水动力学研究与进展液体爆炸抛撒初期液环运动破碎的数值研究丁珏1.翁培奋刘家骢21.上海市应用数学和力学研究所，上海200072；2.南京理工大学，江苏南京210094立相应的物理数学模型，并将各模型耦合起来，完成了爆炸力驱动下液环径向扩展破碎过程的数值模拟。研宄结果明，建立的物理数学模型是可行的，而且该问的研宄为液体的次破碎及气液混合物形成过程的数值研宄提供了初始条件。关键词爆炸抛撒；液环；破碎；数值模拟中分类号M9文献标识码，1引言随着现代工业生产规模的扩大，特别是石油化1等行业。在作业运输及贮存过枵中容易发4燃料泄漏的意外事故，当燃料扩散于空气中形成可燃云团时，旦点火，就有可能发生气云爆炸，造成财产损失和人员伤5.正是由于该类燃料空气混合物的冲击波毁伤效应。使其在军，上具有广应用前景。通过炸药的爆炸作用对液体燃料进行抛撒，从而形成液非均相可爆炸性云雾，这样的燃，宁气混合物称作燃，空气炸烈已，sive2简称Fl.因此。尤论妃l业爆炸灾害的气云爆炸，还是军事领域中的人云爆武器，所产生的毁伤破坏效应，都与液体燃料的雾化以及同空气混合过程紧密相关本文将围绕4技术中的有关1展开讨论液体燃料爆炸抛撒七要乜拈以下几个相互关联从装置壳体的破碎解体过，液体燃抖作为个连贯质量体的运动过程。，由于气液之间界面的不稳定性，液体破碎成液滴群，即液体首次破碎过程。云雾膨胀中，液滴与气体之间以及液滴之间的相互作用，即液体次破碎过程。综上所述，抛撒过程液体破碎主要被分为两个主要阶段首次破碎过程和次破碎过程。首次破碎是由于受到爆炸力的作用。大块液体妨出被扰动产生变形。然1破裂成较小尺寸的液滴。它是抛撒过程雾化的开始，也是液体抛撒破碎中的重要阶段，为随后发生的次破碎提供初始条件。在次破碎中，从首次破碎中破裂出的液滴在气动阻力的作阳下迸步破碎，并雾化成更小的液体雾滴。从文献查阅来看，液体的次破碎研宄较成熟，而首次破碎由于受到实验条件和测人手段的限制。有关的文献报逍屈指可数。在实验方面，法德联合研究的河。331如等7利用多种测试技术。研允液体燃料爆炸抛撒及，人云雾形成过程。研究中发现，抛撒初期液体燃抖近似环状液体柱简称液环杉式存在。
并以定速度沿径向运动。此外，实验结果还给出了某景级的柱形1装置爆炸抛撒数毫秒后液环的厚度，以及液体首次破碎后液滴的平均尺寸范围。这些数据，多年来直被认为是用于爆炸抛撒初期阶段数值模拟的唯数据，中爆轰产物气体膨胀。液环形成运动及竹次破碎进行分拆建立相应的模型，并探索抛散过程中的物理像及破碎机理。
2物理数学模型为了简化抛撒过程，假设抛撒装药的爆轰为瞬间爆轰。不考虑中心装药管及壳体解体过程，而是失。此外，液体燃料为不可压缩流体且爆轰产物气体勾液体只沿径向用轴对称运动液体爆炸抛撒所用的典型装置为钢质薄壁园柱形结构，1为抛撒装置的结构小总。
2.1液环形成及运动过程中心装药饩内的炸药，轰后，具打高温高压特性的爆轰产物气体推动周围液体沿径向运动此阶段，将液体燃料处理成个中心包围爆轰产物气体言，爆轰产物推力和大气阻力是作用在环上的力。
在两者共同作用下，液环沿径向运动。对液环包围2.1.1气相控制方程柱坐标系下气相连续方程哿上以U气相动量方程气相能量方程状态方程其中分别为爆轰产物气体的压力密度和温度。，分别为产物气体的总内能和径向运动速度，5，分别为考虑液体蒸发过度膨胀等效应产生的质量动量及能量源项。
2.1.2液环运动程液环妨程液环运动方程液环位移方程响12，液环逐渐变得不很连贯，处于准破碎状态。
随着运动的进行，最终液环破碎成离散的液滴群。
基户以物。过程。本文耦合述的气液运动模型，讨论2类解决液体破碎的解析模型。
2.2.1液体瞬间破碎模型该模型认为抛散初期云雾膨胀的尺寸与液环的极限厚度有关。当液环变得越来越薄，其内聚力小于外部扰动所施加的力液环发生破碎根据文献7的光照相实验研究，即1.4升人装置抛撒液体燃料甲醇在1.2，8时刻，液环处于准破碎状态。此，环度达到3腿，于1.6刻，液环完全破，且破碎成平均直径为5的液滴群，因此，基厂实骀中观察到的现象和数掘，本文提出液体瞬间破碎的简化模型，直接给出液体破碎时液环为5，的液滴群。
