2021-08期封面

铝粉反应模型是对悬浮铝粉尘气-固两相爆轰进行数值模拟研究的关键。通过考虑铝粉燃烧产物氧化铝（Al₂O₃）在高温下的分解吸热反应,改进了铝粉的扩散燃烧模型。将该模型嵌入到三维的气-固两相爆轰数值计算程序中,分别对铝粉/空气混合物以及铝粉/氧气混合物的爆轰进行了数值模拟,计算得到的稳定爆轰波速度与实验结果、文献值均吻合较好,误差小于5.5%,表明改进的铝粉反应模型适用于不同氧化气体氛围中铝粉尘爆轰的模拟计算。此外,对两相爆轰参数及爆轰流场的物理量分布进行分析,获得了铝粉反应模型对爆轰波结构的影响规律。     

铝粉/空气二维黏性两相爆轰的数值模拟

为了深入研究爆轰波形成和传播的机理与特性,建立了管内铝粉/空气二维黏性两相爆轰过程的数学模型,采用守恒元与求解元方法进行数值计算,并对其物理参数的分布进行了分析。结果表明:管内燃烧转爆轰的初期,压力沿径向变化明显,与壁面碰撞有明显的反射波;燃烧转爆轰的中后期,压力沿轴向变化明显,但径向效应仍不能忽视,碰撞形成的反射波对最终稳定爆轰波的形成影响较大。研究结果同时表明:不仅铝粉颗粒初始半径对爆轰波的形成与传播有一定的影响;而且气体的黏性作用在研究爆轰管内近壁面处流场时不容忽视。研究结果有利于进一步揭示铝粉燃烧转爆轰的机理。     

铝粉/氢气/空气混合爆轰现象试验研究

混合爆轰现象既包含气相反应又包含两相反应,具有复杂性和多样性.爆轰推进技术在新领域的突破性应用与发展,依赖对爆轰现象的深刻认识.文章采用卧式爆轰管开展铝粉/氢气/空气混合爆轰试验,将μm和nm量级的球形铝粉与当量比的氢气和空气通过扬尘充分混合,在长13 m和直径224 mm的管内直接起爆混合物.试验中观测到不同种类的混合爆轰波,包括双波面和单波面结构.通过对爆轰燃气中铝粉点火燃烧特性的分析,阐明了两相反应对铝粉/氢气/空气混合爆轰波结构的直接影响.粒径100 nm和1μm时,混合爆轰呈现单波面结构,对比气相爆轰爆速和压力峰值都有增加,铝粉点火释热开始于声速面之前.粒径20μm和40μm铝粉点火较慢,混合爆轰呈现出双波面结构,气相反应释热支持第一道波,而铝粉燃烧支持第二道波.粒径10μm时,测得爆轰波压力曲线是单波峰,峰值压力有大幅提高,但是爆速并没有增加.其本质是两波面距离很近的双波面结构,由于传感器空间辨识能力的不足而无法在压力曲线中区分.混合爆轰试验结果充分解释了铝粉/氢气/空气混合爆轰现象,反映了铝粉在复杂条件下的燃烧特性,并且明确了铝粉的点火燃烧特性对混合爆轰现象的影响机理.     

大型水平爆轰管中悬浮铝粉爆炸过程的实验研究

铝粉的燃烧与爆轰性能是粉尘爆炸领域研究的热点.利用长29.6m,内径199mm,配有40套喷粉扬尘系统的水平爆轰管,在40J电火花点火条件下,实现了悬浮铝粉-空气混和物火焰加速、爆燃、爆轰及其转捩过程,测得了爆炸波传播过程中的压力信号,并且观察到了爆轰波的稳定传播现象.实验结果表明,当铝粉浓度为300 g/m3时,在距离点火端10.15m(长径比L/D=51)处发生了DDT,测得的爆轰波传播过程中管内的最大爆速为1840m/s,最大峰值超压为10.5MPa.铝粉尘爆炸波在爆轰管内的传播过程可分为爆燃段、爆燃转爆轰(DDT)、爆轰增强以及稳态爆轰四个阶段.     

