張啟威，程揚(yáng)帆,，夏 煜，王中華，汪 泉，沈兆武

（1. 安徽理工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，安徽 淮南 232001；2. 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院，安徽 合肥 230027）

溫度是評(píng)估爆炸輸出特性的重要指標(biāo)，能夠反映其熱毀傷性能和能量釋放規(guī)律，對(duì)炸藥、粉塵和氣體的爆炸溫度展開研究具有重要意義[1-2]。然而，由于爆炸過程具有快速性、復(fù)雜性和危險(xiǎn)性，目前對(duì)爆炸溫度場(chǎng)的準(zhǔn)確測(cè)量仍然非常困難。為了獲得較準(zhǔn)確的爆炸溫度，研究人員在爆炸溫度測(cè)量領(lǐng)域展開了積極的探索。目前測(cè)量瞬態(tài)爆轟溫度的方法主要有接觸式和非接觸式兩種測(cè)溫方法。在接觸法測(cè)溫研究方面， Frost 等[3]利用熱電偶對(duì)金屬化炸藥爆炸火球的溫度進(jìn)行測(cè)量，研究發(fā)現(xiàn)鋁顆粒存在時(shí)，爆炸火球中的氣體和燃燒粒子的溫度分別高達(dá)1800 和2700 K。Lebel 等[4]研制了一種接觸式光纖探頭，測(cè)量了Detasheet-C 炸藥爆炸火球內(nèi)部溫度。然而，通過熱電偶和光纖探頭等接觸式測(cè)溫方法測(cè)量爆炸溫度時(shí)需要與被測(cè)物體接觸，測(cè)量準(zhǔn)確度較差，且溫度響應(yīng)速度不能滿足瞬態(tài)高溫的測(cè)量要求。與接觸式測(cè)溫方法相比，非接觸式測(cè)溫方法能夠檢測(cè)物體的表面溫度，且測(cè)溫范圍寬、響應(yīng)速度快，更適合爆炸瞬態(tài)高溫的測(cè)量。Lewis 等[5]利用原子光譜法測(cè)量了含有硝酸鋇的RDX 爆炸火球溫度，時(shí)間平均發(fā)射光譜表明爆炸火球表面溫度為3000 K，與理論預(yù)測(cè)一致。Aduev 等[6]采用光譜測(cè)溫法描述了含有鐵納米顆粒的PETN 炸藥爆炸的熱性質(zhì)，并測(cè)得其爆炸溫度在3300～3500 K。Olokun 等[7]利用熱成像相機(jī)測(cè)量了聚合物包覆的HMX 顆粒在沖擊載荷下的溫度分布情況，測(cè)量結(jié)果表明聚合物包覆的HMX 顆粒的溫度分布與其粒度密切相關(guān)。Wang 等[8]提出了一種紅外熱成像測(cè)溫的補(bǔ)償方法，并對(duì)紅外熱成像儀測(cè)量HMX 混合物的爆炸火球溫度進(jìn)行了補(bǔ)償和校正，結(jié)果發(fā)現(xiàn)利用補(bǔ)償方法修正后的溫度更接近其爆轟溫度。然而，利用光譜法和紅外熱成像類的非接觸式測(cè)溫方法時(shí)，通常會(huì)因?yàn)楣庾V輻射強(qiáng)度收集不全，物體的發(fā)射率和環(huán)境輻射的影響，嚴(yán)重影響測(cè)溫精度。

