CN110568017B - 一种燃烧转爆轰过程参数的测试装置及方法 - Google Patents

一种燃烧转爆轰过程参数的测试装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种燃烧转爆轰过程参数的测试装置及方法，测试装置中DDT管身的管壁均匀分布一列相同尺寸的贯通微孔；挡板内部具有格挡，格挡板数量与贯通微孔数量相同，用于使各贯通微孔上方的空间隔离开。通过拍摄DDT管内主装药点火燃烧后微孔喷焰的全过程，利用贯通微孔处火焰大小及喷射速度与DDT管内部化学反应的剧烈程度及其产生的波速和压强的大小存在正相关联系，通过计算分析各微孔喷焰的特征参数，获得主装药点火‑低速燃烧‑高速燃烧‑燃烧转爆轰‑稳定爆轰过程中各自发生的区域及时刻等参数，建立燃烧转爆轰判据。

Description

一种燃烧转爆轰过程参数的测试装置及方法
技术领域
本发明属于火炸药性能测试技术领域，具体涉及一种适用于火炸药燃烧转爆轰的过程参数测量以及相关规律研究的燃烧转爆轰过程参数的测试装置及方法。
背景技术
火炸药的燃烧转爆轰(DDT)经历着非常复杂的多阶段的化学物理反应，其燃烧速度、燃烧反应区压强和温度均经历数量级的变化，时间从数十微秒到数毫秒之间变化。对于这样一个非常复杂的、参量跨度如此之大的变化过程的研究，无论是试验技术上还是理论阐述都是一种挑战。
研究火炸药等含能材料的DDT过程通常在DDT管中进行。根据实验条件不同，常用的DDT管有两种，一种是两端封闭的厚壁金属管(称为强约束)；一种是有机玻璃管或塑料管(称为弱约束)。金属DDT管强度大，管壁不易变形，容易实现由燃烧到爆轰的转变，所以大多数试验都采用金属管。而有机玻璃或塑料管由于具有良好的透光性，可利用高速摄影技术来观察整个DDT过程火焰波的传播规律，还可利用X光观察药床的密度分布，以分析压缩波的传播规律。但有机玻璃管的管壁易变形，容易发生侧向膨胀而产生稀疏波，使得在有限长的管内较难实现由燃烧到爆轰的转变；另外，在高温高压作用下产生气体，管内壁将对流场产生影响。
DDT过程早期研究不安装任何测试元件，通过金属DDT管炸碎处见证板的凹痕大小及残片的形貌来定性判定试样是否发生燃烧转爆轰，并用点火起点至金属管炸碎处的距离(诱导距离)Ld来对试样的DDT危险性等级进行排序。这种试验方法不能得到金属管炸碎前管内的诸多过程细节，诱导距离Ld的大小并不能真正反应DDT危险性的大小，只有在掌握点火-低速燃烧-高速燃烧-燃烧转爆轰-稳定爆轰过程细节及临界转爆条件后，才有可能对火炸药DDT危险性作出正确的比较和分类。
后来，发展了各种探针、应变片、X射线摄影法和激光光纤法，测试对象主要是燃烧波、压缩波传播以及冲击波形成和转爆情况。由于燃烧和爆轰在性质上差别很大，在转爆阶段两者相互交织，很难准确测出各种扰动阵面的位置。另外，由于传感器量程、响应精度等相关技术的限制，测试结果并不理想。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明提出一种燃烧转爆轰过程参数的测试装置及方法，以解决如何准确测试燃烧转爆轰过程参数的技术问题。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提出一种燃烧转爆轰过程参数的测试装置，该测试装置包括：DDT管、点火具、高速摄像仪、挡板、点火电源及便携式计算机；其中，DDT管包含DDT管身以及位于管身两端的点火端堵头和底部堵头；DDT管身的管壁均匀分布一列相同尺寸的贯通微孔；点火端堵头为中间轴向开通孔的螺栓，侧开槽用于安装紧固螺栓，固定于DDT管身的头部；底部堵头为一圆盘，焊接于DDT管身的底部；DDT管内主装药为