铝粉－空气混合物燃烧转爆轰（DDT）过程的实验研

在水平粉尘爆轰管上分别对２ｍ、５ｍ和１３ｍ三种粒径的铝粉－空气混合物进行了弱点火条件下燃烧转爆轰的实验研究。实验分别考察了粉尘浓度、颗粒尺度及扬尘方法等因素对爆轰特性（如爆轰速度、最大压力等）的影响。结果表明，２ｍ球形铝粉最大爆轰压力达７．８ＭＰａ、稳态爆速达１．９５ｋｍ／ｓ；５ｍ铝粉亦有爆轰特征，但状态较弱；１３ｍ的铝粉达不到爆轰。混合物的浓度对爆轰参数有影响，并存在最优浓度，在此浓度下，爆轰参数取得最大值，而且最优浓度的值随粉尘颗粒直径增加而增大。扬尘方法对爆轰特性有影响，预混粉尘与激波卷扬粉尘对比实验表明，其压力与速度的典型差别分别高达３００％与７４％。     

铝粉－空气混合物燃烧转爆轰（DDT）过程的实验研究

在水平粉尘爆轰管上分别对２μｍ、５μｍ和１３μｍ三种粒径的铝粉－空气混合物进行了弱点火条件下燃烧转爆轰的实验研究。实验分别考察了粉尘浓度、颗粒尺度及扬尘方法等因素对爆轰特性（如爆轰速度、最大压力等）的影响。结果表明，２μｍ球形铝粉最大爆轰压力达７．８ＭＰａ、稳态爆速达１．９５ｋｍ／ｓ；５μｍ铝粉亦有爆轰特征，但状态较弱；１３μｍ的铝粉达不到爆轰。混合物的浓度对爆轰参数有影响，并存在最优浓度，在此浓度下，爆轰参数取得最大值，而且最优浓度的值随粉尘颗粒直径增加而增大。扬尘方法对爆轰特性有影响，预混粉尘与激波卷扬粉尘对比实验表明，其压力与速度的典型差别分别高达３００％与７４％。     

乙醚云雾场燃爆参数实验研究

基于自行研发的20 L二次脉冲气动喷雾多相爆炸测试系统和全散射粒径测量系统,对乙醚液体燃料瞬态雾化云雾场的燃爆参数进行实验研究。通过调节气动压力、设计喷雾剂量,得到了粒径相同、质量浓度不同的乙醚云雾燃爆超压、温度及点火延迟时间等燃爆参数。结果表明,在索特平均直径为22.90 μm的条件下:乙醚云雾与空气混合物的燃爆下限为80.26 g/m3,燃爆上限为417.34 g/m3;最大超压峰值为0.78 MPa,其出现在云雾质量浓度为278.23 g/m3时;最大爆温峰值为1 260 ℃,其出现在云雾质量浓度为228.29 g/m3时;点火延迟时间在燃爆极限范围内呈U型分布。     

KH2PO4/SiO2复合粉体抑制铝粉爆燃效果及机理分析

为研究KH₂PO₄/SiO₂复合粉体抑爆剂对铝粉爆燃的抑制作用,采用球磨机将KH₂PO₄和SiO₂混合研磨制备出新型的KH₂PO₄/SiO₂复合粉体抑爆剂。在哈特曼管实验装置上,开展爆燃火焰传播抑制实验,结果表明:随着KH₂PO₄/SiO₂复合粉体抑爆剂含量的增加,爆燃火焰传播长度和速度逐渐减小,当添加质量比10∶6的KH₂PO₄/SiO₂复合粉体抑爆剂时,可实现铝粉爆燃火焰传播的抑制。在20 L球形爆炸装置上,开展复合粉体抑爆剂抑制铝粉爆炸压力测试实验,结果表明:随着KH₂PO₄/SiO₂复合粉体抑爆剂含量的增加,铝粉爆炸最大爆炸压力p_max和最大爆炸压力上升速率(dp/dt)_max逐渐减小,当添加质量比10∶9的KH₂PO₄/SiO₂复合粉体抑爆剂时,可实现铝粉爆燃的完全抑制。通过KH₂PO₄粉体、SiO₂粉体与复合粉体抑爆剂对比可知,复合粉体抑爆剂对铝粉火焰传播和爆炸压力的抑制效果都优于单体粉体抑爆剂。通过对铝粉在空气中燃烧的热分析研究,从化学和物理两个方面分析了KH₂PO₄/SiO₂复合粉体抑爆剂对铝粉爆燃的抑制机理。     

无约束条件下甲烷/空气预混气体燃爆特性研究

为研究无约束条件下甲烷(CH₄)/空气(air)预混气体的燃爆特性,以乳胶气球为反应容器开展了甲烷爆炸实验,结合Chemkin模拟和改进的比色测温技术,研究了不同当量比下甲烷/空气预混气体的火焰传播速度、爆炸超压及温度场分布等特征以及静置时间对预混气体燃爆特性的影响。实验结果表明：甲烷/空气预混气体的爆炸火焰传播速度呈振荡分布,当量比为0.83、1.06、1.30和1.55时的平均火焰传播速度分别为1.554m·s^-1、2.122m·s^-1、1.892m·s^-1和1.428m·s^-1;峰值超压随当量比的增加呈先增大后减小的趋势,当量比为1.06时基元反应CH₃·+O₂?O·+CH₃O·的敏感性系数最大,从而加速了生成二氧化碳(CO₂)的链反应,使得燃烧化学反应最彻底,峰值超压值最大;静置时间对火焰传播速度和爆炸峰值压力影响显著,最佳静置时间为6min;随着当量比的增大,爆炸火焰的平均温度呈现...     