近年來，隨著高速攝影技術(shù)的不斷進(jìn)步，基于普朗克黑體輻射理論的比色測(cè)溫方法逐漸被應(yīng)用到爆轟測(cè)溫領(lǐng)域。與光譜測(cè)溫法和紅外熱成像測(cè)溫法相比，比色測(cè)溫法具有響應(yīng)速度快、測(cè)量精度高、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，且不需要確定火焰的光學(xué)特性，如透過率和發(fā)射率。在爆炸瞬態(tài)溫度測(cè)量方面有著廣闊的應(yīng)用前景。Goroshin 等[9]利用定性光譜輔助的三色光學(xué)高溫測(cè)量法實(shí)驗(yàn)測(cè)定了炸藥爆轟的火球溫度在2000 K 左右，與平衡熱力學(xué)代碼的預(yù)測(cè)一致。Densmore 等[10]利用高速相機(jī)采集TNT 爆炸過程中的火焰圖像，并采用二色比溫方法獲得了炸藥爆炸過程中的溫度分布。Chang 等[11]通過一系列粉塵爆炸實(shí)驗(yàn)，比較了微納米尺度鋁粉粉塵爆炸的火焰結(jié)構(gòu)，并利用二色比溫方法測(cè)量了其火焰溫度。采用比色測(cè)溫方法測(cè)量爆轟溫度時(shí)，被測(cè)對(duì)象內(nèi)部需含有充當(dāng)“黑體”的介質(zhì)來反映溫度的大小。然而，與固體和液體不同，氣體爆炸過程中能夠被視為“黑體”的物質(zhì)幾乎沒有，因而簡單的用比色測(cè)溫方法難以測(cè)量。本文集成采用高速成像、時(shí)空?qǐng)D像數(shù)據(jù)重構(gòu)、高精度溫度轉(zhuǎn)換萃取及添加輔助“黑體”介質(zhì)等方法，開發(fā)出基于二色比溫原理的瞬態(tài)超高溫度場(chǎng)動(dòng)態(tài)測(cè)試與二維重構(gòu)系統(tǒng)，并對(duì)添加不同含量TiH2的乳化炸藥、TiH2粉塵和C2H2氣體的爆炸溫度場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量，以期為爆炸瞬態(tài)溫度分布規(guī)律和影響因素的精細(xì)研究提供了一種有效手段。

1 溫度場(chǎng)動(dòng)態(tài)測(cè)試與二維重構(gòu)系統(tǒng)

拜耳陣列是實(shí)現(xiàn)CCD 或CMOS 傳感器拍攝彩色圖像的主要技術(shù)之一。它是一個(gè)4×4 陣列，由8 個(gè)綠色、4 個(gè)藍(lán)色和4 個(gè)紅色像素組成，在將灰度圖形轉(zhuǎn)換為彩色圖片時(shí)會(huì)以2×2 矩陣進(jìn)行9 次運(yùn)算，最后生成一幅彩色圖形[11]。因?yàn)槊總€(gè)像素都可以被看作是一個(gè)獨(dú)立的光電倍增管，圖像傳感器通過拜爾濾波獲得像素點(diǎn)上紅色(R)、綠色(G)和藍(lán)色(B)光的強(qiáng)度信息，再據(jù)此通過拜爾插值運(yùn)算推算出像素點(diǎn)的色值，從而得到高速相機(jī)灰度圖像素點(diǎn)輸出的灰度比值和被測(cè)溫物體溫度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，即可以通過灰度值描述被測(cè)溫度（比色測(cè)溫）。

1.1 比色測(cè)溫原理

由普朗克輻射定律，物體表面光譜輻射亮度[12]為：

式中：ε(λ,T)為光譜發(fā)射率；C1為普朗克第一常數(shù)，C1≈3.742×10-16m·K；C2為普朗克第二常數(shù)，C2≈1.4388×10-2m·K；T為溫度，K；λ 為波長，m；L(λ,T)為光譜輻射亮度，W/(m2·sr)。

在波長λ＜780 nm 的可見光范圍內(nèi)，溫度T＜3400 K 時(shí)，普朗克輻射定律可以由維恩輻射定律代替：

式中：M(λ,T)為單色光譜出射度。

高速相機(jī)的CMOS 傳感器R、G、B 三通道響應(yīng)波長在380～780 nm，可采用維恩公式計(jì)算亮度。假設(shè)相機(jī)在λ=[λ1, λ2]的可見光譜范圍內(nèi)響應(yīng)函數(shù)是h(λ)，則相機(jī)輸出該點(diǎn)的灰度值為：

