爆轰火焰在管道阻火器内的传播与淬熄特性

在水平封闭的直管中,采用自主研制的阻爆实验系统(包括传感器系统、配气系统、数据采集系统、点火系统等)对不同活性预混气体爆轰火焰在波纹管道阻火器内的传播与淬熄过程进行了实验研究。结果显示当可燃气体接近当量浓度时(丙烷4.2%、乙烯6.6%、氢气28.5%,均为体积分数),预混气体从点燃到火焰淬熄过程历时非常短,总体可分为4个阶段,缓慢燃烧阶段、快速燃烧阶段、加速燃烧阶段和超压振荡阶段。丙烷-空气、乙烯-空气预混气体在D=80 mm的管道阻火器中,爆炸压力峰值较高。当管道直径增加至400 mm时,爆炸压力峰值逐渐降低,其中乙烯-空气预混气体的爆炸压力峰值仅为3 MPa左右;氢气-空气预混气体的爆炸压力峰值随管径的增加呈递增趋势。对爆轰速度的研究结果表明,丙烷-空气、乙烯-空气预混气体爆轰速度数值相差不大,丙烷-空气预混气体甚至稍高些;而氢气-空气的爆轰速度数值较高。而且随着管径的增加,管壁热损失增大及其阻力因素等原因影响使预混气体爆轰速度趋向平稳。最后,从经典传热学理论出发,推导出了阻火单元厚度与爆轰火焰速度之间的关系。并结合实验数据,提出了爆轰安全阻火速度的计算方法,为工业装置阻火器的设计和选型提供更为准确的参考依据。     

B炸药爆轰波拐角传播的三维数值模拟

为研究B炸药起爆后爆轰波在拐角中的传播特性以及拐角爆轰低压流场现象,运用LS-DYNA3D程序对120°,90°,45°三种特定的拐角装药的爆轰波传播现象进行了数值模拟,观察了爆轰波通过拐角的传播过程,讨论了爆轰波波阵面通过拐角后爆速的变化情况.结果表明,爆轰波通过拐角后由于传播面积的变化而产生衰减-增长过程,装药拐角越大,爆轰波通过时越稳定;随着装药拐角的减小,拐角处的波阵面压力、爆速和传播能力都逐渐降低.     

改性铵油炸药连续爆速实验研究

采用连续速度探针研究改性铵油炸药在不同起爆条件下爆速和爆轰成长的连续变化.在起爆条件分别为雷管/160g起爆药柱、雷管/160g起爆药柱/有机玻璃隔板和仅采用雷管时,改性铵油炸药在稳定爆轰阶段的稳定爆速分别为4569m/s、4496m/、4559m/s,爆轰成长距离分别为3.5、7.3和20cm,爆轰成长时间分别为0.01、0.025和0.06ms.结果表明,在相同的装药约束条件下,起爆能量越大,改性铵油炸药爆轰成长时间和爆轰成长距离越短,即越容易发展为稳定爆轰.     

二次爆炸杀伤战斗部原理的实验研究

提出了二次爆炸杀伤战斗部的概念并阐述了其相关作用原理,用实验验证了二次爆炸杀伤战斗部原理的可行性.针对选定的炸药装药,设计了二次爆炸杀伤战斗部的实验弹结构,利用高速摄影机拍摄实验弹的爆炸过程,确定二级装药在一级装药爆炸作用下是否发生XDT或DDT、测量起爆延迟时间和二级装药发生爆轰时其距初始位置的距离.结果表明,当有机玻璃隔板厚度值为50～80 mm时,二级装药发生稳定的XDT或DDT,起爆延迟时间为2 125～11 000 μs,二级装药产生的位移为252～645 mm;采用钝感炸药装药,在特定的条件下会发生起爆时间更长的爆轰.XDT或DDT原理可应用于杀伤战斗部技术,提高杀伤破片的分布密度和速度.     

