TNT内爆炸准静态压力特性

为研究密闭空间内TNT爆炸准静态压力特性,通过理论分析得到了准静态压力计算模型,以爆炸罐和爆炸舱室为典型密闭空间环境开展了系列TNT内爆炸实验。结果表明,准静态压力的上升伴随着内爆炸冲击波的多次反射,反射结束后准静态压力到达峰值,药量-容积比是准静态压力的主要影响因素,准静态压力峰值及上升速率随着药量-容积比的增加而增加;基于实验数据拟合得到了TNT内爆炸准静态压力峰值经验公式,可用于准静态压力峰值预估及内爆炸威力评估。     

等压假设下考虑化学反应动力学影响的约束爆炸准静态压力的计算

为研究约束爆炸后爆炸产物与约束空间内的氧气发生化学反应对约束爆炸准静态压力的影响,从能量守恒和理想气体状态方程出发,基于爆炸后产物膨胀过程的等压假设模型,建立了约束爆炸准静态压力计算公式,并对TNT炸药爆炸后发生的化学反应与约束空间内准静态压力大小的关系进行分析。计算得到不同药量体积比下,TNT炸药约束爆炸后的准静态压力,计算结果与实验结果符合较好,可应用于其他类型炸药,并为预测约束爆炸后的准静态压力提供理论依据和估算方法。     

泄压空间内爆炸温度载荷的影响规律研究(一)——装药质量

基于自主开发的程序开展了泄压空间内炸药爆炸温度场数值计算,初步探讨了装药质量对泄压空间内爆炸温度载荷的影响规律。研究表明:①爆炸发生后,舱室内部气体被迅速加热升高到准静态温度峰值,且随着药量的增大,准静态温度直线上升速率增大;随着泄压口的持续泄压,舱室内部气体温度缓慢衰减到平稳值,且随着药量的增大,准静态温度直线衰减速率加快。②相较同初始条件密闭空间内爆炸,随着药量的增加,泄压对于温度载荷的降低效果更明显。本文的研究可为进一步探讨考虑后燃烧效应爆炸温度场数值计算及毁伤评估提供参考。     

爆炸产物发生化学反应对药室压力影响的研究

研究了爆炸产物发生化学反应对约束爆炸准静态压力的影响,推导了考虑爆炸产物发生化学反应时,约束空间内准静态压力的计算公式.以TNT炸药发生约束爆炸为例,分析了不同药量体积比下爆炸产物的化学反应动力学过程.编写了计算TNT炸药约束爆炸后准静态压力的程序,将程序计算结果与实验测量结果和ConWep程序计算结果进行对比,验证了计算方法的准确性,证明了爆炸产物发生化学反应对约束爆炸准静态压力有重要的影响.考虑爆炸产物发生化学反应对压力的影响,利用LS-DYNA对TNT炸药在一长方体药室内的爆炸进行了数值模拟,模拟结果表明,考虑爆炸产物发生化学反应时,药室会出现局部塑性应变与应力集中现象,最大塑性应变达到0.8‰.     

考虑约束爆炸后产物发生化学反应的约束空间内准静态温度计算

考虑爆炸产物发生化学反应产生的影响,对约束爆炸后约束空间内准静态温度的计算进行了研究。以能量守恒定律为基础,考虑爆炸产物的化学反应动力学过程,推导得到约束空间准静态温度的计算公式和方法,使用C++语言编写了计算程序,并对TNT炸药约束爆炸的情况进行了计算。计算结果表明,对于约束爆炸,爆炸产物发生的化学反应对约束空间内温度的变化有明显影响,且不同的药量体积比条件下,准静态温度的变化趋势不同。研究结果可为更准确的计算约束爆炸后的准静态温度及其他爆炸参数提供有效的方法。     

密闭空间内爆炸温度场数值计算及其特性研究

采用三阶WENO有限差分格式,耦合求解爆轰产物质量分数输运方程与可压缩欧拉方程,并通过建立内能与热容之间的关系求得瞬态温度,自主开发密闭空间内炸药爆炸温度场三维数值计算程序。基于所开发的程序开展密闭空间内炸药爆炸温度场数值计算,初步探讨内爆炸温度场演化过程及其分布规律。研究表明:密闭空间内爆炸温度载荷在爆炸初期呈现出多峰值特征,在爆炸后期,逐渐趋近于准静态平稳值,且内爆炸温度场分布具有空间上的不均匀性;数值计算准静态温度与理论计算吻合较好,相对误差控制在1%以内,初步验证了所开发程序的可靠性和正确性。本文的研究可为进一步探讨考虑后燃烧效应爆炸温度场数值计算及毁伤评估提供一定的参考和指导。     

