孫楚彥，孫 航，張 奇

（北京理工大學(xué) 爆炸科學(xué)與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081）

1 引言

燃料空氣炸藥（FAE）燃料在拋撒過程中分散為云霧，其介質(zhì)為氣液兩相混合狀態(tài)。除了燃料的分散壓力，中心裝藥的溫度是判定竄火現(xiàn)象是否發(fā)生的重要指標(biāo)。當(dāng)該溫度高于最低著火溫度，則發(fā)生竄火；該溫度低于最低著火溫度，則不發(fā)生竄火。

目前，關(guān)于氣液兩相云霧的最低著火溫度，以及云霧的濃度、粒徑和流速對于最低著火溫度的具體影響，國內(nèi)外研究仍然處于空白階段。 目前僅以Godbert?Greenwald 加熱爐為主要儀器的粉塵云最低著火溫度實(shí)驗(yàn)研究較為充分［1-6］。Godbert?Greenwald爐是較為成熟的粉塵云最低著火溫度的實(shí)驗(yàn)儀器，能夠精確有效地測試出多種粉塵的最低著火溫度規(guī)律，滿足一定劑量的可燃液體最低著火溫度的實(shí)驗(yàn)測試。

粉塵云的粉塵粒徑為確定值，在實(shí)驗(yàn)過程中不發(fā)生變化。然而，燃料分散形成氣液兩相云霧的粒徑不固定，云霧的濃度、分散壓力均對液滴粒徑產(chǎn)生影響，有較大研究難度。因此，對于氣液兩相云霧，不僅要研究其最低著火溫度，還要確定云霧的濃度和分散壓力，以確定粒徑分布情況，進(jìn)而研究粒徑對最低著火溫度的影響規(guī)律［7-15］。

為此，本研究建立了以Godbert?Greenwald 加熱爐為基本實(shí)驗(yàn)儀器的云霧瞬態(tài)濃度粒度測試系統(tǒng)，采用光全散射法（消光法）作為云霧瞬態(tài)濃度與粒度分布的測量方法，選用乙醇為實(shí)驗(yàn)試劑，通過實(shí)驗(yàn)測量得出乙醇?xì)庖簝上嘣旗F在加熱爐中心位置濃度為7000 g·m-3、燃料分散壓力0.06～0.10 MPa 條件下的粒度分布情況，并分析討論了粒度分布、云霧流速對最低著火溫度的影響。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 試劑

主要試劑：乙醇（家用乙醇95% 酒精消毒液，500 mL，瑞康醫(yī)用科技）

初始環(huán)境溫度為20 ℃，環(huán)境壓力為0.1 MPa。

2.2 實(shí)驗(yàn)儀器

實(shí)驗(yàn)儀器由Godbert?Greenwald 恒溫爐測試裝置、云霧瞬態(tài)濃度粒度測試系統(tǒng)、五孔噴嘴三部分組成。

Godbert?Greenwald 恒溫爐測試裝置由加熱爐、溫度控制與檢測系統(tǒng)、噴射控制系統(tǒng)組成。Godbert?Greenwald恒溫爐測試裝置示意圖如圖1所示。

圖1 Godbert?Greenwald（G?G）恒溫爐測試裝置［1］1—空氣壓縮機(jī)，2—壓力調(diào)節(jié)閥門，3—擴(kuò)散開關(guān)，4—電磁閥，5—裝樣室，6—空氣儲(chǔ)存器，7—觀察玻璃管，8—加熱爐，9—熱電偶，10—加熱控制器Fig.1 Godbert?Greenwald（G?G）furnace［1］1—air compressor，2—pressure gauge，3—diffusion switches，4—solenoid valve，5—dust chambers，6—gas tank，7—glass adapter，8—heating furnaces，9—thermocouples，10—temperature controller

云霧瞬態(tài)濃度粒度測試系統(tǒng)由Godbert?Greenwald恒溫爐測試裝置改造而來。本實(shí)驗(yàn)除了測試最低著火溫度外，還需考察氣液兩相云霧的參數(shù)（如濃度、粒度等）對于最低著火溫度的影響。對于云霧的濃度和粒度，須采用消光法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測量。而本實(shí)驗(yàn)中的加熱爐爐體部分不透明，無法使激光穿透，難以直接使用消光法獲得云霧的濃度和粒度參數(shù)。為了構(gòu)造消光法的使用條件，使用聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）透明管設(shè)置視窗，代替加熱爐。參照加熱爐內(nèi)空腔，PMMA 管設(shè)計(jì)為中空，具體參數(shù)如下：管長22 cm，內(nèi)管直徑3.6 cm，外管直徑5 cm。在此基礎(chǔ)上布置消光法所需的激光單元、光學(xué)傳感器、信號(hào)轉(zhuǎn)換裝置，并連接計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與處理，構(gòu)建了云霧瞬態(tài)濃度粒度測試系統(tǒng)，如圖2 所示。

