铝粉-空气混合物爆炸压力影响因素研究

在水平管道式粉尘爆炸装置中,通过大量实验研究了点火延迟时间、铝粉浓度和铝粉粒度对铝粉的最大爆炸压力和压力上升速率的影响.结果表明:对浓度和粒度-定的铝粉,存在-个可爆延迟时间范围,铝粉在该延迟时间范围内点火才能发生爆炸;同时,还存在-个最佳点火延迟时间可以使爆炸压力和压力上升速率同时达到最大值;铝粉的最大爆炸压力和压力上升速率随铝粉浓度的增大先增大后减小,随铝粉粒径的增大而减小.     

环境湿度对铝粉爆炸特性参数影响的实验研究

为全面评估铝粉爆炸的危险性,在爆炸罐内进行了环境湿度对铝粉爆炸影响的实验研究。分别得到了33%、60%和90%相对湿度下铝粉爆炸的最大爆炸压力和最大压力上升速率值。结果表明:环境湿度对铝粉爆炸有显著的影响作用,而这种作用与浓度有关。当铝粉浓度较低时,随着环境湿度的增加, 最大爆炸压力和最大压力上升速率值先增加后减小;而浓度较高时,最大爆炸压力和最大压力上升速率值则随着环境湿度的增加而明显增加。同时通过对实验数据的非线性拟合,得到了3 种环境湿度下最大爆炸压力和铝粉浓度之间的DoseResp 函数关系。该研究可作为铝粉爆炸危险性评估的参考。     

含能材料粉尘爆炸压力和压力上升速率的研究

对比研究了点火延迟时间，粉尘粒度和浓度对梯恩梯粉尘，黑索金粉尘和面粉的影响规律，定性讨论了含能材料和一般工业粉尘的爆炸过程。实验表明：空气中的氧浓度并非是含能材料粉尘爆炸的必要条件，爆炸的压力随浓度的增加而线性增加；粒度在一定范围内对爆炸峰值压力影响不大，压力上升速率随粒度的减小而增大，但增加趋势较一般工业粉尘平缓；点火延迟是一定范围内，对其峰值压力和压力上升速率的影响不明显。     

环氧丙烷/空气混合物气-液两相燃爆特性

为了探究环氧丙烷云雾燃爆特性,采用20 L球形液体燃料爆炸测试系统,研究了点火延迟时间和质量浓度对环氧丙烷/空气混合物爆炸特性参数的影响,同时采用高速相机拍摄火焰传播过程,并利用比色测温技术重构了火焰温度场动态云图,探讨了环氧丙烷质量浓度对火焰温度的影响规律。结果表明：随着点火延迟时间的增加,最大爆炸超压和最大超压上升速率均呈先增大后减小的变化趋势,燃烧持续时间与之相反,最佳点火延迟时间为100 ms,此时最大爆炸超压达到最大值0.89 MPa;随着环氧丙烷质量浓度的增加,最大爆炸超压、最大超压上升速率和火焰最大平均温度均先增加后减少,在环氧丙烷质量浓度为498 g·m^-3时,最大爆炸超压和最大超压上升速率均最大,分别为1.02 MPa和60.91 MPa·s^-1,但最大平均温度对应的质量浓度明显比最大爆炸超压低,在质量浓度为415 g·m^-3时火焰平均温度峰值达到最大值1937 K。研究成果可为燃料空气炸药爆轰性能优化和毁伤效能评估提供参考。     

流动状态下铝粉爆炸过程的数值模拟

基于计算流体力学理论,模拟了铝粉在20L圆柱密闭容器内扩散和火焰传播随时间变化的规律,并分析了铝粉在密闭容器内的爆炸火焰速度变化的影响因素。结果表明:铝粉粒径为7~42μm时,随着粒径的增加,最大爆炸压力pmax和最大爆炸压力上升速率(dp/dt)max逐渐减小,pmax和(dp/dt)max最大值分别为0.876 MPa和120.1 MPa·s-1,最小值分别为0.634 MPa和19.5 MPa·s-1,模拟结果与文献吻合,pmax和(dp/dt)max与实验值最大误差分别为4.6%不超过20%。当点火延迟时间为60 ms时,容器的径向火焰传播速度的变化趋势为先降后升再降,最大值为150.9 cm·s-1,最小值为70 cm·s-1。     

铝粉及黑索金粉尘爆炸的特性研究

采用20立升爆炸球对片状铝粉、黑索今(RDX)粉尘及它们的混合粉尘的爆炸行为进行了实验研究。根据它们爆炸时的最大爆炸压力、最大压力上升速率等参数，发现在混合粉尘中当铝粉及RDX粉尘在一定配比时，两者存在协同效应。同时，当混合粉尘中铝粉的含量不同，则混合粉尘爆炸时的最大压力上升速率也遵循不同的规律。     