模型复合推进剂燃烧转爆轰研究

本文较详细地研究了模型推进剂(AP/wax,AP/A1/wax,AP/RDX/A1/wax)由燃烧转爆轰(DDT)的过程。分析了装药密度和铝粉含量对装药DDT的影响。结果表明:模型推进剂当其配比接近零氧平衡时较易产生DDT;含与不含铝粉的AP/粘合剂系复合推进剂药柱以及硝胺含量为20％的AP/硝胺炸药/A1粘合剂系复合推进剂药柱都不可能产生DDT。     

气相爆轰物理的若干研究进展

爆轰现象的研究已经有一百多年的历史了,爆轰物理的研究取得了许多重要进展.本文从爆轰波的经典理论、胞格爆轰波的多波结构、气相爆轰波形成机理、气相爆轰波传播机制等方面综述了相关的若干研究进展,评述了这些进展的科学性与局限性,并探讨了将来可能的研究方向.这些研究进展主要包括:CJ(Chapman-Jouguet)理论和ZND(Zel'dovich,von Neumann,D?ring)模型、爆轰波多波结构、爆轰胞格特征、直接起爆和爆燃转爆轰过程、热点起爆机制、爆轰波稳定性、扰动爆轰波的传播等.爆轰波是以超声速传播的自持燃烧现象,涉及了激波相互作用、燃烧化学反应、湍流扩散和流动不稳定性等复杂的气动物理过程,相关研究具有重要的学科理论意义.另外,爆轰燃烧具有高效的热化学能释放特点,在先进的热力推进技术方面有着重要的应用背景,因此相关研究也具有重要的工程应用价值.      

快速热点火熔奥梯铝炸药燃烧转爆轰实验研究

以熔铸型含铝混合炸药熔奥梯铝为对象,研究铸装含铝混合炸药快速热点火后的燃烧转爆轰特性。建立了快速热点火燃烧转爆轰实验平台,由实验装置(加热装置、约束钢管、炸药)、压力测试系统、光纤测速系统组成;加热装置加热15 mm厚45钢钢板,峰值温度大于1 100℃,温升速率为85～95℃/s。开展了快速热点火带壳熔奥梯铝炸药燃烧转爆轰实验,由加热装置加热约束钢管内熔奥梯铝炸药,炸药化学反应阵面压力和传播速度分别由压电性高压压力传感器和光纤探针测定;实测阵面压力约1 GPa,传播速度最大约2 600 m/s。由光纤数据获得炸药化学反应阵面传播轨迹,通过特征线方法获得冲击形成点,半定量给出冲击形成距离大于850 mm;并比较了管体破片质量实测值与炸药完全爆轰时破片平均质量计算值,实测值远小于计算值。综合实测化学反应阵面传播速度和压力、冲击形成距离分析、破片质量比较,可确定熔奥梯铝炸药没有发生完全爆轰,其化学反应状态为爆燃。另外,采用Adams和Pack模型、CJ燃烧模型,都能够半定量的预估冲击形成距离和燃烧波后压力,为实验设计提供依据,但CJ燃烧模型的计算结果更接近于实测值。     

A study on jet initiation of detonation using multiple tubes

A detonator consisting of a dense bundle of small-diameter tubes (4.4–19 mm) is tested experimentally using stoichiometric mixtures of hydrogen–oxygen and hydrogen–air. Tests are conducted in a 5,200-mm long detonation tube fitted with a schlieren photograph section and smoked foil to record the deflagration to detonation (DDT) transition. It is confirmed that the flame jet emanating from the tube assembly causes detonation initiation immediately downstream of the detonator, with little dependence on the size of the detonation tube. For the fuel–air mixture, the insertion of Shchelkin spirals into each of the smaller tubes enhances the development of the turbulent flame jet, leading to a shorter DDT distance. Multi-point spark ignition is also shown to provide a further reduction in the DDT distance compared to single-point ignition. PACS 47.40.-x; 47.40.Nm; 47.70.Fw; 82.40.-g; 82.40.Fp     

