摘要：为进一步了解柴油爆炸抛撒云雾形成过程以及爆炸性能，开展了激波作用-10#柴油液柱实验。采用阴影成像技术记录油柱的变形、破碎行为和雾化过程，建立了油柱变形与破碎模型，并根据无量纲参数公式计算了油柱破碎模式，分析了激波作用后油柱变形和破碎雾化的特征。结果表明：激波遇到油柱会发生绕射现象，激波诱导的高速气流将继续作用油柱，油柱继而发生弓箭形变形并最终导致其破碎、雾化。柴油柱在153μs时完成变形发生爆炸破碎，形成大量雾滴颗粒。雾滴在气动力、空气阻力等作用下继续运动形成云雾团，激波波速越大，油柱破碎越剧烈，雾化粒径也越小。
关键词：柴油柱;激波;破碎;雾化
液体燃料的抛撒、破碎和雾化效果是决定其爆炸后果的重要因素，通过研究其破碎和雾化情况可以掌握液体燃料爆炸性能和机理，因此国内外很多专家学者对液体燃料的抛撒、破碎和雾化过程进行了深入研究。液体抛撒爆炸破碎可以分为首次破碎和二次破碎两个阶段[1]。
首次破碎是在被抛撒液体刚开始破碎的阶段发生，指由于气体动力作用而在连续相液体表面产生扰动、变形，导致大块的液体最后破裂成较小的带形、丝状等不规则液体单元，液体单元的尺寸通常在毫米或厘米量级。液体的二次破碎是指从首次破碎中产生的液滴颗粒在气动力作用下减速、变形和破碎的过程，通常表现为首次破碎后产生的不规则形状的液体颗粒在气动力作用下破碎为更小尺寸的细小雾滴[2]。
不像首次破碎受到湍流扰动、不稳定性的发展或气动阻力的作用，影响二次破碎的因素并不多。HINZE[3]指出二次破碎的破碎形式与Weber数(We)、Ohnesorge数(Oh)两个无量纲量有关。We指液滴所受气动阻力和表面张力之比，Oh表示液滴的黏性力和表面张力之比。HSIANG等[4-7]通过大量实验研究了液滴的变形和二次破碎过程，提出液体在Oh<0.01时破碎模式随We的增加而变化，主要有振荡变形、袋形破碎、多模式破碎和剥落破碎等，这与HINZE等[3]提出的破碎模式相似。
耿继辉等[8]开展了激波诱导液滴变形和破碎的实验，详细分析了激波与液滴相互作用以及液滴加速、变形和破碎过程，研究发现初始液滴形状对变形和破碎过程有很大的影响，并且在低We数条件下，液滴变形到最大的时间将增大。吴德义[9]研究了在爆炸冲击波作用下液体的密度、表面张力等对液体二次破碎的影响，研究表明液体密度较小，其抛撒初速度增大;液体表面张力较低，液体二次破碎加剧，雾化程度加强。在液滴研究的基础上，一些学者对激波及高速气流作用较大体积、不同自由形状的液柱、液膜、液体环等进行了研究。
例如，DOMBROWSKI等[10]在1963年提出了液膜解体的物理机理，他们认为液膜的破碎解体主要是由液膜表面增长的长波引起的;HESPEL等[11]通过简化气流速度等实验条件的方法研究了液膜、液片的雾化情况，并分别运用高速摄像技术和图像分析技术得到了液膜等破碎解体以及颗粒度情况，他们认为液层的厚度对雾化质量有重要影响。蔡庆军等[12]对轴对称液体环抛撒过程进行了细致研究，不仅自主设计了轴对称液体抛撒实验装置，还对轴对称液体环的形成、变形和破碎等过程和物理机制进行了分析和研究。
本文开展激波作用-10#柴油液柱实验，采用阴影成像技术记录油柱的变形、破碎行为和雾化过程，建立了油柱变形与破碎模型，分析了激波作用后油柱变形和破碎雾化的特征，为进一步开展其爆炸抛撒云雾形成过程及其爆炸性能和机理研究提供了科学依据。
1实验介绍
实验装置主要有水平激波管、油杯、出油管、高压空气瓶、膜片等。由于柴油燃料表面张力较小，在自由下落情况容易发生变形，很难实现规则的球状或柱状，因此实验中上、下两根不锈钢出油管之间留有3mm高的空隙形成形状规则的油柱，出油管上管的内径为3mm，下管的内径为5mm，油柱底面直径与高相等。水平激波管为长1000mm的圆管，内径为32mm，中后部有一个法兰和气体接口。油杯及其连接的出油管竖直固定在激波管口部前方15mm处。
高压空气瓶的作用是向激波管提供高压驱动空气。当高压气体入口处的电磁阀打开后，高压空气急速进入激波管中使法兰夹固的膜片瞬间破裂产生空气激波。空气激波以超声速率先运动至水平激波管管口，而激波之后的气流以亚声速向出口方向运动。 压力测试系统压力测试系统包括PCB公司的113B21系列的压电式压力传感器、482A20型多通道信号调理器、四通道数据采集卡及配套的连接线。压力传感器P1，P2安装在离激波管出口6，3cm处的管壁上，且传感器受压面与激波管壁相齐平。压力传感器不仅可以测定激波及其高速气流的压力，而且可以根据激波通过两个传感器的时间差计算其速度。
首先设置好高压空气瓶的输出压力和激波成像系统，再将实验样品倒入油杯中使其竖直从出油管中连续流动，最后开启高压气体入口处的电磁阀，高压气体瞬间破膜产生激波作用油柱，同时成像系统记录下该时刻的激波作用油柱情况。
2实验结果与分析
激波在前进中，遇到一些柱、球等几何体时会发生绕射现象，而对于薄物体，则可以认为这时产生的激波作用油柱情况，扰动是对原平面激波的微扰[13]。该时刻激波已绕射至油柱左侧，而高速空气流则刚运动到管口，此时油柱未发生明显变形，因此可以确定激波发生了绕射现象。但是在超声速条件下，激波作用到油柱时会在油柱表面形成不均匀的压力分布，后面的高速气流继续作用油柱，压力分布发生变化，油柱继而发生变形并最终导致其破碎、雾化。
