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采用试验研究TNT在坑道内爆炸的热作用规律
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摘要：采用质量为1kg和质量为3k的两种TNT药柱在长直坑道进行爆炸试验，对其在坑道内爆炸的热效应进行分析，运用WRe5/26热电偶获取了不同爆心距处的响应温度—时间曲线，对温度峰值和传播速度随距离变化的规进行分析的同时，探究装药质量对热作用持续时间及温度峰值所产生的影响。结果表明：响应温度在爆炸产物的二次反应的作用下在上升过程中存在一个延迟台阶；火球传播速度和温度峰值随着爆心距的增加均呈“上升-下降‐下降”趋势，上升段位于8～11倍坑道等效直径段，1kgTNT装药坑道内爆炸火球传播速度在最末段速度降至最低，为4.88m/s，而上升段达到最大值，为24.69m/s；3kgTNT和1kgTNT药柱对应的响应温度峰值分别为575℃和406℃，响应温度平均持续时间分别为3.30s和2.20s。试验条件下，持续时间持续时间之比近似等于两种装药质量的立方根之比，相同爆心距处的温度峰值也等于两种装药质量的立方根之比。
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坑道是重要的国防及人防工程，坑道内爆炸效应是毁伤及防护领域研究的热点。炸药在坑道内爆炸后，除了产生强冲击波，还释放大量的热形成高温火球向四周膨胀，对藏匿在坑道内的人员、设备等软目标造成毁伤，因此研究坑道内爆炸的热作用具有重要意义。
目前关于坑道内爆炸冲击波效应研究较多，冲击波传播规律已较为明晰［1‐3］，而关于坑道内热作用方面的研究尚无定论。坑道内爆炸热作用研究主要包括热测试及其在坑道内传播规律两方面内容李秀丽、郭学永等［4‐5］采用红外热成像仪测量了温压炸药在开放空间的爆炸温度，并开展了热辐射效应研究，但这种测温方式难以获取火球内部的温度数据，且不适用于约束条件下的爆炸作用；姬建荣、王代华等［6‐7］开展了基于钨铼热电偶的接触式爆炸温度测试方法研究；李芝绒等［8］建立了密闭空间内非理想炸药爆炸热作用的实验测试方法，为坑道内爆炸热效应数据的获取提供了方法；闫潇敏等［9］开展了坑道内温压炸药热效应研究，但测点和实验样本量较少，难以分析温度场时空分布规律；Johansen等［10］研究了阻塞率对可燃气体爆炸早期的火焰加速机理；温小萍等［11］利用方形爆燃管对瓦斯爆炸火焰结构、压力波及其耦合关系进行了实验测试和分析，结果表明火球的结构演变过程与压力波的变化极为密切；汪泉等［12］开展了非金属粉末对方管内瓦斯预混火焰传播的影响研究，为坑道内的爆炸火球发展过程研究提供了参考。综上所述，目前开展了部分热测试研究和管道内的火焰结构演化及传播规律研究，但开展坑道内化爆热作用规律的研究还很有限。
本研究开展了不同装药质量的TNT坑道内的爆炸试验，采用裸露型WRe5/26热电偶获得了不同爆心距的热作用响应温度—时间曲线，分析了坑道内爆炸温度场时空分布规律，以期为炸药坑道内爆炸热效应测试及毁伤评估提供参考。
1、实验
1.1 实验样品
炸药样品为质量1kg和3kg的TNT炸药，样品均为长径比约1∶1的压制柱形裸药，药柱密度约1.56g/cm3。药柱均以压装JH‐14炸药为传爆药，传爆药柱质量为被试样品的1％，用8号电雷管在药柱上端面中心起爆。
1.2 测试设备及试验布局