設(shè)計(jì)了一種五孔噴嘴，布置于鐘罩形狀的觀察玻璃管下方。該噴嘴以厚度為0.2 mm 的鋁片為材料，噴嘴直徑為4 cm，開孔直徑為2 mm。其位置與結(jié)構(gòu)示意圖如圖3 所示。

圖2 云霧瞬態(tài)濃度、粒度測試系統(tǒng)硬件構(gòu)成示意圖1—空氣壓縮機(jī)，2—壓力調(diào)節(jié)閥門，3—擴(kuò)散開關(guān)，4—電磁閥，5—裝樣室，6—空氣儲(chǔ)存器，7—激光單元，8—觀察玻璃管，9—PMMA 管，10—光照度傳感器，11—信號(hào)轉(zhuǎn)換，12—計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集Fig.2 Measurement system of instantaneous concentration and particle size1—air compressor，2—pressure gauge，3—diffusion switches，4—solenoid valve，5—dust chambers，6—gas tank，7—laser units，8—glass adapter，9—pmma tube，10—light sensors，11—signal conversion，12—data acquisition

圖3 噴嘴位置與結(jié)構(gòu)示意圖1—噴嘴，2—觀察玻璃管，3—橡膠頭，4—調(diào)節(jié)旋鈕，5—裝樣室Fig.3 Nozzle position and structure 1—nozzle，2—glass adapter，3—rubber，4—knob，5—dust chamber

2.3 實(shí)驗(yàn)過程

2.3.1 實(shí)驗(yàn)條件的確定2.3.1.1 乙醇云霧的液相濃度的確定

首先布置好云霧瞬態(tài)濃度粒度測試系統(tǒng)，啟動(dòng)空氣壓縮機(jī)，向空氣儲(chǔ)存器里壓入一定壓力的氣體。然后向裝樣室中加入一定量的乙醇，按動(dòng)擴(kuò)散開關(guān)，使乙醇云霧噴入亞克力管中。當(dāng)云霧穿過光路后，基于云霧對光的吸收和散射，引起光強(qiáng)度值衰減，傳感器得到光強(qiáng)衰減前后的強(qiáng)度值，通過信號(hào)轉(zhuǎn)換，將光強(qiáng)度數(shù)據(jù)發(fā)送到檢測系統(tǒng)，檢測系統(tǒng)經(jīng)過計(jì)算得出云霧的液相濃度。因此，固定液相濃度不變，調(diào)整燃料分散壓力與乙醇的加入量，實(shí)驗(yàn)測得保持乙醇云霧液相濃度基本不變的實(shí)驗(yàn)參數(shù)，共計(jì)五組。

2.3.1.2 乙醇云霧的液滴直徑的確定

確定了乙醇云霧的液相濃度之后，以實(shí)現(xiàn)該濃度的燃料分散壓力、乙醇加入量等參數(shù)為實(shí)驗(yàn)條件，重復(fù)實(shí)驗(yàn)過程，使用云霧瞬態(tài)濃度粒度測試系統(tǒng)計(jì)算得出云霧的液滴粒徑分布情況。云霧在10 cm 處發(fā)生燃燒，同時(shí)考慮云霧場均勻性的原因，實(shí)驗(yàn)分別選取距離亞克力管上側(cè)管口2 cm、10 cm、19 cm 的三個(gè)位置，測量得到PMMA 管的不同位置的索特平均直徑（Sauter mean diameter，SMD，與該顆粒群的顆粒形狀、總體積、總表面積相同，且粒度均勻的一個(gè)假想顆粒群的粒徑）、D10（顆粒累積分布為10%的粒徑）分布、液滴直徑頻度（落在某個(gè)尺寸范圍內(nèi)的顆粒體積或顆粒重量占總量的百分率）分布。

2.3.2 乙醇云霧最低著火溫度的確定

使用Godbert?Greenwald 恒溫爐測試裝置，在保持乙醇云霧的液相濃度基本不變的情況下，實(shí)驗(yàn)測試最低著火溫度。進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，通過加熱控制器將加熱爐升高到一定溫度，然后由空氣壓縮機(jī)向空氣儲(chǔ)存器輸入實(shí)驗(yàn)所需的燃料分散壓力的空氣，通過電磁閥控制壓力排放，將裝樣室內(nèi)的樣品噴至加熱爐內(nèi)部的空腔中。通過觀察加熱爐底部的高度拋光版或頂部的觀察玻璃板，來判斷是否著火。對于某一恒定溫度，重復(fù)實(shí)驗(yàn)20 次。如果能夠觀察到明顯的火焰，則可以判定為著火；如果沒有明顯的火焰出現(xiàn)，則判定為不著火。