激波及诱导的高速气流与油柱的相互作用其实是两种不相混流体之间的交界面上形成的扰动是否发展的问题。高速气流运动伴随着较高的加速度，因而出现与加速度反向的惯性力，只要有物质界面存在，就会有Rayleigh-Taylor(R-T)不稳定性。对于柱状液体，高速气流作用时还会存在切向速度的差异，也会形成Kelvin-Helmholtz(K-H)不稳定性。因此，作用在油柱表面的不稳定扰动波发展到一定程度将导致油柱变形和破碎。
2.1变形行为
柴油密度远大于空气，是重流体，而激波诱导的高速气流为轻流体，加速度方向指向轴心，因此必然出现R-T不稳定性现象。当气动力作用油柱的时候，气流在油柱表面形成不均匀的压力分布，油柱沿气流方向被压缩，沿垂直气流的方向被拉伸。水平方向上，上下管口的油液因为黏性力的作用阻碍与它贴近的油柱液层沿气流方向运动，这样的黏性力作用随着时间从上、下液层向油柱中心层传递，由于油柱中心部分总是先于油柱上下两端液层发生速度和位移，而越往中心处其液层与贴近的上下两层液层在垂直方向的相对速度越小，根据剪切力公式可知黏性阻力越小，沿气流运动方向加速度越大，油柱呈弓箭形变形，并伴有液体发生剥离。
2.2破碎模式
由于油柱的直径与高相等，因此这里可以将油柱近似为球状油滴，其变形和破碎的程度取决于作用在液滴上的气动阻力和形成液滴的液体的表面张力之间的比值。
2.3雾化过程
油柱破碎后的雾滴在气动力、空气阻力等作用下继续运动，并形成较大面积的云雾团。
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3结论
1)激波前进中遇到油液柱会发生绕射现象，但是在油柱表面会形成不均匀的压力分布，激波诱导的高速气流继续作用油柱，压力分布发生变化，油柱继而发生变形并最终破碎、雾化。
2)当气动力作用油柱的时候，油柱迎风面受到滞止压强作用，油柱沿气流方向被压缩，沿垂直气流的方向被拉伸，呈弓箭形变形，并伴有液体发生剥离。同时，表面张力以及出油管内油液对油柱的水平剪切力阻碍油柱沿气流方向运动。由此，可以得到油柱的运动方程。
3)直径与高相等的油柱可近似为球状油滴，根据无量纲参数公式计算以及实验均得到在153μs左右时油滴完成变形发生爆炸破碎，形成大量雾滴颗粒。
4)油柱破碎后的雾滴在气动力、空气阻力作用下继续运动形成云雾团。应用激光粒度分析仪测定了不同波速的激波作用油柱形成的云雾团的雾滴平均粒径，表明激波波速越大，油柱破碎越剧烈，雾化粒径也越小。
5)液体燃料由于其自身的挥发性和易燃性，在激波强冲击作用下，极易发生快速雾化进而引起燃烧和爆轰。目前的研究主要关注于激波冲击下非反应性液滴的破碎和雾化，对于燃料液滴的雾化特性研究较少，因此研究柴油液滴的变形、破碎和雾化过程，对掌握它的爆炸特性和开发在强冲击载荷作用下抛撒而不发生云雾爆炸的安全燃料具有重要理论和技术指导作用。原总后勤部油料研究所在激波与燃料液滴相互作用过程中的流场混合机制认识基础上，成功开发出冲击作用下不易发生爆轰的阻爆柴油。
参考文献：
[1]FAETHGM，HSIANGLP，WUPK.Structureandbreakuppropertiesofsprays[J].InternationalJournalofMulti-phaseFlow，1995，21：99-127.
[2]杨磊.轴向气流作用下液体轴对称抛撒的实验研究[D].合肥：中国科学技术大学，2005.
[3]HINZEJO.Fundamentalsofthehydrodynamicmechanismofsplittingindispersionprocesses[J].AIChEJournal，1955，1(3)：289-295.
[4]HSIANGLP，FAETHGM.Dropdeformationandbreakupduetoshockwaveandsteadydisturbances[J].JournalofMultiphaseFlow，1995，21(4)：545-560.
[5]HSIANGLP，FAETHGM.Near-limitdropdeformationandsecondarybreakup[J].InternationalJournalofMulti-phaseFlow，1992，18(5)：635-652.
[6]CHOUWH，HSIANGLP，FAETHGM.Temporalpropertiesofdropbreakupintheshearbreakupregime[J].In-ternationalJournalofMultiphaseFlow，1997，23(4)：651-669.
作者：黄勇1，2，赵庆贤2，刘龙飞3，解立峰1，陈群
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