火炸药试样；点火具内置电点火头，放置于DDT管的头部，点火导线由点火端堵头的轴向通孔穿出；高速摄像仪用于记录DDT管中发生的火炸药燃烧转爆轰的动态过程；点火电源用于为点火具提供电流源，并为高速摄像仪输出同步触发信号；挡板内部具有格挡，格挡板数量与DDT管壁的贯通微孔数量相同，用于使各贯通微孔上方的空间隔离开；便携式计算机，用于操控高速摄像仪，具有图像高速采集、数据处理及终端显示功能；DDT管装药后放置于爆炸塔内，高速摄像仪布设于爆炸塔窗口外，紧挨防弹玻璃并保持一定的距离，点火电源及便携式计算机布设于爆炸塔外安全区域。
进一步地，DDT管的材质为碳素钢。
进一步地，DDT管身的长度为1200mm、内径为40mm，壁厚为9mm。
进一步地，贯通微孔的孔径均为1mm，数量为10个。
进一步地，DDT管内的主装药为粉末、粒状、片状或柱状火炸药试样，采用自由装填或浇铸方式装药。
进一步地，点火具为黑火药点火药包。
进一步地，高速摄像仪采用可见光波段，最大帧频和最大分辨率条件下存储时间不小于0.1s，且具有外触发功能。
此外，本发明还提出一种燃烧转爆轰过程参数的测试方法，采用上述测试装置，该测试方法包括如下步骤：
S1、测试准备，包括：
a)架设高速摄像仪，连接便携式计算机；开机调试高速摄像仪的放置位置及其镜头参数，使得高速摄像仪能够拍摄到DDT管的全长，成像于图像底部；固定高速摄像仪的位置及其镜头参数；
b)利用绝缘胶带将DDT管的贯通微孔封闭，然后将主装药装填于DDT管内，将点火具的导线通过点火端堵头的轴向通孔穿出，然后安装点火端堵头；
c)将DDT管水平放置于支撑台上，并保证贯通微孔垂直向上；将挡板置于支撑台上，使得各贯通微孔上方的空间被隔离开；连接点火电源的触发信号输出端信号线与高速摄像仪的外触发端口；连接点火电源的输出端线缆与点火具的导线；
S2、过程测试，包括：
d)设置高速摄像仪的快门、帧速、分辨率；
e)高速摄像仪在低照度模式下拍摄1帧图像，在图像中依次标注DDT管各贯通微孔所在位置的坐标，完成后将该图像作为基准图像，并保存；
f)恢复步骤d)中高速摄像仪设置的参数条件，启动点火电源对DDT管中的主装药进行点火，并同步触发高速摄像仪进行图像采集；
g)图像采集结束后，将采集到的图像以图像序列形式存储到便携式计算机上；
S3、数据处理，包括：
h)在基准图像上找到各贯通微孔4的位置，以某个贯通微孔4为中心点，左右各取相邻贯通微孔4间距的一半作为微孔火焰喷射区域的宽度，高度为该帧图像的最大高度；
i)在测试图像序列中，寻找到点火具6导线微孔出现火焰的第1帧图像，其与图像序列的第1帧图像的拍摄时间间隔为点火药点火延迟时间；
j)在测试图像序列中，计算各贯通微孔4上方的火焰高度，绘制各贯通微孔4的火焰高度-时间曲线；
k)对各贯通微孔4的火焰高度-时间曲线二阶求导，获得各贯通微孔4的火焰的加速度-时间曲线；
l)找出每个贯通微孔4的火焰加速度-时间曲线上的加速度最大值ai及对应时刻ti；其中i＝1，2，3，......k，......，N，其中N为贯通微孔4的数量；
m)找出ai中的最大值ak及其对应的时间点为tk；若ak>>ak-1且ak>>ak+1，即贯通微孔k的喷焰加速度较左右相邻贯通微孔有量级上的差别，则可判断DDT管内开始爆轰的区域位于以第k个贯通微孔所在中心、左右宽度为半个相邻孔距的区域内，燃烧转爆轰的时刻是tk时刻；若贯通微孔k的喷焰加速度较相邻贯通微孔没有量级上的差别，则可判断未发生爆轰；
S4、结果表述，包括：
以第k个贯通微孔所在中心、左右宽度为半个相邻孔距的区域作为燃烧转爆轰发生的区域，
以第k个贯通微孔中心距点火端堵头1的距离作为燃烧转爆轰的诱导距离，以tk时刻作为燃烧转爆轰发生的时刻。