式中：A為光敏單元輸出電流和圖像灰度值之間轉(zhuǎn)換系數(shù)；U為光電轉(zhuǎn)換系數(shù)；t為曝光時(shí)間，s；f'為鏡頭焦距；a為鏡頭的出射光瞳半徑；KT(λ)為鏡頭的光學(xué)透過率；h(λ)為光譜響應(yīng)函數(shù)；λ1、λ2為互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體傳感器感光的波長上下限；Et(λ)為光譜的輻射能。

將紅綠藍(lán)(R、G、B)三種基色的波長λr、λg和λb帶入式(3)，然后用三基色中的任意兩色相比，如R、G 灰度相比可得出：

K為一修正值，它與相機(jī)參數(shù)、曝光時(shí)間、被測(cè)物體的光譜發(fā)射率有關(guān)，當(dāng)相機(jī)傳感器確定之后，其光譜響應(yīng)特性也隨之確定，僅與傳感器的感光特性有關(guān)，可以用鎢絲燈試驗(yàn)標(biāo)定。從理論上說，只要知道三通道灰度值H，就可以計(jì)算出該點(diǎn)的溫度值。

1.2 測(cè)溫平臺(tái)與流程

測(cè)溫平臺(tái)由高速相機(jī)、鏡頭、計(jì)算機(jī)及自編測(cè)溫程序構(gòu)成。高速相機(jī)采集數(shù)字圖像信號(hào)，計(jì)算機(jī)及自編Python 測(cè)溫程序?qū)?shù)字圖像信號(hào)進(jìn)行圖像處理、溫度場(chǎng)計(jì)算以及可視化顯示。比色測(cè)溫的流程如圖1 所示。在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)前，保持整個(gè)實(shí)驗(yàn)室處于無光黑暗的環(huán)境下，這樣可以避免其他可見光對(duì)實(shí)驗(yàn)造成的干擾。組裝好高速相機(jī)后，調(diào)整好相機(jī)的角度和鏡頭的焦距，使得被測(cè)物體清楚地出現(xiàn)在屏幕中。關(guān)閉相機(jī)白平衡和伽馬校正，將pixel bit depth 設(shè)置為12 bit，為方便python 代碼處理數(shù)據(jù)，選擇長寬相等的照片像素大小，關(guān)閉low light 模式，因?yàn)槠湓陂_啟狀態(tài)下攝像機(jī)會(huì)自動(dòng)補(bǔ)光，會(huì)影響實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性。

圖1 比色測(cè)溫流程Fig. 1 Colorimetric temperature measurement process

拍攝得到灰度圖通過使用基于邊緣自適應(yīng)插值算法[13]的python 代碼進(jìn)行彩色圖片重建。Bayer 域R/G/B 分布模型如圖2 所示，由于綠色像素點(diǎn)的數(shù)量是紅色和藍(lán)色像素?cái)?shù)量的兩倍，其包含更多原始圖像的邊緣信息，故先對(duì)綠色分量進(jìn)行插值重建。首先計(jì)算水平和垂直兩個(gè)方向由亮度信號(hào)的梯度和色度信號(hào)的二階微分構(gòu)成的邊緣檢測(cè)算子，沿合適的方向進(jìn)行綠色分量的重建。利用已經(jīng)重建好的綠色分量，采用紅綠色差空間或藍(lán)綠色差空間的線性插值來完成紅色和藍(lán)色分量的重建，具體插值算法如下。

首先對(duì)紅色和藍(lán)色采樣點(diǎn)處的綠色分量進(jìn)行重建，以圖2(a)為例，中心紅色采樣點(diǎn)Ri,j處水平方向和垂直方向檢測(cè)算子計(jì)算如下：