炸药爆轰参数与空中爆炸冲击波超压的关系

为研究炸药爆轰参数与空中爆炸冲击波超压之间的关系,设计了不同铝含量的RDX/Al、HMX/Al混合炸药,并进行了空中爆炸试验。根据爆炸相似理论,用相同条件下实测TNT超压数据,计算了冲击波超压的TNT当量。采用不同方法计算了炸药的爆轰参数。结果表明,炸药空中爆炸冲击波超压与爆热、爆容和爆速乘积TNT当量的1/3次方满足线性关系,且回归线在y轴上的截距为0,斜率与炸药的类型有关。对于TNT,斜率为1;对于RDX/Al混合炸药,斜率为1.053(R2=0.9996);对HMX/Al混合炸药,斜率为1.073(R2=0.9995),表明炸药的爆热、爆速和爆容对空中爆炸冲击波超压的影响相同。     

RDX基铝薄膜炸药与铝粉炸药水下爆炸性能比较

为了减少铝粉炸药在生产过程中因铝粉对环境污染,降低铝粉炸药的撞击感度,提高含铝炸药的成型性及力学性能,将RDX用铝薄膜分层包裹得到新型的铝薄膜混合炸药。将铝薄膜混合炸药与铝粉炸药进行水下爆炸实验与爆速实验,得到两种炸药的爆速与压力时程曲线,经过分析计算得到两种炸药的压力峰值、冲量、冲击波能、气泡脉动周期与气泡能。结果表明：铝薄膜炸药药柱的轴向为RDX与铝薄膜独立贯通的结构,有利于降低混合炸药中添加物对基体炸药爆轰波传播的影响,从而使铝薄膜混合炸药的爆速高于铝粉炸药,导致铝薄膜炸药的冲击波损失系数高于铝粉炸药,使铝薄膜混合炸药的总能量、比气泡能与铝粉炸药相当情况下,其比冲击波能却降低了10.16%～10.33%,计算过程说明铝薄膜混合炸药的C-J压力计算公式具有合理性。     

爆轰火焰在管道阻火器内的传播与淬熄特性

在水平封闭的直管中,采用自主研制的阻爆实验系统(包括传感器系统、配气系统、数据采集系统、点火系统等)对不同活性预混气体爆轰火焰在波纹管道阻火器内的传播与淬熄过程进行了实验研究。结果显示当可燃气体接近当量浓度时(丙烷4.2%、乙烯6.6%、氢气28.5%,均为体积分数),预混气体从点燃到火焰淬熄过程历时非常短,总体可分为4个阶段,缓慢燃烧阶段、快速燃烧阶段、加速燃烧阶段和超压振荡阶段。丙烷-空气、乙烯-空气预混气体在D=80 mm的管道阻火器中,爆炸压力峰值较高。当管道直径增加至400 mm时,爆炸压力峰值逐渐降低,其中乙烯-空气预混气体的爆炸压力峰值仅为3 MPa左右;氢气-空气预混气体的爆炸压力峰值随管径的增加呈递增趋势。对爆轰速度的研究结果表明,丙烷-空气、乙烯-空气预混气体爆轰速度数值相差不大,丙烷-空气预混气体甚至稍高些;而氢气-空气的爆轰速度数值较高。而且随着管径的增加,管壁热损失增大及其阻力因素等原因影响使预混气体爆轰速度趋向平稳。最后,从经典传热学理论出发,推导出了阻火单元厚度与爆轰火焰速度之间的关系。并结合实验数据,提出了爆轰安全阻火速度的计算方法,为工业装置阻火器的设计和选型提供更为准确的参考依据。     

复合结构装药爆轰波爆速与曲率关系的数值模拟

为了研究复合结构中爆轰波传播速度和曲率的关系,利用通用有限元程序AUTODYN对钝感复合装药结构单点起爆的爆轰效应进行了数值模拟。分析说明了不同尺寸的装药结构爆速和曲率的对应变化情况,根据曲面爆轰波曲率和爆速的线性近似关系,描述了复合装药药柱的爆速与曲率的关系方程,并拟合得到了相关参数。     

环境氧含量对含铝炸药爆热的影响

利用恒温式量热计测定了3种含铝炸药在不同环境中的爆热,研究了其能量释放规律。结果表明,含铝炸药在真空、空气和纯氧环境中的爆热逐渐增高,固体爆轰产物存在一定差异。3种含铝炸药在纯氧中的爆热基本相当,说明发生了完全燃烧反应。在真空和空气环境中,含细铝粉(中位径12.43μm)的含铝炸药爆热均低于含粗铝粉(中位径74.14μm)的炸药。两种粒度铝粉级配后的含铝炸药,在真空和空气环境中的爆热处于铝粉未级配的炸药爆热之间,原因是没有达到细铝粉先反应、粗铝粉后反应的理想状态。     