点火头对化学点火具的影响

介绍了化学点火具中点火头药剂的研制及其压力——时间曲线。实验证明，点火药头药剂不同，其化学点火具的点火延迟时间不同，对粉尘云的最大压力上升速率及相关研究结果的影响十分显著。     

含微/纳米铝粉燃料空气炸药爆炸特性

利用20 L爆炸装置开展了含微/纳米铝粉燃料空气炸药爆炸特性研究.试验结果表明:微米铝粉中加入5％和10％纳米铝粉后,混合铝粉爆炸压力峰值增幅分别为24.4％和58.5％,最大压力上升速率增幅达到80.6％和103.4％,纳米铝粉含量大于10％对于爆炸效应增加没有明显作用;固液比为30/70的燃料空气炸药,点火能从11.83 J增加到28 J,其爆炸压力从0.28 MPa增大到0.52 MPa,爆炸温度从834℃增大到1118℃,表明增大点火能可以提高燃料空气炸药爆炸参数;提高微/纳米铝粉含量,能够有效提高固液型燃料空气炸药爆炸压力和爆炸温度.     

泄爆导管对容器内粉尘燃爆泄放特性的影响

为了研究泄爆导管的安装对容器内铝粉燃爆泄放过程的影响,对原有1.3LHartman粉尘泄爆装置进行了改进,加装了泄爆导管.实验发现,最大泄爆超压随着泄爆膜动作压力的增大而上升,而最大升压速率的变化规律则与之相反；泄爆导管越粗,容器内的最大泄爆超压越低；相比无泄爆导管的情况,安装泄爆导管后的最大泄爆超压和最大升压速率会在更高的浓度下达到最大值；最大升压速率随粒度的减小而增大；同条件下安装泄爆导管后的超压值要大于未装泄爆导管时的值.为此,加装泄爆导管之后应适当增大泄爆容器的耐压强度.     

杂混合物(萘酐)爆炸参数的研究

为研究环境温度对萘酐(C10H6O3)粉尘爆炸参数的影响,进行了粉尘爆炸猛烈度与爆炸敏感度的实验.结果表明:随着环境温度的升高,最大爆炸压力峰值变化不大,而最大压力上升速率增大,爆炸下限浓度降低,安全氧含量也降低.此外,根据化学动力学理论对影响结果进行了分析.     

硝基甲烷与铝粉混合物燃爆特性实验研究

随着新型武器装药的大范围使用,对典型装药燃爆特性参数的研究已成为兵工企业安全生产亟待解决的基础问题。在1 m³密闭爆炸容器内,利用自组建的爆炸测试系统研究了硝基甲烷蒸气的燃爆特性和硝基甲烷蒸气与铝粉尘混合物的燃爆特性。研究结果表明：在实验浓度范围内,随着硝基甲烷蒸气含量的增加,硝基甲烷蒸气与空气的混合物爆燃压力和温度的变化出现一直增大的趋势,爆燃超压在浓度值40%~60%趋于平缓,硝基甲烷蒸气浓度在20%~30%时能够得到最小点火能量的最低值0.7 mJ;硝基甲烷蒸气与铝粉尘混合物,在弱点火条件下随着铝粉尘浓度的增加,压力出现一个极值点,混合物爆燃（或爆轰）压力随铝粉尘浓度变化呈倒“U”形曲线,这一现象基本符合一般可爆性物质燃爆特征。     

纳米铝基金属燃料推进剂燃烧稳定性研究

针对高金属含量纳米铝基燃料推进剂在实验过程中出现的非均匀燃烧、爆燃甚至爆炸等问题,基于理论分析的方法,深入研究了纳米铝基金属燃料推进剂燃烧过程及燃烧机理,采用推进剂制备与燃烧实验及数值仿真计算的方法进一步验证颗粒尺寸、形貌对推进剂燃烧稳定性的显著影响。在保压时间45 min,最大荷重67 kN,最大压强213.6 MPa制备条件下,对两种不同产地型号的纳米铝粉原料进行燃烧实验对比,结果表明,不同产地颗粒,在尺寸规格、实验环境相同条件下,金属推进剂稳态燃烧时反映燃烧性能的Nusselt数、Sherwood数、蒸发速率、燃烧速率和燃烧时间、比燃速等参数差异明显,在纵横比为10时,扁椭球颗粒的最大燃速1.3×10^-13 kg/s,而长椭球颗粒燃速大约高达3.0×10^-13 kg/s,约为扁椭球颗粒燃速的2.3倍,甚至出现爆燃现象,颗粒粒径、形貌(椭球形颗粒)分布的均一性是影响推进剂爆燃的重要因素。该研究可为纳米铝基金属燃料推进剂优化设计提供参考。     

AP/HTPB/ferrocene混合体系粉尘爆炸特性研究

为研究丁羟推进剂在高压水射流作用下的点火机理,采用哈特曼粉尘爆炸测试装置,进行了AP/HTPB/ferrocene混合体系粉尘爆炸浓度下限和最小点火能的实验研究,并分析了高氯酸铵(AP)含量、二茂铁含量和环境湿度对粉尘爆炸特性的影响.研究结果表明: 随着AP和二茂铁含量增加,混合体系的粉尘爆炸浓度下限降低,最小点火能降低;当环境湿度由80%增加到90%时,含二茂铁的混合体系的爆炸浓度下限和最小点火能变化趋于平缓.     