圖2 拜爾插值運(yùn)算Fig. 2 Bayer interpolation

式中：ΔH為水平算子，ΔV為垂直算子，G為綠色分量，R為紅色分量。

當(dāng)水平算子小于垂直算子時(shí)，綠色分量的計(jì)算沿水平方向進(jìn)行，計(jì)算如下：

當(dāng)水平算子大于垂直算子時(shí)，綠色分量的計(jì)算沿垂直方向進(jìn)行，計(jì)算如下：

當(dāng)水平和垂直的算子相等時(shí)，則綠色分量的為水平和垂直方向的平均值，計(jì)算如下：

紅色和藍(lán)色分量的重建過程以圖2(b)為例，中心點(diǎn)處的紅色分量的重建使用上下兩點(diǎn)R-G空間的線性插值，藍(lán)色分量的重建使用左右兩點(diǎn)B-G空間的線性插值，具體如下：

式中：B為藍(lán)色分量。

最后進(jìn)行紅色(藍(lán)色)采樣點(diǎn)處的藍(lán)色(紅色)分量的重建，以圖2(a)為例。紅色周圍最近的藍(lán)色像素點(diǎn)處于左上，左下、右上、右下四個(gè)位置。為了更好地保存邊緣信息，與綠色分量的重建類似，需要先計(jì)算沿45°方向和135°方向梯度算子，再沿算子較小的方向插值。梯度算子計(jì)算如下：

式中：α 為45°方向梯度算子，β 為135°方向梯度算子。

當(dāng)45°方向的梯度算子小于135°方向時(shí)，紅色分量的計(jì)算沿45°方向水平方向進(jìn)行:

當(dāng)45°方向的梯度算子大于135°方向時(shí)，紅色分量的計(jì)算沿135°方向梯度方向進(jìn)行:

當(dāng)45°方向的梯度算子和135°方向相等時(shí)，則紅色分量的為兩者的平均值，計(jì)算如下：

這種插值方法能夠有效地防止圖像的顏色失真，更好地保留原始邊緣信息，增強(qiáng)色彩平滑度，提高圖像紋理和R、G、B分量的準(zhǔn)確度。

插值運(yùn)算得到彩色圖像后，使用python 程序進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)相關(guān)R和G像素值計(jì)算每個(gè)像素點(diǎn)的R/G的值，代入式(5)，得到對(duì)應(yīng)像素點(diǎn)的溫度，隨后選擇合適的溫度范圍和刻度，繪制出溫度分布圖[14]。

1.3 溫度標(biāo)定

在進(jìn)行正式爆炸瞬態(tài)溫度測(cè)量實(shí)驗(yàn)前，應(yīng)對(duì)系統(tǒng)的溫度測(cè)量精度進(jìn)行標(biāo)定。由于鎢是熔點(diǎn)最高的金屬，其熔點(diǎn)高達(dá)3695 K，鎢絲在一定電壓和電流條件下，溫度變化情況可循，因此選用鎢絲燈作為溫度源進(jìn)行標(biāo)定。溫度標(biāo)定的步驟如下：通過高速相機(jī)對(duì)發(fā)光鎢絲燈進(jìn)行拍攝，標(biāo)定出高速相機(jī)圖像傳感器R/G 比值隨溫度的變化關(guān)系，再采用曲線擬合方法對(duì)溫度數(shù)值的變化規(guī)律進(jìn)行擬合計(jì)算(如圖3所示)，得到測(cè)溫系統(tǒng)的溫度修正系數(shù)[15]。

圖3 高溫鎢絲燈的標(biāo)定實(shí)驗(yàn)Fig. 3 Calibration using a high-temperature tungsten filament lamp

2 試驗(yàn)材料與裝置

2.1 試驗(yàn)材料

玻璃微球(GMs，商業(yè)級(jí)，美國3M 公司)，商業(yè)級(jí)TiH2(儲(chǔ)氫質(zhì)量占3.85%，美國Thermo Fisher Scientific 公司)，乳化基質(zhì)(密度1.31 g/cm3，淮南舜泰化工有限公司)，其成分如表1 所示，C2H2(體積純度不低于99.98%，合肥恒隆電氣有限公司)，空氣(20.98% (體積分?jǐn)?shù)) O2+79.02% (體積分?jǐn)?shù)) N2，合肥恒隆電氣有限公司)。

表1 乳化基質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)Table 1 Mass fraction of emulsion matrix