一种约束空间内炸药爆炸温度场数值计算方法及应用

为了研究约束舱室内炸药爆炸温度场,采用五阶WENO有限差分格式,耦合求解了爆轰产物质量分数输运方程与可压缩欧拉方程;并通过理论推导建立了热容与气体内能之间的关系式;进而采用牛顿迭代法求得最终温度场,自主开发了约束舱室内炸药爆炸温度场的二维数值计算程序。采用所开发的程序开展了约束舱室内炸药爆炸温度场数值计算,初步探讨了炸药形状及泄压对温度场的影响规律。研究表明:(a)炸药形状对远场测点温度影响较小,对近场温度影响较大,方形炸药在近场区域相比圆形炸药能维持较长时间的高温区;(b)泄压能较大幅度地降低舱室内部的温度载荷强度,相比密闭舱室能够使得最终准静态温度载荷降低54.7%,从而降低毁伤程度。本文的研究可为进一步探讨考虑燃烧效应后爆炸温度场数值计算及毁伤评估提供一定的参考和指导。     

温压炸药爆炸性能实验研究

为研究温压炸药的爆炸特性,将25 g温压炸药在5.8 L的密闭爆炸罐中引爆,测试了真空和空气环境下的爆炸压力和爆炸温度,并通过气相色谱分析了爆炸后的气体产物。实验结果表明,温压炸药在空气环境下的平衡压力和平衡温度明显高于真空环境,并且空气中的氧气参与了炸药中铝粉的氧化反应,说明温压炸药在空气环境下存在后燃效应。     

装药质量对约束空间内爆炸准静态超压载荷的影响规律研究

约束空间内爆炸载荷的深入研究是合理设计抗爆结构的重要依据。为了研究装药质量对约束空间内爆炸准静态超压载荷的影响规律,应用三阶WENO有限差分格式,编写炸药在约束空间内爆炸过程的三维数值计算程序。利用Sod激波管、双爆轰波碰撞等经典算例验证了本文数值程序的可靠性。基于验证的程序开展了带有泄压口的约束空间内爆炸载荷数值计算。采用量纲分析与数据拟合相结合方式给出了准静态超压衰减系数随装药质量的变化关系。在此基础上,提出了描述准静态超压载荷简化计算公式,该公式与数值计算结果吻合较好(超压峰值误差控制在6%以内,准静态泄压误差控制在5%以内)。本文的研究可为工程抗爆结构设计提供一定的参考和指导。     

坑道内爆炸条件下温压炸药的爆炸特性及其影响因素

温压炸药在坑道内爆炸时会产生多种毁伤元,对坑道内人员和设备造成严重威胁。基于不同药量的温压炸药爆炸试验,对坑道内爆炸条件下温压炸药的爆炸特性开展了研究,分析了爆炸热效应演化特征、冲击波传播规律和氧浓度降低情况,讨论了坑道对铝粉后燃的约束作用规律以及形成高烈度后燃效应的药量条件。研究表明：温压炸药火球辐射亮度高于TNT,且其火球温度峰值超过TNT温度峰值的1.3倍。在火球演化过程中,火球在后燃阶段的温度峰值较火球形态刚稳定时提升超过10%。在冲击波传播规律方面,超压峰值与正压时间的TNT当量系数分别约为1.4与1.65。另外,铝粉后燃产生的压缩波对冲击波能够形成多种补充效果,陡峭升压的压缩波能够使冲击波峰值升高,持续时间长但升压速率慢的压缩波能够限制冲击波的衰减,延长整体正压作用时间。受坑道约束作用,温压炸药爆炸火球将与坑道壁面发生相互作用,进而提高铝粉的燃烧烈度。当温压炸药质量立方根与坑道直径的比值大于0.28 kg^1/3/m时,将产生高烈度后燃效应。     

近距离爆炸比例爆距的界定标准及荷载模型

如何准确界定“近距离爆炸（close-in explosion）”一直是防护工程研究领域的热点。本文中基于已被充分验证的精细化有限元模型,研究了TNT球形装药自由场爆炸冲击波传播与爆轰产物高速膨胀共同作用的特点和规律,发现在比例爆距小于0.80 m/kg1/3的范围内,爆轰产物对刚性壁面的爆炸荷载影响显著,提出球形装药近距离爆炸的比例爆距界定标准为0.30～0.80 m/kg1/3。研究发现,在近距离爆炸下,爆炸波在入射角为0°～5°范围内的刚性壁面反射荷载峰值会出现急剧下降的现象,这是由爆轰产物喷射的不均匀性和随机性导致的;近距离爆炸下,刚性壁面反射超压出现了两个峰值的现象,这是由冲击波和爆轰产物分别与刚性壁面相互作用导致的。提出了近距离爆炸情况下两个荷载峰值的计算公式,以及适合工程结构响应计算的简化荷载模型;揭示了近距离爆炸下刚性壁面反射超压的分布规律。     