试验坑道为截面尺寸1.2m×1.8m的钢筋混凝土坑道，坑道壁厚20cm，其中爆心附近5m内壁贴焊10mm厚钢板。爆炸热响应温度测量传感器为自制的WRe5/26裸露型热电偶［6］，偶丝直径0.2mm，测温范围0～2500℃，如图1中放大部分所示。试验时，TNT药柱悬挂于距出口7m处的坑道内截面中心位置，热电偶温度测点共7个，爆心距（D）分别为8、12、14、18、24、30和34m，热电偶偶结指向爆心，偶结距坑道底部和侧壁的垂直距离分别为0.9和0.3m。热电偶安装如图1所示，坑道内爆炸试验现场布局如图2所示。
图1热电偶安装图Fig;图2坑道内爆炸试验现场布局
2、结果与讨论
2.1 响应温度—时间曲线分析
在爆炸场中偶丝结构承受热冲击初期，由于热流介质的冲击加热过程往往比热电偶结的响应速度快，所以其测得的热电偶响应温度不直接反映热介质的温度，而是其作用于偶丝结构后的温升值，它反映了该区域热流冲击对偶丝结构的热作用强度，由热流介质温度及其与被加热热电偶间的表面传热系数两方面因素决定。
热电偶传感器测得的1kgTNT和3kgTNT坑道内爆炸热响应温度—时间（T—t）变化曲线如图3所示。由图3可以看出，温度—时间曲线近似呈对称状单峰，上升及下降速率随着爆心距的增加而减小，时程曲线变得相对平缓。1kg和3kg的TNT爆炸热响应温度在上升过程中存在一个短暂延迟，这一现象在近场尤为明显，这与TNT在受限空间内爆炸产物的二次反应有关。
TNT在约束空间内的爆炸经历无氧爆燃反应和有氧后燃烧反应两个阶段，其中台阶前部分的温度主要来源于无氧反应的热释放。有氧后燃是产物与空气混合反应的过程，速率较慢，形成了T—t曲线上升过程的延迟平台，随着后燃反应的进行，温度—时间曲线继续上升。当参与反应的空气中氧充足时，装药质量越大，有氧后燃反应持续时间越长、释放的热越多。从图3（b）可以看出，3kgTNT装药的爆炸热响应温度到达峰值后出现了短暂平台，而1kgTNT装药的爆炸热响应温度则无此现象。
由图3可见，1kgTNT装药爆炸后8m处响应温度持续时间2.24s，18m处约为2.40s，34m处约为1.96s，各测点的平均温度持续时间约为2.20s；3kgTNT装药爆炸后8m处响应温度持续时间3.51s，18m处约为3.60s，远场34m处约为3.03s，各测点的平均温度持续时间约为3.30s。爆炸热响应温度持续时间随装药质量的增加而增加，随爆心距的增加变化相对较小，表明高温火球在不同测点处的作用时间基本相当。
2.2 响应温度峰值随爆心距的变化
坑道内不同爆心距测点处的响应温度峰值Tp随爆心距（D）的变化如图4所示。由图4可以看出，随着D的增加，坑道内爆炸热响应温度峰值呈“下降‐上升‐下降”的变化过程，在爆心距14～18m出现了响应温度峰值突跃上升。其中，1kg和3kg的TNT装药爆炸在14m处的响应温度峰值分别下降到12m处的41.5％和42.3％，18m处的响应温度峰值较12m处均略有提高，18m处的响应温度峰值较14m处跃升幅度分别达到了269.6％和246.7％。炸药爆炸后，火球阵面近似球面，随着时间的发展，火球半径逐渐增大。由于受管道壁面限制，火焰横向发展趋势明显减弱，主要往纵向延伸，使火焰结构由半球状逐渐演变为手指状［11］，此时火焰燃烧稳定速度加快，温度急剧上升。此后，火球阵面近似于平面，流场相对稳定，温度峰值逐渐下降，这一现象与冲击波在坑道内的传播极为相似［1‐3］。按等截面积计算，得到坑道的等效直径为1.66m，温度峰值上升出现在8～11倍等效直径段。
2.3 火球传播速度
忽略热电偶的响应时间，可近似认为时程曲线的起点为火球到达时间。基于相邻测点的间距和火球到达时间差得到该距离段内的火球传播平均速度（v），每个相邻测点之间的火球传播平均速度见表1，图3中爆心距18m处的曲线上升起点先于14m，不作计算。