某新型发动机燃烧性能影响因素的数值模拟

运用化学反应流动基本理论、粒状物轨道模型和分步反应模型及计算机编程技术,就液态辛烷/空气混合物燃烧波在一维封闭空间内传播的DDT问题开发了数值模拟程序,并用其研究了液态燃料爆震波点火能量及初始温度对于爆震波结构与发展的影响.结果表明,爆震强度随着点火能量的提高而增大,随着初始温度的提高而减小.将模拟结果与实验结果进行了比较,说明本方法是可行的.     

含ACP改性双基推进剂的燃烧转爆轰实验研究

为研究快燃物ACP对改性双基推进剂燃烧转爆轰性能的影响,利用DDT管建立相应的测试系统,对推进剂在多孔装药条件下的燃烧转爆轰过程进行了实验研究.实验中采用电离探针和压电式压力传感器记录了燃烧与爆轰波阵面的位置一时间关系和压力波形图,利用实验结果计算并比较了波阵面的传播速度、爆轰形成点的位置以及药床不同位置的压力值.结果表明,快燃物ACP能够增大改性双基推进剂转爆轰的倾向,当ACP的质量分数从5%增加到7%时,装药燃烧转爆轰的倾向增大比较明显.     

Deflagration-to-detonation transition in isopropyl nitrate mist/air mixtures

The characteristics and stages of the deflagration-to-detonation transition (DDT) in isopropyl nitrate (IPN) mist/air mixtures are studied and analyzed. A self-sustained detonation wave forms, as is observed from the existence of a transverse wave and a spinning wave structure. The run-up distance of the DDT process and the pitch size of the self-sustained spinning detonation wave in IPN/air mixtures are analyzed. Moreover, a retonation wave forms during the DDT process. Two propagation modes, the high-speed deflagration mode and the self-sustained detonation mode, of the shock-reaction complex (SRC) in IPN mist/air mixtures are found and analyzed. The influence of the mist concentration on the SRC propagation mechanism is studied. The minimum and the optimum IPN mist concentrations for DDT occurrence in IPN mist/air mixtures are determined. The propagation velocity and overpressure of the self-sustained detonation wave in IPN mist/air mixtures are measured and calculated.     

Fe2O3-Al纳米铝热剂与超细RDX复合物的制备与性能

采用溶胶-凝胶方法,制备出了纳米铝热剂nano-Fe2O3-Al,并获得了其与超细RDX的复合含能材料nanoFe2O3-Al/SFRDX。采用BET法、SEM、XRD综合表征了nano-Fe2O3-Al的结构,采用TG/DSC联用技术测试了nano-Fe2O3-Al的热性能,结果表明气凝胶铝热剂的反应温度更低;nano-Fe2O3-Al的静电火花感度测试结果表明纳米铝热剂对静电十分敏感。对nano-Fe2O3-Al/SFRDX在无约束条件和密闭条件下的燃烧行为进行了研究,高速相机照片法发现在无约束条件下,nanoFe2O3-Al燃烧高达300 m/s,且nano-Fe2O3-Al/SFRDX具有在无约束条件下由燃烧转为爆轰的趋势。     

筛孔障碍物对半球气云爆燃压力增长机制的影响

在体积为2000m³的实验基地,进行了半球面筛孔形障碍物对半球形气云爆燃压力的增长机制影响的实验研究。可燃介质是浓度为7.8%的半球形乙炔-空气混合气云,气云内置半球面筛孔形障碍物,爆燃压力由精度为0.5级、动态响应时间小于1ms的压力变送器感受,点火装置为符合国际标准ISO6184 “Explosion Protection System" 和美国标准NFPA68Guide For Venting of Deflagrations"的电火花点火。火焰传播过程的图像记录显示,爆燃火焰在遇到障碍物之前基本上以球面向外扩展,经过障碍物后会发生显著扭曲和折叠,燃烧速率增大。压力场测试结果表明,障碍物孔隙率越小、半径越大、层数越多,爆燃压力就越高。     