如圖4 所示，利用激光粒度分析儀 (Mastersizer 2000, Malvern, UK) 觀測(cè)了GMs、TiH2、鎢粉的粒度分布情況。玻璃微球的粒徑分布寬，粒徑范圍在11.5～158.5 μm，平均粒徑D50為55.6 μm (如圖4(a)所示)。TiH2粒徑分布較集中，粒徑范圍在0.2～34.7 μm，平均粒徑D50為7.6 μm(如圖4(b)所示)。鎢粉的粒徑范圍在0.8～100 μm，平均粒徑D50為3.9 μm(如圖4(c)所示)。

圖4 粉末的粒度分布Fig. 4 The particle size distribution of powders

2.2 炸藥爆炸實(shí)驗(yàn)

如圖5 所示，采用二色比溫方法對(duì)添加不同含量TiH2的乳化炸藥的爆炸溫度場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量。實(shí)驗(yàn)所用乳化炸藥采用玻璃微球敏化，玻璃微球添加量為4%[16-17]，具體配方如表2 所示。每組乳化炸藥樣品的質(zhì)量為20 g，并采用聚乙烯塑料膜包裹成球形藥包。球形藥包被固定在鋼架上，藥包中心距地面為0.5 m，同時(shí)高速相機(jī)和防護(hù)裝置被布置距離藥包20 m 處。炸藥爆炸過程由高速相機(jī)(Memrecam HX-3，日本NAC 公司)記錄，拍攝時(shí)的幀率設(shè)置為173000 s-1，曝光時(shí)間為5.8 μs。為避免實(shí)驗(yàn)誤差，每組測(cè)試進(jìn)行3 次以上，并取有效數(shù)據(jù)的平均值。

表2 乳化炸藥樣品的組成Table 2 Composition of emulsion explosive samples

圖5 炸藥爆炸及比色測(cè)溫實(shí)驗(yàn)Fig. 5 The explosive explosion and colorimetric temperature measurement experiment

2.3 粉塵爆炸實(shí)驗(yàn)

利用如圖6 所示的粉塵爆炸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，研究不同濃度TiH2粉塵的燃燒行為。主要由燃燒管(移動(dòng)管+固定管)、供氣系統(tǒng)、分散系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)、高速攝影系統(tǒng)組成。各部件的動(dòng)作順序由時(shí)序控制器同步控制。實(shí)驗(yàn)首先利用0.5 MPa 壓縮空氣分散TiH2顆粒0.12 s，形成粉塵云，然后通過高壓點(diǎn)火器進(jìn)行點(diǎn)火，點(diǎn)火電極的材質(zhì)為鎢，放電間隙4 mm，持續(xù)放電0.02 s。配有尼康A(chǔ)F Micro-Nikkor 200mm f/4D IFED 微距鏡頭的高速相機(jī)(Memrecam HX-3，日本NAC 公司)，通過時(shí)序控制器同步觸發(fā)，記錄粉塵云火焰的傳播。另外，在點(diǎn)火前，電磁鐵控制將移動(dòng)管向下移動(dòng)，形成開放空間，使粉塵云火焰?zhèn)鞑ゲ皇芄鼙诘募s束，有利于觀察火焰結(jié)構(gòu)和傳播行為。

圖6 粉塵爆炸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig. 6 Dust explosion experimental system

2.4 氣體爆炸實(shí)驗(yàn)

與固相燃燒不同的是，氣相燃燒中可視為灰體的物質(zhì)很少。高速攝像機(jī)的成像傳感器幾乎不可能探測(cè)到用于溫度計(jì)算的灰體輻射。因此，并不能直接用比色測(cè)熱法直接測(cè)定C2H2/空氣混合氣體的火焰溫度。本研究利用輔助鎢粉改進(jìn)的比色測(cè)溫技術(shù)測(cè)試了不同濃度的C2H2/空氣混合氣體的動(dòng)態(tài)溫度結(jié)構(gòu)。選用鎢粉作為輔助物質(zhì)的原因如下：(1) 鎢的著火點(diǎn)通常高于C2H2火焰的溫度，這保證了鎢粉不參與燃燒；(2) 鎢粉具有優(yōu)越的導(dǎo)熱性；(3) 鎢粉在氣體燃燒過程中扮演灰體的角色，為雙色測(cè)熱技術(shù)的應(yīng)用提供了條件。