进一步地，在步骤b中，利用绝缘胶带将DDT管的贯通微孔封闭。
进一步地，在步骤d中，快门时间不大于0.5×10-5秒，帧速设置为105帧/秒，横向分辨率设置保证拍全DDT管2，纵向分辨率设置为最高。
(三)有益效果
本发明提出的燃烧转爆轰过程参数的测试装置及方法，测试装置包括DDT管、点火具、高速摄像仪、挡板、点火电源及便携式计算机；其中，DDT管身的管壁均匀分布一列相同尺寸的贯通微孔；挡板内部具有格挡，格挡板数量与DDT管壁的贯通微孔数量相同，用于使各贯通微孔上方的空间隔离开。
通过拍摄DDT管内主装药点火燃烧后微孔喷焰的全过程，利用贯通微孔处火焰大小及喷射速度与DDT管内部化学反应的剧烈程度及其产生的波速和压强的大小存在正相关联系，通过计算分析各微孔喷焰的特征参数，获得主装药点火-低速燃烧-高速燃烧-燃烧转爆轰-稳定爆轰过程中各自发生的区域及时刻等参数，建立燃烧转爆轰判据。该装置及方法适用于火炸药燃烧转爆轰过程参数测试以及相关规律的研究，可视化程度高，成本低。
本发明的有益效果具体包括：
1、DDT管微孔喷焰的长度及喷射速度直接决定于DDT管内部化学反应的剧烈程度及其产生的波速和压强的大小，并对其影响较小；
2、利用微孔喷射火焰状态与微孔内部附近空间压力场的正相关联系，通过微孔阵列以及数据分析，可以获得整个DDT管内部的燃烧及爆轰情况，并判断燃烧转爆轰发生的区域及时间，该方法简单、可靠。
附图说明
图1为本发明实施例中DDT管及装药结构示意图；
图2为本发明实施例中测试现场布置示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
本实施例提出一种燃烧转爆轰过程参数的测试装置，如图1所示，该测试装置包括DDT管2、点火具6、高速摄像仪8、挡板11、点火电源9及便携式计算机10。其中，
DDT管2包含DDT管身以及位于管身两端的点火端堵头1和底部堵头5，材质均为优质碳素钢，DDT管身的长度为1200mm、内径为40mm，壁厚为9mm。DDT管身的管壁均匀分布一列孔径均为1mm的贯通微孔4，微孔4的数量10个；点火端堵头1为中间轴向开通孔的螺栓，侧开槽用于安装4枚紧固螺栓，固定于DDT管身的头部；底部堵头5为一直径74mm的圆盘，焊接于DDT管身的底部；DDT管2内主装药为粒状推进剂试样，采用自由装填方式装药。
点火具6为黑火药点火药包，内置电点火头，放置于DDT管2的头部，点火导线由点火端堵头轴向通孔穿出。黑火药符合GJB1056A，点火电流5A。
高速摄像仪8用于记录DDT管2中发生的火炸药燃烧转爆轰的动态过程，采用可见光波段，最大帧频105帧/秒，存储时间0.1s，且具有外触发功能。
点火电源9用于为点火具6提供电流源，电流输出5A；并为高速摄像仪输出同步触发信号8。
挡板11用于使各贯通微孔4上方的空间隔离开，采用不锈钢材质，高1m，长1200mm，格挡有10格，表面发黑处理。
便携式计算机10用于操控高速摄像仪8，具有图像高速采集、数据处理及终端显示功能。
测试现场布置，包括：DDT管2装药后放置于爆炸塔内；高速摄像仪8布设于爆炸塔窗口外，紧挨防弹玻璃并保持10mm的距离；点火电源9及便携式计算机10布设于爆炸塔外安全区域。
采用上述测试装置进行燃烧转爆轰过程参数测试的方法，包括测试准备、过程测试、数据处理及结果表述四个主要步骤，其中：
S1、测试准备，包括：
a)架设高速摄像仪8，连接便携式计算机10；开机调试高速摄像仪8的放置位置及其镜头参数，使得高速摄像仪8能够拍摄到DDT管2的全长，成像于图像底部；固定高速摄像仪8的位置及其镜头参数；
b)利用绝缘胶带将DDT管2的贯通微孔4封闭，然后将主装药装填于DDT管2内，将点火具6的导线通过点火端堵头1的轴向通孔穿出，然后安装点火端堵头1；