CO2-超细水雾对CH4/Air初期爆炸特性的影响

为了研究CO₂和超细水雾对9.5%甲烷/空气初期爆炸特性的影响，采用高速纹影系统和定容燃烧弹对9.5%甲烷/空气初期爆炸特性进行了研究。分别改变CO₂稀释体积分数和超细水雾质量浓度，分析在二者单独和共同作用下球形火焰传播过程、火焰传播速度和爆炸超压的变化规律。结果表明:58.3 g/m3超细水雾增强了火焰不稳定性，促进了火焰加速和爆炸超压增加，表明超细水雾不足能产生促爆作用，只有当超细水雾充足时才会抑制甲烷爆炸；CO₂和超细水雾共同作用时能避免因超细水雾带来的促爆现象，可以明显减弱火焰不稳定性，减小火焰传播速度，降低爆炸超压和平均压升速率，以及明显推迟超压峰值来临时间。     

Numerical models for afterburning of TNT detonation products in air

Afterburning occurs when fuel-rich explosive detonation products react with oxygen in the surrounding atmosphere. This energy release can further contribute to the air blast, resulting in a more severe explosion hazard particularly in confined scenarios. The primary objective of this study was to investigate the influence of the products equation of state (EOS) on the prediction of the efficiency of trinitrotoluene (TNT) afterburning and the times of arrival of reverberating shock waves in a closed chamber. A new EOS is proposed, denoted the Afterburning (AB) EOS. This EOS employs the JWL EOS in the high pressure regime, transitioning to a Variable-Gamma (VG) EOS at lower pressures. Simulations of three TNT charges suspended in a $26\,\hbox {m}^3$ explosion chamber were performed. When compared to numerical results using existing methods, it was determined that the Afterburning EOS delays the shock arrival times giving better agreement with the experimental measurements in the early to mid time. In the late time, the Afterburning EOS roughly halved the error between the experimental measurements and results obtained using existing methods. Use of the Afterburning EOS for products with the Variable-Gamma EOS for the surrounding air further significantly improved results, both in the transient solution and the quasi-static pressure. This final combination of EOS and mixture model is recommended for future studies involving afterburning explosives, particularly those in partial and full confinement.     

箱型结构内部爆炸破坏研究进展

结构内部爆炸破坏机理和规律是常规武器毁伤效能预测与评估、建筑物和舰船抗爆防护设计的重要支撑。基于结构内爆炸载荷、内部爆炸作用下结构塑性响应、内部爆炸作用下箱壁结构破坏模式、内部爆炸作用下多箱型结构破坏模式和分布四个方面详细论述了箱型结构内部爆炸破坏的研究现状及存在的问题,并对内部爆炸后续研究给出了建议。建议研究并建立更加复杂的结构内部爆炸载荷和破坏效应描述模型、内部爆炸作用下箱壁的动力响应机理、多箱型结构与内部爆炸波产生的耦合效应、内部爆炸作用下结构的破坏模式和破坏范围的快速准确预测方法等。     

水及盛水容器对近距离爆炸载荷影响的实验研究

为研究用水包围炸药的方式对爆炸载荷的作用机理,在两端开口的钢筒内进行了水直接包覆炸药的爆炸实验,利用光纤位移干涉仪获取了钢筒外壁的径向速度和动态变形。结果表明:不同于无水爆炸,爆轰产物通过水的“裂缝”在空气中形成冲击波,造成该冲击波出现时间更晚、强度更低、持续时间更长,并要求相应的数值模拟采用二维以上的计算模型;盛水结构的材料密度越低、厚度越小对爆炸载荷的影响越小。     

球形爆炸容器内炸药爆炸形成的准静态气体压力

准静态压力是爆炸容器设计的重要参考数据。在球形爆炸容器内开展了爆炸加载实验,压力传感器采用齐平和导孔两种安装方式,均获得了准静态压力数据,且两组数据一致。理论推导了准静态压力的表达式,并通过拟合实测数据得到经验公式。研究结果表明:（1）爆炸冲击波在容器内部往返3次后,容器内气体压力进入准静态;（2）准静态压力与当量容积比近似呈正比例关系,比例系数为1.10 MPa·m3/kg TNT。     

多相燃料空气炸药爆炸压力场研究

采用高速运动分析系统对固态燃料FAE（Fuel Air Explosive）分散、爆轰过程进行光学测量,用压电传感器等组成的压力测试系统对FAE爆炸压力场进行测量,对固态燃料FAE燃料分散、爆轰波及冲击波进行了研究。分析了气-固-液多相爆轰的特征和压力波形的特点,研究了其冲击波峰值超压及比冲量随传播距离变化的规律。在云雾区内,多相爆轰波压力波形具有多峰结构,爆炸波峰值超压及冲量为一恒定值;爆轰区外,爆轰波转变成爆炸冲击波,峰值压力和比冲量迅速衰减,得到了峰值超压、比冲量随传播距离的变化规律。