氣體爆炸測(cè)試裝置如圖7 所示，主要由乳膠氣球、儲(chǔ)粉罐、儲(chǔ)氣罐、電磁閥、點(diǎn)火電極、時(shí)序控制器、高速攝像機(jī)等組成。實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，將預(yù)混好的C2H2/空氣混合氣體(C2H2體積分?jǐn)?shù)為10%)充入乳膠氣球，初始?xì)怏w體積約20 L。靜置5 min 后，電磁閥打開，高壓氣體將鎢粉注射到乳膠氣球(注射時(shí)間為1.0 s)，點(diǎn)火延遲時(shí)間是確定為80 ms，高速攝像機(jī)同步進(jìn)行拍攝。容器內(nèi)鎢粉質(zhì)量為0.2 g (粉塵質(zhì)量濃度為8.9 g/m3)。電磁閥、火焰點(diǎn)火器和高速攝像機(jī)均由時(shí)序控制器控制，高速攝像機(jī)記錄火焰結(jié)構(gòu)。

圖7 氣體爆炸測(cè)試裝置Fig. 7 Gas explosion test system

3 結(jié)果與討論

3.1 炸藥爆炸溫度場(chǎng)的測(cè)試

利用比色測(cè)溫方法對(duì)高速相機(jī)記錄的炸藥爆炸過程圖像進(jìn)行處理計(jì)算，得到了對(duì)應(yīng)的爆炸溫度云圖和溫度數(shù)據(jù)。為了研究添加TiH2的乳化炸藥的爆炸溫度場(chǎng)的特點(diǎn)，對(duì)比分析了空白乳化炸藥和加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%的TiH2的乳化炸藥爆炸過程的溫度分布云圖，如圖8 和圖9 所示。此外，為了方便研究炸藥的爆炸溫度場(chǎng)變化情況，實(shí)驗(yàn)中將最初記錄的爆炸圖片所對(duì)應(yīng)的時(shí)刻記為0 μs。由于高速相機(jī)拍攝時(shí)設(shè)置的拍攝幀率為173000 s-1，可以確定相鄰兩張爆炸圖片之間的時(shí)間間隔約為5.8 μs。如圖8 所示，空白乳化炸藥爆炸時(shí)，在0～17.4 μs 的時(shí)間內(nèi)，盡管爆炸火球不斷膨脹，但火球溫度卻逐漸降低。17.4～40.6 μs 時(shí)，爆炸火球開始破裂并逐漸熄滅，火球溫度不斷降低。爆炸火球平均溫度在0 μs 處得到最大值，其值為2154 K。造成該現(xiàn)象的原因可以歸結(jié)為以下三點(diǎn)：(1) 炸藥在爆炸過程中壓縮周圍空氣對(duì)外做功釋放能量；(2) 炸藥被引爆后以聲、光、熱和振動(dòng)等形式釋放能量；(3) 炸藥爆炸產(chǎn)物在爆炸沖擊波的驅(qū)動(dòng)下向四周擴(kuò)散，與周圍的空氣發(fā)生快速的熱交換釋放熱量。由于以上三個(gè)原因，炸藥在爆炸過程中的內(nèi)能不斷降低，表現(xiàn)為整個(gè)爆炸過程中爆炸火球的溫度一直下降。此外，已有研究表明空白樣乳化炸藥的爆轟溫度值在2070 K 左右[18]，與比色測(cè)溫實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。

圖8 無TiH2 粉末乳化炸藥不同時(shí)刻的爆炸溫度Fig. 8 The explosion temperature maps of emulsion explosive without TiH2 powders at different times

