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1、第20卷 第4期爆炸与冲击Vol.20,No.42000年10月EXPLOSIONANDSHOCKWAVESOct.,2000文章编号:100121455(2000)0420373206X激波喷出过程和在林带中的传播111122常熹钰,易仕和,罗俊荣,周勇为,文定元,邓湘雯(1.国防科技大学航天技术系,湖南长沙 410073;2.中南林学院资源环境系,湖南株洲 412006) 摘要:运用激波管技术研究了激波从管口喷出和在林带中传播这两个基本问题。给出了三方面的结果:揭示了激波从管口喷出时的复杂流场,显示了主激波
2、弯曲和衰减,二次激波的形成和合拢,涡环的长大和发展,以及涡环前缘出现正激波等基本物理现象;显示了激波在林带中的传播过程,取得了激波遇林地的反射,马赫杆形成,激波与林冠的相遇,林冠对涡环的阻滞效应等纹影照片;沿激波在林地的传播方向测量了地面压力,证实林带有明显的消波效应。 关键词:激波;森林;模拟 中图分类号:O382.1 文献标识码:A1 引 言 激波与林火作用时,将发生一系列复杂的物理、化学过程,其中激波的高压阵面及紧随着的负压将撕落并清除树林中的细枝、枯叶等森林可燃物。在林火阵面地带,强度足够大的激
3、波[1]有可能使热解气体与氧充分混合并完全燃烧,耗尽可燃气体。认识和研究激波对林火阵面的这些作用,有可能提出一种森林灭火的新方法。 本文报告的是激波猝灭林火的原理与技术探索的先期工作。主要目的是认识激波从管道中喷出及其在林地中的传播规律,为研究激波与林火的作用提供技术和知识基础。研究工作在实验室条件下进行,在激波管技术的基础上,运用光学纹影和瞬态信号测量技术,显示激波从管口喷出及在林地中传播的过程和主要物理现象,建立起概念并作初步分析。2 实验装置与方法 实验装置由激波管、瞬态信号测量系统、纹影仪等构成,装置
4、和系统布置见图1。激波管由不锈钢管制成,内径24mm,全长24m,高压段长0.6m,低压段端部开口。高低压段之间由聚脂薄膜分开,当高压段充以高压气体达到一定压力时,膜片完全破裂,形成一道激波从低压段推出并在模拟林地中传播。 沿低压段布置压电传感器T1、T2测量激波沿管运动的速度,T1→T2为0.4m,T2离激波管出口40mm。由理想激波管理论给出的压力平台(p2)校核传感器的压电系数。在模拟林地沿中心对称线装置压电传感器T3、T4、T5,测量激波诱导的林地压力场,了解激波在林地的传播和X收稿日期:1999207
5、226; 修回日期:1999212227 基金项目:国家自然科学基金项目(39770623)作者简介:常熹钰(1941— ),男,教授。374 爆 炸 与 冲 击 第20卷衰减过程。T3距激波出口60mm,T3→T4,T4→T5均为60mm。所有传感器信号经电荷放大器放大,由双踪记忆示波器或多通道瞬态记录仪记录并显示。纹影仪视场直径200mm,视场中心距低压段出口70mm。纹影照相在黑暗中运行,取垂直刀口,由火花光源提供闪光,由脉冲触发器延时控制闪光时刻,激波到
6、达传感器T2时刻为记时起点,最小延时间隔为5μs。“林地”由多株模拟树排列构成,行距与列距均为30mm,林地前沿距激波管出口60mm。单株“树”高60mm,树冠高30mm,树冠直径30mm。F1为火焰传感器,其测量结果在以后的报告中讨论。图1 实验装置和系统布置Fig.1Experimentequipmentandsystemarrangement3 实验结果与分析3.1 激波在管道中传播 图2为p4=1.125MPa,传感器T1、T2记录的压力波形,根据当时的室温算出Ma=1.63。T1信号(上线)有十分规则
7、的压力平台(p2),平台宽度约2.4ms,平台幅度为0.293MPa,与理论[2]分析基本一致。 传感器T2靠近激波管出口,在主激波掠过之后,T2信号(下线)也有明显的压力突跃,但图2 管内压力波形没有形成压力平台。这是因为传感器离出口仅Fig.2Thepressurepulseofshockwaveintube40mm。在它刚刚感受激波后的高压(p2)时,激波又很快离开管口,进入大气,波后高压与大气压连通,p2只能维持很短的时间,然后迅速下降。根据激波运动速度估算,其维持时间不超过0.07ms。其后的压降过程
8、约为2.4ms,与T2信号的平台宽度相当。这里简单的分析与图2的观察基本相符。3.2 激波从管口喷出 图3为激波从管口喷出并在大气中传播的一组照片,p4=0.617MPa,取激波到达T2为0时刻。由图可以看到:由于进入大空间的绕射现象,激波阵面发生弯曲,强度逐渐弱化;主激波之后的减速流动诱导产生二次激波,二次激波作用的流体增压减速,与主激波后的流动相适第4期