NEPE推进剂的燃烧转爆轰特性

介绍了燃烧转爆轰的研究方法、表征参数和影响因素.用DDT管、光电管、应变片、验证板研究了NEPE推进剂混合过程中的燃烧转爆轰特性.研究结果表明,NEPE推进剂药浆的诱导爆轰距离与其在DDT管中的装填密度存在典型的U形曲线关系;当实际装填密度大于理论装填密度的95%时,NEPE推进剂药浆在试验条件下无法发生燃烧转爆轰,同时,NEPE推进剂药浆的诱导爆轰距离与DDT管的破碎程度具有较好的相关性,诱导爆轰距离越小,DDT管的破碎程度越严重.由于立式混合机的密闭性及混合过程中推进剂药浆的不均匀性,NEPE推进剂在混合过程中存在燃烧转爆轰的可能性.     

室内可燃气体-空气预混爆炸特性的数值模拟

采用CFD软件AutoReaGas建立典型的物理模型及数值模型来模拟室内可燃气体泄漏后与空气预混爆炸场的特性。结果表明,点火位置、泄爆压力的改变会对爆炸场内的超温、超压产生巨大影响。泄爆压力越大,产生的超压就越大,而其对温度无明显影响;测点温度对点火位置的改变反应灵敏,同一测点,不同点火位置,距离越近,测点的最大超压越大。这项研究为室内可燃气体爆炸特性及规律的进一步研究提供了理论依据,对于有效预防和控制事故的发生,降低事故中的人员伤亡和减少财产损失具有重要的指导意义。     

Mathematical simulation of heterogeneous detonation of coal dust in oxygen with allowance for the ignition stage

A consistent physicomathematical model that describes ignition and detonation combustion of a gas suspension of coal-dust particles is developed. The model is based on the concepts of the two-velocity two-temperature continuum of mechanics of heterogeneous media with allowance for reduced reactions of pyrolysis, combustion of volatiles, and combustion of the coke residue. The model is verified with the use of available experimental data on the dependence of the detonation velocity on the initial concentration of the discrete phase and the dependence of the ignition delay on the Mach number of the incident shock wave. An analysis of ignition of the gas suspension of bituminous coal in shock waves shows that the stage of ignition proceeds under conditions of both temperature and velocity nonequilibrium. The influence of particle heating due to stagnation temperature on devolatilization dynamics and ignition delay is established. Examples of computed flow structures behind shock and detonation waves with allowance for the ignition stage are presented.Translated from Fizika Goreniya i Vzryva, Vol. 41, No. 1, pp. 89–99, January–February, 2005.     

Benchtop Energetics: Hyperthermal Species Detection

We propose a novel scheme for monitoring the transition between deflagration and “detonation‐like” behavior of small‐scale explosive samples‐in‐vacuum subjected to short duration shock stimuli. Our approach relies on measuring the chemical identities and velocity distributions of the gaseous species produced by such samples; e.g. the relatively low velocity expansion‐quenched reaction intermediates produced by deflagration versus the hyperthermal thermodynamically stable molecules generated by the termination of a detonation wave at an explosive‐vacuum interface. We demonstrate our ability to detect such species by time‐of‐flight mass spectrometry (TOFMS) using fast Al atoms produced by laser ablation of aluminum metal. Extensive SIMION simulations of ion trajectories in our mass spectrometer lead to a semi‐quantitative model connecting the system operating parameters and the velocity‐dependent neutral species detection efficiency. We present a method for correcting our data for these detection biases, and for transforming them into neutral species velocity and kinetic energy distributions. We also present preliminary TOFMS data of hyperthermal organic molecular species produced by direct laser ablation/ignition of thin‐film nitrocellulose samples.     

Numerical Simulation of Formation of Cellular Heterogeneous Detonation of Aluminum Particles in Oxygen

Formation of cellular detonation in a stoichiometric mixture of aluminum particles in oxygen is studied by means of numerical simulation of shock-wave initiation of detonation in a flat and rather wide channel. By varying the channel width, the characteristic size of the cells of regular uniform structures for particle fractions of 1–10 µm is determined. The calculated cell size is in agreement with the estimates obtained by methods of an acoustic analysis. A relation is established between the cell size and the length of the characteristic zones of the detonation-wave structure (ignition delay, combustion, velocity and thermal relaxation).__________Translated from Fizika Goreniya i Vzryva, Vol. 41, No. 4, pp. 84–98, July–August, 2005.