如圖9 所示，加入TiH2的乳化炸藥在爆炸時(shí)，在5.8～23.2 μs 的時(shí)間內(nèi)，爆炸火球體積不斷增大，火球溫度卻逐漸上升。在23.2～46.4 μs 的時(shí)間內(nèi)，爆炸火球逐漸破裂，但火球溫度繼續(xù)上升，爆炸火球平均溫度在46.4 μs 時(shí)刻達(dá)到最大值3048 K。之后，爆炸火球開始熄滅且溫度逐漸下降。與空白乳化炸藥相比，加入TiH2的乳化炸藥的爆炸火球溫度呈先上升后下降趨勢(shì)，且火球的最高平均溫度和持續(xù)作用時(shí)間分別提高了41.5%和57.1%左右。這主要是加入TiH2的乳化炸藥被引爆后，部分TiH2粉體作為高能燃料參與炸藥的爆轟反應(yīng)，提高了炸藥爆炸的輸出能量；部分TiH2顆粒和爆轟產(chǎn)物在隨沖擊波向周圍空間擴(kuò)散時(shí)，與空氣中的氧氣混合，發(fā)生快速的燃燒反應(yīng)，釋放大量的燃燒熱能，進(jìn)而導(dǎo)致乳化炸藥的爆炸溫度在反應(yīng)前期不僅沒下降反而一直保持上升[19]。當(dāng)炸藥中高能組分燃燒反應(yīng)結(jié)束以及爆炸產(chǎn)物的進(jìn)一步擴(kuò)散，燃燒粒子和爆炸產(chǎn)物逐漸冷卻，表現(xiàn)為爆炸火球的溫度開始下降。因此，當(dāng)TiH2顆粒作為高能添加劑引入到乳化炸藥中時(shí)，可以顯著提高炸藥的爆炸火球溫度和持續(xù)時(shí)間，增強(qiáng)炸藥的熱毀傷效果。

圖9 含6% TiH2 粉末的乳化炸藥在不同時(shí)間的爆炸溫度Fig. 9 Explosion temperature maps of the emulsion explosive with 6% TiH2 powder at different times

3.2 TiH2 粉塵云的火焰溫度測(cè)試

圖10 和圖11 分別為濃度為500 和833 g/m3的TiH2粉塵云火焰?zhèn)鞑ミ^程的溫度云圖。為了便于說明，將點(diǎn)火時(shí)刻記為0 ms?？梢钥闯觯鹧姘l(fā)展初期呈現(xiàn)球形傳播[20]，隨著火焰的發(fā)展，火焰鋒面逐漸扭曲，這是由于管內(nèi)的湍流環(huán)境和粉塵云的分布不均勻，并且TiH2粉塵在高溫作用下釋放的H2對(duì)火焰形狀起到擾動(dòng)作用?；鹧媲颁h溫度最高，而越往火焰中心，溫度逐漸降低。造成這種現(xiàn)象的原因是，火焰前鋒為燃燒反應(yīng)區(qū)，O2濃度更高，粉塵和氫氣燃燒的更加充分，釋放的熱量更多。此外，根據(jù)兩種濃度下TiH2粉塵云火焰?zhèn)鞑囟葓D可以看到，火焰下方溫度最高?；鹧娼Y(jié)構(gòu)自上而下的不均勻性被認(rèn)為是粒子密度不同的結(jié)果[11]?；鹧婕t色邊緣厚度大約為3～5 mm，由于粉塵分散的不均勻性，導(dǎo)致邊緣區(qū)域并不總是很清晰的，有些部位較厚。

圖10 質(zhì)量濃度為500 g/m3 的TiH2 塵云中的火焰溫度發(fā)展Fig. 10 Flame temperature development in the 500 g/m3 TiH2 dust clouds

圖11 質(zhì)量濃度為833 g/m3 的TiH2 塵云中的火焰溫度發(fā)展Fig. 11 Flame temperature development in the 833 g/m3 TiH2 dust clouds