颗粒固结发射药作随行装药的应用研究

将颗粒固结发射药应用于随行装药技术,提出了一种新的随行装药方案。通过密闭爆发器与30 mm弹道炮试验,对该随行装药的点火延迟时间、力学强度、燃速和燃烧性能的稳定性进行了研究。结果表明,依托随行装药高力学强度,延迟机构可对随行装药点火延迟时间进行控制。初步验证了该随行装药的燃烧性能基本稳定。增加延迟机构的厚度、乙基纤维素(EC)含量,均可使随行装药点火延迟时间延长。增加随行装药的粘结剂含量、压制密度,均可使其力学强度增加、燃气释放速率降低。随行装药具有较高的燃速,粘结剂含量5%、压制密度1.5 g·cm-3时,随行装药燃速最大值是6/7发射药的46倍。主装药量113 g、延迟机构厚0.4 mm时,在最大膛压基本不变的情况下,随行装药在内弹道试验中的初速较标准弹丸初速增加73.3 m·s-1,增幅约8%。     

爆炸冲击波作用下黑索今基含铝炸药的冲击点火反应速率模型

为分析黑索今（RDX）基含铝炸药中铝粉的颗粒尺寸对炸药冲击点火的影响,以及建立该含铝炸药冲击点火的细观反应速率模型,开展了含铝炸药冲击起爆的实验和数值模拟研究。设计5 μm、 16 μm、40 μm和100 μm不同铝粉粒径,具有相同组分配比和RDX颗粒尺寸的4种炸药配方,对4种RDX基含铝炸药进行了冲击点火起爆实验;通过合理假设,提出RDX基含铝炸药的细观点火模型,并在考虑点火增长的基础上,完善细观反应速率模型,利用细观反应速率模型和含铝炸药的I&G模型对上述实验进行了数值模拟。实验和数值模拟结果表明：对于100 μm、 40 μm、 16 μm和 5 μm粒径铝粉含铝炸药,铝粉在CJ面前的反应度分别为0.80%、2.45%、3.20%和4.15%;随着RDX基含铝炸药中的铝粉尺寸减小,铝粉在CJ面前的反应速率增快,炸药中的前导冲击波传播速度变快且压力峰值增高,压力峰值的出现时间与前导冲击波到达时间的间隔减短,炸药的冲击感度提高;与I&G模型相比,细观反应速率模型计算的压力历史与实验结果更为吻合;细观模型能较好地模拟较大尺寸颗粒铝粉（铝粉尺寸大于炸药颗粒尺寸的1/10）的反应特征,对于100 μm和40 μm铝粉粒径含铝炸药,模拟计算每个拉格朗日位置的前导冲击波到达时间、压力峰值时间和压力峰值等参量与实验结果相差不超过10%。     

分散度对铝粉爆炸敏感性的影响

为分析大粒径分布跨度下粒径分布对铝粉爆炸特性参数的影响,选出能够表征铝粉爆炸特性的粒径参数,提高铝粉爆炸风险评估的准确性,开展了铝粉爆炸敏感性研究。采用Siwek 20 L爆炸球和Hartmann管实验装置,分别探究分散度对微米级铝粉最小爆炸浓度（MEC）和最小点火能（MIE）的作用规律。结果表明：铝粉的爆炸敏感性参数随着粒径的增加而加速增大。对于小粒径的铝粉,粒径变化对MEC和MIE的作用相对较小;粒径跨度较大的混合铝粉样本中,小粒径铝粉起到点火源的作用,使得MEC和MIE值均降低,增大了铝粉爆炸风险。从皮尔逊相关性分析结果来看,粒径参数D_3,2（Sauter平均直径）、D₄₀（粒径第40百分位数）与MEC和MIE的相关性最高,其中D_3,2与MEC和MIE相关系数为0.962 7和0.746 0,D₄₀与MEC和MIE相关系数为0.947 9和0.741 1,而粒径多分散性和粒径跨度与MEC和MIE的相关性较弱,因此在研究铝粉爆炸敏感性时选用D_3,2和D₄₀作为主要的粒径分布表示方式较为合适。