氢燃料缓燃向爆震转捩过程中波与火焰的匹配特性

为了解氢燃料爆震过程中压力波与火焰之间相互匹配的特性,在60mm60mm2000mm 方 爆震管内,用氢气和空气混合物进行了单爆震性能研究。在爆震转捩区内布置压力传感器与离子探针,用来 监控压力波和火焰的信号,同时利用高速摄影仪集中拍摄转捩区域。根据压力波和火焰面在爆震管不同时刻 的强度特性、速度特性及位置特性来分析爆震过程中波与火焰匹配的规律。结果表明:压力波和火焰的强度 呈现为相互正反馈匹配性质;缓燃向爆震转捩(DDT)过程中,压力波和火焰的速度表现为相互交替的变化过 程,且缓燃阶段中火焰速度的增幅大于压力波速度的增幅;当火焰面追赶上激波时,产生过爆,火焰面会临时 位于激波前面;在过爆衰减为正常爆震波的过程中,激波在火焰前面。     

粉尘火焰加速现象的实验研究

粉尘火焰的发生、加速及由爆燃向爆轰转捩的机理是个至今尚未弄清的问题。需要解决的技术关键之一是在实验室实现弱点火条件下的粉尘火焰加速直至达到爆轰状态。着手发展了一种球形喷粉扬尘装置，令产生的扬尘湍流在水平实验管中形成空间均匀分布和维持秒级悬浮的粉尘云状态。采用以上扬尘装置的水平实验管，在６ｇ黑火药的六点平面点火条件下获得了微细铝粉火焰经５ｍ长的传播过程加速至１０００ｍ／ｓ的实验结果。给出了扬尘湍流强度、粉尘粒度与浓度、点火能量及方式等因素对粉尘火焰加速过程中所起作用，及变截面效应（由小变大）对粉尘火焰减速的影响。     

DDT and detonation waves in dust-air mixtures

This paper summarizes the studies of DDT and stable detonation waves in dust-air mixtures at the Stosswellenlabor of RWTH Aachen. The DDT process and propagation mechanism for stable heterogeneous dust detonations in air are essentially the same as in the oxygen environment studied previously. The dust DDT process in tubes is composed of a reaction compression stage followed by a reaction shock stage as the pre-detonation process. The transverse waves that couple the shock wave and the chemical energy release are responsible for the propagation of a stable dust-air detonation. However, the transverse wave spacing of dust-air mixtures is much larger. Therefore, DDT and propagation of a stable detonation in most industrial and agricultural, combustible dust-air mixtures require a tube that has a large diameter between 0.1 m and 1 m and a sufficient length-diameter ratio beyond 100, when an appropriately strong initiation energy is used. Two dust detonation tubes, 0.14 m and 0.3 m in diameter, were used for observation of the above-mentioned results in cornstarch, anthraquinone and aluminum dust suspended in air. Smoked-foil technique was also used to measure the cellular structure of dust detonations in the 0.3 m detonation tube. Received 11 February 2000 / Accepted 1 August 2000     

气相爆轰胞格结构和马赫反射数值模拟

采用简化二阶段化学反应模型和改进的高精度时空守恒方法 (CE/SE)对二维可燃气体DDT过程和爆轰波在楔面上的马赫反射进行了数值模拟 ,计算和实验结果的比较令人满意。     

圆球诱发斜爆轰波的数值研究

斜爆轰发动机是飞行器在高马赫数飞行条件下的一种新型发动机,具有结构简单、成本低和比冲高等优点.但是斜爆轰发动机的来流马赫数范围广,来流条件复杂,为实现斜爆轰波的迅速、可靠引发,采用钝头体来诱发.利用Euler方程和氢氧基元反应模型,对超声速氢气/空气混合气体中圆球诱导的斜爆轰流场进行了数值研究.不同于楔面诱发的斜爆轰波,球体首先会在驻点附近诱发正激波/爆轰波,然后在稀疏波作用下发展为斜激波/爆轰波.模拟结果显示,经过钝头体压缩的预混气体达到自燃温度后,会出现两种流场:当马赫数较低时,由于稀疏波的影响,燃烧熄灭,钝头体下游不会出现燃烧情况;而当马赫数较高时,燃烧阵面能传到下游.分析表明,当钝头体的尺度较小时,驻点附近的能量不足以诱发爆轰波,只会形成明显的燃烧带与激波非耦合结构;当钝头体的尺度较大时,流场中不会出现燃烧带与激波的非耦合现象,且这一特征与马赫数无关.通过调整球体直径,获得了激波和燃烧带部分耦合的燃烧流场结构,这一流场结构在楔面诱发的斜爆轰波中并不存在,说明稀疏波与爆轰波面的相互作用是决定圆球诱发斜爆轰波的关键.