2.3.3 乙醇云霧流速的確定

使用高速攝像裝置，以云霧瞬態(tài)濃度粒度測試系統(tǒng)為實(shí)驗(yàn)裝置，在保持乙醇云霧的液相濃度基本不變的情況下，對乙醇云霧的流動(dòng)狀況進(jìn)行拍攝。將拍攝的照片進(jìn)行分析處理，計(jì)算出云霧流速。

3 結(jié)果與討論

3.1 實(shí)驗(yàn)條件的確定

3.1.1 乙醇云霧的液相濃度的確定

實(shí)驗(yàn)測得保持乙醇液相濃度為7000 g·m-3的5 組燃料分散壓力、乙醇加入量、實(shí)際噴入量參數(shù)，結(jié)果如表1 所示。在燃料分散壓力為0.06～0.10 MPa、實(shí)際噴入量為1.56～1.60 mL 時(shí)，乙醇在加熱爐中心位置處的液相濃度穩(wěn)定在7000 g·m-3左右，其變化可忽略不計(jì)，可認(rèn)為在該條件下乙醇的濃度不變。據(jù)此，以表1中各參數(shù)作為實(shí)驗(yàn)條件，對乙醇云霧的液滴粒徑分布情況、乙醇的最低著火溫度和乙醇云霧的流速進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測量。

表1 乙醇云霧濃度保持不變的燃料分散壓力、乙醇加入量、實(shí)際噴入量參數(shù)Table 1 Parameters of conditions for keeping the concentra?tion of ethanol cloud constant

3.1.2 乙醇云霧液滴粒徑分布情況

以表1 的五組參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)測得亞克力管的不同位置的索特平均直徑，結(jié)果如表2 所示。由表2可知，保持乙醇的液相濃度不變，隨著燃料分散壓力增大，云霧的索特平均直徑減小。據(jù)此，以表2 中10 cm位置處的SMD 作為粒徑參數(shù)，對乙醇的最低著火溫度變化規(guī)律進(jìn)行討論。

表2 表1 參數(shù)條件下乙醇云霧的索特平均直徑Table 2 SMD of ethanol cloud obtained with parameters in Table 1

以表1 的五組參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)測得亞克力管的不同位置的D10與液滴直徑頻度分布，結(jié)果如圖4 所示。由圖4 可知，乙醇云霧的D10隨燃料分散壓力的增大而減小。乙醇云霧的D10與液滴直徑頻度分布補(bǔ)充說明了乙醇云霧的粒徑分布情況，證明乙醇云霧的索特平均直徑有研究與參考價(jià)值，可以作為最低著火溫度變化規(guī)律的討論依據(jù)。

3.2 乙醇云霧的最低著火溫度

以表1 的五組參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)測得不同液滴直徑下乙醇云霧的最低著火溫度，結(jié)果如表3 所示。由于乙醇云霧在加熱爐內(nèi)的實(shí)際著火位置靠近加熱爐中心，所以取距離上側(cè)管口10 cm 的索特平均直徑為最低著火溫度的自變量。將著火溫度的最低點(diǎn)（即最低著火溫度，MIT）連接并繪制曲線，結(jié)果如圖5 所示；將MIT 曲線以下標(biāo)示為安全區(qū)，對于中心位置處濃度在7000 g·m-3左右、燃料分散壓力在0.06～0.10 MPa范圍內(nèi)的乙醇云霧，可以通過索特平均直徑和溫度值兩個(gè)坐標(biāo)來繪制坐標(biāo)點(diǎn)，進(jìn)而判斷在該條件下是否發(fā)生燃燒。若坐標(biāo)點(diǎn)在安全區(qū)以外，則發(fā)生燃燒；若坐標(biāo)點(diǎn)在安全區(qū)以內(nèi)，則不會(huì)發(fā)生燃燒。

圖4 表1 參數(shù)條件下乙醇云霧的D10 與液滴直徑頻度分布曲線Fig.4 D10 and particle size distributions of ethanol obtained with parameters in Table 1