c)将DDT管2水平放置于支撑台7上，并保证贯通微孔4垂直向上；将挡板11置于支撑台7上，使得各贯通微孔4上方的空间被隔离开；连接点火电源9的触发信号输出端信号线与高速摄像仪8的外触发端口；连接点火电源9的输出端线缆与点火具6的导线；
S2、过程测试，包括：
d)设置高速摄像仪8的快门、帧速、分辨率等参数，其中快门时间不大于0.5×10-5秒，帧速设置为105帧/秒，横向分辨率设置保证拍全DDT管2即可，纵向分辨率设置为最高；
e)高速摄像仪8在低照度模式下拍摄1帧图像，在图像中依次标注DDT管2各贯通微孔4所在位置的坐标，完成后将该图像作为基准图像，并保存；
f)恢复步骤d)中高速摄像仪8设置的参数条件，启动点火电源9对DDT管2中的主装药进行点火，并同步触发高速摄像仪8进行图像采集；
g)图像采集结束后，将采集到的图像以图像序列形式存储到便携式计算机10上。
S3、数据处理，包括：
h)在基准图像上找到各贯通微孔4的位置，以某个贯通微孔4为中心点，左右各取相邻贯通微孔4间距的一半作为微孔火焰喷射区域的宽度，高度为该帧图像的最大高度；
i)在测试图像序列中，寻找到点火具6导线微孔出现火焰的第1帧图像，其与图像序列的第1帧图像的拍摄时间间隔为点火药点火延迟时间；
j)在测试图像序列中，计算各贯通微孔4上方的火焰高度，绘制各贯通微孔4的火焰高度-时间曲线；
k)对各贯通微孔4的火焰高度-时间曲线二阶求导，获得各贯通微孔4的火焰的加速度-时间曲线；
l)找出每个贯通微孔4的火焰加速度-时间曲线上的加速度最大值ai及对应时刻ti；其中i＝1，2，3，......k，......，N，其中N为贯通微孔4的数量；
m)找出ai中的最大值ak及其对应的时间点为tk；若ak>>ak-1且ak>>ak+1，即贯通微孔k的喷焰加速度较左右相邻贯通微孔有量级上的差别，则可判断DDT管内开始爆轰的区域位于以第k个贯通微孔所在中心、左右宽度为半个相邻孔距的区域内，燃烧转爆轰的时刻是tk时刻；若贯通微孔k的喷焰加速度较相邻贯通微孔没有量级上的差别，则可判断未发生爆轰；
S4、结果表述，包括：
以第k个贯通微孔所在中心、左右宽度为半个相邻孔距的区域作为燃烧转爆轰发生的区域，
以第k个贯通微孔中心距点火端堵头1的距离作为燃烧转爆轰的诱导距离，以tk时刻作为燃烧转爆轰发生的时刻。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种燃烧转爆轰过程参数的测试方法，其特征在于，采用的测试装置包括：DDT管、点火具、高速摄像仪、挡板、点火电源及便携式计算机；其中，所述DDT管包含DDT管身以及位于管身两端的点火端堵头和底部堵头；DDT管身的管壁均匀分布一列相同尺寸的贯通微孔；点火端堵头为中间轴向开通孔的螺栓，侧开槽用于安装紧固螺栓，固定于DDT管身的头部；底部堵头为一圆盘，焊接于DDT管身的底部；DDT管内主装药为火炸药试样；所述点火具内置电点火头，放置于DDT管的头部，点火导线由点火端堵头的轴向通孔穿出；所述高速摄像仪用于记录DDT管中发生的火炸药燃烧转爆轰的动态过程；所述点火电源用于为点火具提供电流源，并为高速摄像仪输出同步触发信号；所述挡板内部具有格挡，格挡板数量与DDT管壁的贯通微孔数量相同，用于使各贯通微孔上方的空间隔离开；所述便携式计算机，用于操控高速摄像仪，具有图像高速采集、数据处理及终端显示功能；所述DDT管装药后放置于爆炸塔内，所述高速摄像仪布设于所述爆炸塔窗口外，紧挨防弹玻璃并保持一定的距离，所述点火电源及便携式计算机布设于爆炸塔外安全区域；
所述测试方法包括如下步骤：
S1、测试准备，包括：
