运动状态下液体轴对称抛撒首次破碎的实验研究

　　0　引　　言

　　二次起爆型FAE(Fuel-AirExplosive)的工作过程主要包括三个步骤:首次点火,燃料抛撒,二次点火[1]。其中的燃料抛撒过程是指具有高挥发性的液体燃料经过首次破碎和二次破碎后形成的液态雾滴和燃料挥发所产生的可燃气体与空气共同混合,形成燃料-空气云团的工作过程。而燃料抛撒过程又可以细分为首次破碎和二次破碎两个阶段[2, 3]。大量研究结果表明,液体燃料的抛撒过程,特别是液体燃料抛撒后所形成的燃料空气云团的外形和尺寸,对于FAE最终所产生的爆轰波以及其后的冲击波有着相当关键的作用[4, 5],而液体燃料发生首次破碎的位置又是影响燃料空气云团形状和尺寸的一个重要参数。

　　对于现代战争来说,突然性和隐蔽性是提高战术效果的主要因素。为了提高FAE的打击效果,FAE通常会由特定的运载工具携带,以较高的速度到达目标上空,然后实施液体燃料的爆炸抛撒。在这种情形下,FAE中液体燃料的抛撒过程必定是在运动状态下完成的。而这种运动状态下的液体燃料抛撒,必然会与静止状态下的液体燃料抛撒存在一定的差别。因而认识运动状态下高挥发性液体燃料抛撒特征对FAE的研制与改进有着重要的意义。

　　本文正是基于这种想法,利用组合式激波管设备[6-8],在实验室内针对运动状态下液体燃料的抛撒过程进行了实验研究。通过纹影装置获得了运动状态下液体轴对称抛撒所形成雾化场的外形轮廓,测量了液体燃料发生首次破碎的位置与对称轴之间的距离,并对影响该距离的一些相关参数进行了初步的理论分析。

　　1　实验设备和原理

　　由坐标变换理论,我们将运动的液体抛撒装置在静止空气中的抛撒过程等效转变为静止的液体抛撒装置在运动气流中的抛撒过程。本文采用一台较大尺寸激波管提供实验所需要的不同速度的气流,而用一个低压段为U形的激波管作为液体燃料抛撒装置,如图1所示。气流发生装置与抛撒装置的组合如图2所示。利用同步控制系统,保证液体抛撒与轴向气流保持准确的同步状态。

　　液体抛撒装置由直径为32mm的圆截面小激波管改造而成。小激波管左端为高压段,长2000mm。右端为低压段,压段左侧为一个U形弯管,实验时在U形弯管中注入实验液体(本实验中使用的是20ml的无水乙醇)。低压段右侧是长为278mm、内径为19mm的喷管,喷管的最右端封闭。在距离喷管右端20mm处开有一个5mm宽的环型喷口,实验时无水乙醇以轴对称方式从该喷口中沿径向喷出。通过改变高压段的驱动压力,可以获得抛撒液体出口速度Ul分别为30m/s和42m/s的液体轴对称抛撒。

　　大激波管为直径106mm的圆截面激波管,高压段长3. 80m,低压段长10. 80m,低压段尾部与一个扩张段相连。扩张段的入口端直径为106mm,与大激波管相同,开口端直径为300mm,扩张角为12°。在实验中,大激波管产生的激波向左运动,经过扩张段后激波强度减弱,其后诱导的气流就是本实验所需的轴向气流。通过改变激波强度,就可以获得具有不同速度的轴向气流。本实验所使用的轴向气流速度Ug分别为0m/s、29m/s、50m/s、160m/s和230m/s。