TiH2粉塵云火焰溫度隨時(shí)間的變化如圖12 所示，忽略點(diǎn)火電極對(duì)初期火焰溫度的影響，粉塵云總體火焰平均溫度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，這是因?yàn)槌跏碱w粒和H2燃燒釋放的熱量，使樣品溫度持續(xù)上升，直至達(dá)到峰值。隨著樣品的消耗，燃燒劇烈程度變小，散熱損失大于燃燒釋放的熱量，溫度開始下降。質(zhì)量濃度為500 g/m3的粉塵火焰最高平均溫度為2231 K，而833 g/m3最高平均溫度為2192 K。這與Young 等[21]采用寬帶光輻射測(cè)溫技術(shù)對(duì)TiH2燃燒溫度測(cè)試結(jié)果很好的吻合。質(zhì)量濃度為500 g/m3的粉塵火焰平均溫度高于833 g/m3的溫度。產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因可以歸結(jié)為：粉塵云濃度較高時(shí)，單位體積內(nèi)粉塵顆粒數(shù)量增多，除燃燒顆粒外，過剩的粉塵顆粒吸收了較多的熱量，火焰的溫度反而會(huì)下降。

圖12 不同質(zhì)量濃度的TiH2 粉塵云溫度曲線Fig. 12 Temperature curves of TiH2 dust clouds with different concentrations

3.3 C2H2 氣體爆炸溫度場(chǎng)的測(cè)試

采用二色比溫方法研究了10%C2H2/90%空氣預(yù)混氣體（C2H2和空氣的體積分?jǐn)?shù)分別為10% 和90%）火焰發(fā)展的溫度分布。如圖13 所示?；鹧?zhèn)鞑コ跗跍囟确植季鶆颍瑑?nèi)部溫度略低于邊緣溫度。隨著火焰向外傳播(從點(diǎn)燃1 ms 到點(diǎn)燃3 ms)，邊緣溫度逐漸升高，但平均溫度開始降低，內(nèi)部溫度降低幅度更大。造成這個(gè)結(jié)果的原因是火焰邊緣相對(duì)內(nèi)部有充足的O2，燃燒反應(yīng)區(qū)可以對(duì)火焰封面進(jìn)行不斷的熱量補(bǔ)充，而內(nèi)部大部分為燃燒產(chǎn)物，且反應(yīng)區(qū)熱量對(duì)內(nèi)部傳遞較困難。通過二色比溫方法測(cè)得預(yù)混氣體的最大平均溫度值為2523 K，與文獻(xiàn)[22-24]中提到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)非常接近。

圖13 10%C2H2/70%空氣火焰發(fā)展的溫度分布圖Fig. 13 Evolution of the flame temperature distribution of the 10%-C2H2/70%-air mixture

4 結(jié) 論

(1) 由比色測(cè)溫結(jié)果可知，TiH2的引入會(huì)提高乳化炸藥的爆炸溫度并延緩爆炸火球溫度的衰減。當(dāng)TiH2含量在6%時(shí)，爆炸平均溫度最大值為3048 K，相比空白乳化炸藥提高了41.5%。

(2) TiH2粉塵云火焰在初期鋒面較為光滑，隨著火焰的發(fā)展，火焰鋒面逐漸變的扭曲，火焰溫度由粉塵云中心向外逐漸升高，并在火焰鋒面處達(dá)到最大值。此外，TiH2粉塵云的火焰平均溫度整體呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，500 g/m3的粉塵火焰平均溫度高于833 g/m3的溫度，其最高平均溫度分別為2231 和2192 K。

(3) 10% C2H2/90%預(yù)混合空氣爆炸早期火焰溫度分布均勻，內(nèi)部略低于火焰邊緣溫度。隨著火焰向外傳播，火焰邊緣溫度逐漸升高，但平均溫度開始降低，內(nèi)部溫度降低幅度更大，比色測(cè)溫獲得的最大平均溫度值為2523 K。

(4) 利用比色測(cè)溫技術(shù)，可以有效獲取氣、固相爆炸的溫度分布信息，為爆炸瞬態(tài)溫度場(chǎng)分布規(guī)律和影響因素的精細(xì)化研究提供了技術(shù)支持。