从表1可以看出，随爆心距的增加，火球传爆速度变化规律与温度峰值类似，即先下降后升高再下降。在爆心距为8～11倍坑道等效直径段（14～18m），1kgTNT装药爆炸火球传播速度达到了24.69m/s，为整个测试距离内的最大值，是前后相邻距离段内速度的4倍以上，而在此区间段，响应温度峰值也显著增加。在最末段火球速度降至最低为4.88m/s。由于坑道壁面的约束，爆炸火球由最初的球形发展到沿坑道向两端稳定传播的手指型，在此过程完成时，火球传播速度达到最大。根据传热原理，气体介质流速增加导致表面传热系数增加，即使介质本身温度变化不是很显著，热电偶响应温度也会显著上升。
2.4 装药质量对温度峰值和持续时间的影响
从图4温度峰值随爆心距的变化曲线可以看出，在相同条件下，爆炸释放的总热量越大，坑道内各测点的温度峰值越高。3kgTNT装药坑道内爆炸后各测点的温度峰值Tp，3与1kgTNT装药的温度峰值Tp，1比值随爆心距的变化趋势如图5中曲线Tp，3/Tp，1所示。公式中：k为3kgTNT与1kgTNT坑道内爆炸后各测点的温度峰值比值；D为爆心距，m。公式（1）中一次项系数极小，说明两种装药质量的TNT爆炸热响应温度峰值的比值随爆心距离的变化基本不变，约为1.509，该值与两种装药质量的立方根比值1.44极为接近。与温度峰值类似，3kg与1kg两种TNT装药质量的爆炸热响应温度持续时间比值约为1.5，与两种装药质量的立方根比值1.44也极为接近。
据此推断，在本试验条件下，两种装药质量的TNT坑道内爆炸后，相同位置处的响应温度峰值之比和温度持续时间均近似等于装药质量的立方根之比，其他条件下该结论是否成立还需进一步研究。
3、结论
(1) TNT坑道内爆炸后，热电偶响应温度—时间曲线大致呈对称状单峰，由于产物的二次反应，温度上升过程中存在一个短暂的延迟台阶。随着爆心距的增加，响应温度持续时间基本保持稳定，而温升速率和温降速率不断减小。
(2) 响应温度峰值和火球传播速度随着爆心距的增加均呈“下降－上升－下降”的趋势，1kgTNT和3kgTNT对应的最高峰值分别为406℃和575℃，上升段位于8～11倍坑道等效直径段。对于1kgTNT装药，火球平均传播速度在爆心距14～18m内达到最大值，为24.69m/s，在最末段火球速度降至最低，为4.88m/s。
(3) 装药质量越大，响应温度的峰值越大，持续时间越长。本试验条件下，1kgTNT和3kgTNT对应的响应温度峰值分别为406℃和575℃，各测点响应温度持续时间平均分别为2.20s和3.30s，相同爆心距处的响应温度峰值之比、温度持续时间之比均近似等于两种装药质量的立方根之比，该结论的适用范围还需进一步研究。
参考文献：
[1]杨科之,杨秀敏.坑道内化爆冲击波的传播规律[J].爆炸与冲击,2003,23(1):37‐40.
[2]刘晶波,闫秋实,伍俊.坑道内爆炸冲击波传播规律研究[J].振动与冲击,2009,28(6):8‐11.
[3]庞伟宾,李永池,何翔.化爆冲击波在T型通道内到时规律的试验研究[J].爆炸与冲击,2007,27(1):63‐67.
[4]李秀丽,惠君明.温压炸药的爆炸温度[J].爆炸与冲击,2008,28(5):119‐124.
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张玉磊,李芝绒,张俊锋,等.TNT坑道内爆炸热作用规律的试验研究[J].火炸药学报,2019,42(5):526-530.
基金项目:国家安全重大基础研究项目
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