a)架设高速摄像仪，连接便携式计算机；开机调试高速摄像仪的放置位置及其镜头参数，使得高速摄像仪能够拍摄到DDT管的全长，成像于图像底部；固定高速摄像仪的位置及其镜头参数；
b)利用绝缘胶带将DDT管的贯通微孔封闭，然后将主装药装填于DDT管内，将点火具的导线通过点火端堵头的轴向通孔穿出，然后安装点火端堵头；
c)将DDT管水平放置于支撑台上，并保证贯通微孔垂直向上；将挡板置于支撑台上，使得各贯通微孔上方的空间被隔离开；连接点火电源的触发信号输出端信号线与高速摄像仪的外触发端口；连接点火电源的输出端线缆与点火具的导线；
S2、过程测试，包括：
d)设置高速摄像仪的快门、帧速、分辨率；
e)高速摄像仪在低照度模式下拍摄1帧图像，在图像中依次标注DDT管各贯通微孔所在位置的坐标，完成后将该图像作为基准图像，并保存；
f)恢复步骤d)中高速摄像仪设置的参数条件，启动点火电源对DDT管中的主装药进行点火，并同步触发高速摄像仪进行图像采集；
g)图像采集结束后，将采集到的图像以图像序列形式存储到便携式计算机上；
S3、数据处理，包括：
h)在基准图像上找到各贯通微孔( 4) 的位置，以某个贯通微孔( 4) 为中心点，左右各取相邻贯通微孔( 4) 间距的一半作为微孔火焰喷射区域的宽度，高度为该帧图像的最大高度；
i)在测试图像序列中，寻找到点火具( 6) 导线微孔出现火焰的第1帧图像，其与图像序列的第1帧图像的拍摄时间间隔为点火药点火延迟时间；
j)在测试图像序列中，计算各贯通微孔( 4) 上方的火焰高度，绘制各贯通微孔( 4)的火焰高度-时间曲线；
k)对各贯通微孔( 4) 的火焰高度-时间曲线二阶求导，获得各贯通微孔( 4) 的火焰的加速度-时间曲线；
l)找出每个贯通微孔( 4) 的火焰加速度-时间曲线上的加速度最大值ai及对应时刻ti；其中i＝1，2，3，......k，......，N，其中N为贯通微孔( 4) 的数量；
m)找出ai中的最大值ak及其对应的时间点为tk；若ak>>ak-1且ak>>ak+1，即贯通微孔k的喷焰加速度较左右相邻贯通微孔有量级上的差别，则可判断DDT管内开始爆轰的区域位于以第k个贯通微孔所在中心、左右宽度为半个相邻孔距的区域内，燃烧转爆轰的时刻是tk时刻；若贯通微孔k的喷焰加速度较相邻贯通微孔没有量级上的差别，则可判断未发生爆轰；
S4、结果表述，包括：
以第k个贯通微孔所在中心、左右宽度为半个相邻孔距的区域作为燃烧转爆轰发生的区域，
以第k个贯通微孔中心距点火端堵头( 1) 的距离作为燃烧转爆轰的诱导距离，以tk时刻作为燃烧转爆轰发生的时刻。
2.如权利要求1所述的测试方法，其特征在于，在所述步骤b中，利用绝缘胶带将DDT管的贯通微孔封闭。
3.如权利要求1所述的测试方法，其特征在于，在所述步骤d中，快门时间不大于0.5×10-5秒，帧速设置为105帧/秒，横向分辨率设置保证拍全DDT管，纵向分辨率设置为最高。
4.如权利要求1所述的测试方法，其特征在于，所述DDT管的材质为碳素钢。
5.如权利要求1所述的测试方法，其特征在于，所述DDT管身的长度为1200mm、内径为40mm，壁厚为9mm。
6.如权利要求1所述的测试方法，其特征在于，所述贯通微孔的孔径均为1mm，数量为10个。
7.如权利要求1所述的测试方法，其特征在于，所述DDT管内的主装药为粉末、粒状、片状或柱状火炸药试样，采用自由装填或浇铸方式装药。
8.如权利要求1所述的测试方法，其特征在于，所述点火具为黑火药点火药包。
9.如权利要求1所述的测试方法，其特征在于，所述高速摄像仪采用可见光波段，最大帧频和最大分辨率条件下存储时间不小于0.1s，且具有外触发功能。
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