表3 不同索特平均直徑下乙醇云霧的最低著火溫度Table 3 Tmin of ethanol c loud with different SMD

圖5 不同索特平均直徑下乙醇最低著火溫度Fig.5 MIT of ethanol with different SMD

由表3、圖5 可以看出，在濃度保持7000 g·m-3的條件下，隨著壓力從0.06 MPa 增大到0.10 MPa 時(shí)，液滴直徑由146.58 μm 減小到70.97 μm，乙醇的最低著火溫度先從468 ℃降低到464 ℃，再升高到476 ℃，最終保持在475 ℃。液滴粒徑對最低著火溫度有重要影響，不同粒徑對應(yīng)不同的最低著火溫度。

在濃度保持7000 g·m-3的條件下，乙醇云霧液滴的索特平均直徑處于70.97～82.31 μm 時(shí)，最低著火溫度保持在475 ℃左右。

進(jìn)一步分析可知，影響液滴云霧點(diǎn)火溫度因素有云霧液滴直徑、裝置內(nèi)空氣的流速和云霧中氣化燃料的量。在本實(shí)驗(yàn)中采用亞克力管在20 ℃環(huán)境溫度下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，無法模擬加熱爐中的高溫環(huán)境，而20 ℃下亞克力管中云霧氣化燃料的量同加熱爐中有顯著區(qū)別，因此本文暫不涉及。

改變?nèi)剂戏稚毫r(shí)，除了乙醇液滴直徑的大小會(huì)發(fā)生改變，裝置內(nèi)空氣的流速也將發(fā)生明顯變化。云霧流速會(huì)改變云霧在加熱爐和亞克力管中的停留時(shí)間，從而影響最低著火溫度變化規(guī)律。因此有必要實(shí)驗(yàn)測量1 條件下的云霧流速。

3.3 乙醇云霧流速的確定

對乙醇云霧的云霧流速進(jìn)行研究，使用高速攝像裝置，拍攝了表1 各條件下的云霧流動(dòng)過程，計(jì)算出云霧流速，結(jié)果如表4 所示。

表4 表1 參數(shù)條件下乙醇云霧的流動(dòng)速度Table 4 Flowing velocity of ethanol cloud with parameters in Table 1

由表4 可以看出，在燃料分散壓力較低（0.06，0.07 MPa）時(shí)，云霧的流速在8 m·s-1左右；在壓力較高（0.08～0.1 MPa）時(shí)，云霧的流速為15.2～15.7 m·s-1，增加了近一倍。

這一結(jié)果也說明，云霧流速對于最低著火溫度有重要影響。具體來說，在不考慮濃度的條件下，當(dāng)壓力小于0.07 MPa 時(shí)，云霧流速較低，在加熱爐停留時(shí)間較長，此時(shí)影響最低著火溫度的主要因素是液滴直徑，其規(guī)律為：直徑越小，最低著火溫度越低。當(dāng)壓力大于0.07 MPa 時(shí)，云霧流速較高，在加熱爐停留時(shí)間較短，此時(shí)影響最低著火溫度的主要因素是云霧流速而不是液滴直徑。當(dāng)壓力由0.07 MPa 增加至0.08 MPa 時(shí)，云霧流速由8 m·s-1升高至15.2 m·s-1，云霧在加熱爐內(nèi)停留的時(shí)間降低，因此需要更多熱量才能發(fā)生燃燒，最低著火溫度從464 ℃升高到476 ℃；而當(dāng)壓力高于0.08 MPa 時(shí)，由于云霧流速穩(wěn)定在15.4 m·s-1左右，所以最低著火溫度也穩(wěn)定在475 ℃。這進(jìn)一步地解釋了圖5 中乙醇最低著火溫度先降低再升高，最終保持不變的變化規(guī)律。

4 結(jié)論

（1）保持乙醇的液相濃度不變，隨著燃料分散壓力增大，云霧的平均液滴直徑減小。

（2）在濃度保持7000 g·m-3的條件下，隨著燃料分散壓力從0.06 MPa 增大到0.10 MPa，索特平均直徑由146.58 μm 減小到70.97 μm，乙醇的最低著火溫度先從468 ℃降低到464 ℃，再升高到476 ℃，最終保持在475 ℃。

（3）在濃度保持7000 g·m-3的條件下，乙醇云霧液滴的索特平均直徑處于70.97～82.31 μm 時(shí)，最低著火溫度保持在475 ℃左右。

（4）在濃度保持7000 g·m-3的條件下，當(dāng)燃料分散壓力小于0.07 MPa 時(shí)，影響最低著火溫度的主要因素是液滴直徑；當(dāng)燃料分散壓力大于0.07 MPa 時(shí)，影響最低著火溫度的主要因素是云霧流速。