2.2.2薄膜线性不稳定模型该投型认为9液环始外运动液环内外面2即界面12各有个相对液体厚度和内外径是小量的扰动。随着运动的进行，在环厚度不断减小的同时，扰动得到发展。当最大扰动量大于液环厚度时，液体发生破碎，破碎后形成液滴这样就得到了液体破碎时间和尺寸范围。
通过液环内外的扰动方程违度势方程以及界面的条件。在假设扰动玷是小，的前提下。采摄动方法13，即可求得扰动随流体运云力的阶近似其中，下标代液相；代单位体积内液环的质量变化率；代液环内面的径向运动速度；扃2分别液环内外面的面积；仲为液环内面受到的气相压力；列为外界大气的压力Y液环内面在径向的位置对于气相与液环内面相接触的区域即产物气体的径外边界，木文采用移动边界控制体方法+1笮独处现。这样可以在杼向上跟随液环的运动逐渐扩大汁算域。实现气体膨胀液环运动的数值其中模拟，在气液膨胀运动过程中，环状液体柱的厚度越A=算例及结果讨论装填汽油的51级1装置为兑例。对爆炸抛撒过程中液环形成运动及破碎片进行模拟，并讨论不同液体破碎下重要物理数的分布和变化。
3.1基于液体瞬间破碎模型的气液运动验结果吻合以较好，4为液环运动速度。，间的泠系曲线。从3.4时刻，径向位置0.671处，运动速度达到最大值，随后液环运动从加速逐渐过渡到减速。
贝尔函数分别代灰它们的微分形式1标，分，代液环的内外面札=2，3为尤量纲的介质密度；1为无量纲时间；为液环的无量纲径向坐标分别为液环内外面的无量纲扰动1求解式8和9，即可得到和。当最大扰动量大于液环厚度时设为时刻，液体发生破碎，且形成液滴的平均直径无量纲量处于倍与倍液环厚度冰之间5.
34.4，处，气相压力随时间变化曲线。中明，在液环未到达某处之前，该点的压力处于标准大气压状态。旦液环扫过该点时，压力立刻增至有限值，然后随着时间的发展，此处的压力值逐渐衰减至原来的状态。
曲线和液环运动速度随时间变化曲线。计算结果显与1.级以云雾气液运动相似的规律此外，该模型对两1算例的汁算还。当液环厚度达到极限值5，时。液体发生作次破碎。且破斗，埋3雒到1哙涕1菡孕舾砘鼐浑有姊许薄，撕到咎邝3撕到5到1.滓湔抖3淋铷，遐澍加菡菡锶3芬S7薄益铈涅锚，马3，烯2翁，1砘，陛菡陆咎，陛益滓薄，陛丑，庙3了撕到3，动位置及运动速度随时间的变化情况对比两种破碎模型的计算结果可以看出，云雾的厂，曲线相近，计算所得的液体运动最大速度也相近，但基于薄脱不稳定模甩的液体首次破碎时间1.751；小尸液体瞬间破碎校咽的时叫5.251.此外。
还显，破碎现象发生在液体从加速运动过渡个匀速的阶段中。这主要是因为该阶段液环内外面运动速度较大，且内外面的扰动发展很快，最终导致液体破碎的发卞，对比两种模型可以看出，液体瞬间破碎模型基5实验结果，在数值计算中使月单方便，在本课推广到其它应用领域。而薄膜不稳定模型是以线性稳定理论为基础，虽然预测所得的破碎时间比实际情况小，预测的液滴平均直径比实际情况大，但这些计算所得的上下限数据，能为抛撒过程的后期研宄提供黾要们总。
4结论液体爆炸初，涉及了系列4杂的物理过程。
环形成。运动宣个破碎的过程将液体燃料处理成中心乜围爆轰产物气体时连贯液环，在爆轰产物气体的推力和外界大气阻力的综合作用下，液环从加速运动逐渐过渡至减速运动。而且，计算所得的液环运动位置随时间变化曲线与实验结果吻合较好。
针对液体破碎过程。本文分，采了基于实验研究和线性理论的2类破碎模型，并与气液运动模型相耦合。数值研，给出了液体首次破碎时间及破碎后液滴的尺寸范围，为液体次破碎过程和爆炸抛撒后期云雾运动的数值研究奠定了良好基础I1贝克贾威斯汀，3.斯特劳仅人。爆炸危险性及其评估上册抑。北京群众出版社，1988.
I2孙业斌。惠竹明。忾耽茂。军引浞合炸药1.北兵器工业出版社。1995.
刘家璁，薛社生。液体燃料的爆炸抛撒和，人云雾特性研宄爆炸与冲击，1997，增刊16.
I8丁珏。液体的爆炸抛撒理论模型及全过程数值模拟博士学位论文，南京南京理工大学。2001.
9周彦煌，王升晨。实用两相流内弹道学肘。北京兵器工业出版社。1990.
10丁5玉，刘家骢。液体燃料爆炸抛撒近场阶段的数值研宄杜青，史绍熙，刘宇等，液体燃料射流最不稳定频率的理论分析1液体燃料射流的最不稳定频率及无量纲12王继海。维非定常流与激波阴。北京科学出版社。
13奈弗人札摄动方法阽。上海上海科学技术出版社。