爆炸性能。

柴油Ⅲ具有良好的抑爆效果是因為柴油Ⅲ中添加了高分子聚合物抑爆劑。在實驗室，運用液體燃料爆炸性能評定裝置(主要由20 L球型爆炸倉、抽真空裝置、壓力采集系統(tǒng)、計算機自動控制系統(tǒng)等組成)進行了抑爆劑含量不同的-10號抑爆軍用柴油的爆炸性能實驗。實驗結(jié)果證明：抑爆柴油中抑爆劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0～1.0%時，隨著抑爆劑含量的增加，抑爆柴油的黏度增大，其抑爆效果總體也越好。實驗結(jié)果列于表4，w為抑爆劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，γ為20 ℃時油料的運動黏度，pm為最大爆炸壓力。

表4 抑爆劑含量對柴油爆炸性能的影響

摻有聚合物抑爆劑的柴油具有較大的黏度，可認(rèn)為是黏彈性流體。黏彈性流體在高速拋撒過程中分子鏈的拉伸產(chǎn)生了抵制外部變形的拉伸應(yīng)力[9-11]，因此它比具有相同黏彈性剪切黏度、密度和表面張力的低黏度牛頓流體在拋撒過程中分解的液滴更大[12]，限制了油滴與空氣的充分混合，阻礙了油滴的劇烈燃燒和爆炸。圖7為Ⅰ、Ⅲ在火球相同發(fā)展階段拋撒出的柴油液滴形態(tài)。從圖中可以清晰看出，Ⅰ柴油火球左側(cè)拋撒出的液滴呈細(xì)小顆粒狀，而Ⅲ拋撒出的液滴為大量不規(guī)則的塊狀液滴群。

圖7 拋撒出的液滴形態(tài)Fig.7 Form of dispersal droplets

液體的黏彈性除了對拋撒出的液滴大小、形態(tài)有影響外，對火球擴展速率變化的穩(wěn)定性也有較大影響，例如由于Ⅲ的較大黏彈性，當(dāng)它在被拋撒過程中氣動阻力起主導(dǎo)作用時，濃度梯度高的內(nèi)部液體向濃度低的外部運動，使擴展速率增大，且這個過程是反復(fù)的[13]，因此該階段Ⅲ既受到氣動阻力作用導(dǎo)致能量耗散，黏彈性的作用又會使擴展速率反復(fù)增大，在圖4中表現(xiàn)為柴油Ⅲ火球在外部氣場阻滯作用下做減速運動時的擴展速率波動較大。

Ⅱ未起到抑爆作用的原因除了液滴在高溫高壓下被拋撒出來會發(fā)生“微爆”效應(yīng)外，還有就是高溫下油滴中蒸發(fā)出來的水蒸氣也參與了燃燒反應(yīng)，分解了更多H·、·O·和·OH等活性游離基(主要表現(xiàn)為對油滴燃燒過程中產(chǎn)生的CO的催化作用)，鏈?zhǔn)椒磻?yīng)式為：

(2)

這些活性游離基又大大活化了燃燒過程，使燃燒變得更充分、更完善[14]，促進了火球的擴展和表面高溫的持續(xù)。

4 結(jié) 論

(1)?30 mm殺爆燃彈引爆柴油將使柴油液滴與空氣形成氣溶膠，并起火爆炸形成火球，可以較好的模擬二次爆炸過程。

(2)炮擊作用下，含水型柴油比普通柴油具有更高的爆炸性能，表明水的添加加劇了爆炸作用。

(3)-10號抑爆軍用柴油(Ⅲ)的抑爆性能明顯高于-10號軍用柴油(Ⅰ)和含水15 %的-10號軍用柴油(Ⅱ)，即抑爆柴油中高分子聚合物抑爆劑能有效地阻止云霧中的細(xì)小液滴的形成，阻礙了油液滴在拋撒過程中的燃燒和爆炸，起到較好的抑爆作用。

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2.SchoolofEnvironmentalandSafetyEngineering,ChangzhouUniversity,Changzhou213164,Jiangsu,China; 3.OilResearchInstitute,GeneralLogisiticsDepartmentofPLA,Beijing102300,China)

(責(zé)任編輯 王小飛)

Experimental research on explosion performance of diesel fuel in the external field

Huang Yong1,2, Lu Chang-bo3, An Gao-jun3, Xiong Chun-hua3, Xie Li-feng1

(1.SchoolofChemicalEngineering,NanjingUniversityofScienceandTechnology,Nanjing210094,Jiangsu,China;

In order to simulate the scene of secondary explosion caused by the fuel tank of vehicle, equipment bombarded, the shelling experiments of ?30 mm fragmentation explosive incendiary shell were conducted in the external field. The process of diesel fuel detonated and temperature parameters of fireball were recorded by a high-speed camera, the infrared thermal imager separately. Explosion performance of ordinary diesel fuel, diesel fuel with water content and explosion suppression diesel fuel were compared and evaluated. The results show that the explosion fireball occurs due to the explosive energy acting on aerosols which result from quick mixing of air and diesel fuel dispersed from the fuel tank at the moment when shells shoot the fuel tank. The development all the explosion fireballs have three phases, but there are still notable differences in the sizes, expanding rates and surface temperatures among explosion fireballs of three types of diesel fuel. These three fireball parameters of ordinary diesel fuel and diesel fuel with water content are similar, which are greater than that of explosion suppression diesel fuel. Fuel tank damage volume of diesel fuel with water content is 108.00 dm3, which is far greater than that of ordinary diesel fuel (57.65 dm3) and explosion suppression diesel fuel (38.15 dm3). The results also confirm the difference between three types of diesel fuel in explosion performance.

mechanics of explosion; explosion performance; second explosion; diesel fuel; fire ball

10.11883/1001-1455(2015)04-0482-07

2013-12-04；

2014-02-27

科技部國際科技合作重大專項(2013DFR60080)；江蘇省科技廳計劃項目(BE2014735)

黃 勇(1978- )，男，博士研究生； 通訊作者： 解立峰，xielifeng319@sina.com。

O384 國標(biāo)學(xué)科代碼： 13035

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