球型密闭容器中铝粉爆炸机理的研究

对中心点火球型密闭容器中的铝粉爆炸进行了实验和理论两方面的研究。实验采用２０立升的球。除测量压力外，还通过系踪平均法测试了流场的湍流强度，并利用电子显微镜和Ｘ光衍射仪分析了铝粉及其燃烧后残渣的形状和组分。文中对２０立升和５０立升球型容器中铝粉燃烧的全过程进行了数值模拟。对于可测量的量如压力和压力上升速率，计算结果与实验结果基本相符。基于反应区外质点的熵几乎不变这一事实，对计算获得的参数剖面还进行了理论分析。     

球形封闭容器内一个简单的煤粉燃烧爆炸模型

在分析了大量球形封闭容器内煤粉燃烧爆炸实验数据基础上，考虑了煤粉燃烧爆炸机理所涉及的湍流燃烧、相变、各种化学反应动力学过程等复杂因素，并且对球形封闭容器内由于煤粉混合不均匀造成的燃烧不充分给予了考虑，得到了球形封闭容器内煤粉燃烧爆炸特征的数值计算结果，计算的压力－时间曲线与实验结果符合较好。     

炸药裂缝燃烧增压过程的一维理论

为了深入理解炸药裂缝燃烧演化过程中的压力增长行为，提升对事故点火下武器装药向高烈度反应转变机制的认识水平，基于炸药预置裂缝燃烧演化压力历程分析，对某HMX基PBX炸药裂缝燃烧的增压过程开展了理论计算。采用气体动力学相关理论建立了简化的炸药燃烧产物流动模型，基于一维等熵流动假设预测了不考虑黏性和摩擦阻力情况下炸药预置裂缝的燃烧压力增长过程，计算结果显示压力增长阶段与实验结果定性符合，为理解炸药裂缝燃烧的增压行为提供了一种理论解释。     

微细球形铝粉爆炸特性的实验研究

从工业安全角度出发,在三种不同实验装置上对五种粒度(直径由3～30m)的球形铝粉的爆炸特性进行了全面、系统的实验研究。研究结果主要给出了铝粉在封闭容器的爆炸过程中,其粉末浓度、粒度、含氧量和初始扬尘湍度强度对爆炸后的最大压力升值、最大能量释放率和最低极限着火粉尘浓度的影响。结果表明:铝粉粒度和含氧量是对铝粉爆炸参数有最主要影响的两个因素。     

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。     

封闭容器内部短路燃弧爆炸压力效应计算

中压开关设备内部短路燃弧爆炸对设备、建筑物以及工作人员的安全带来了严重威胁。为提出合适的数值计算方法对短路爆炸引起的压力效应进行计算,对开关设备内部短路燃弧的能量平衡机制进行了分析;通过分析燃弧过程的热-力效应,提出了基于CFD法的间接耦合分析方法,并开展了实际封闭容器内部短路燃弧实验验证了算法的可行性。研究结果表明:实验测量与模拟计算获得的平均压强仅相差2%左右;电弧尺寸对压力升的影响较小;封闭容器内部压力升随电弧能量的增大近似线性增大;安装负压室后燃弧室的压强可降低60%左右,因此,增设负压室可有效抑制开关设备内部短路爆炸引起的压力升。     

障碍物对铝粉火焰加速作用的实验研究

在沿火焰传播的通道上重复设置障碍物对粉尘火焰有明显加速作用，这种加速作用的机理可归功于障碍物诱导的湍流区对燃烧过程的正反馈。在封闭容器中，铝粉－空气混合物燃烧达到的最大压力ｐ＿（ｍａｘ）与障碍物的存在关系不大，而最大压力上升率（ｄｐ／ｄｔ）＿（ｍａｘ）与障碍物的存在有关。因为ｐ＿（ｍａｘ）取决于容器内的总能量，（ｄｐ／ｄｔ）＿（ｍａｘ）则取决于燃烧过程，即能量释放率。     

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％。     

气/固/液三相混合物燃烧转爆轰过程实验研究

利用多相燃烧爆炸实验系统,通过高压喷粉/喷雾以及高能点火等过程,对化学当量比条件下3种 典型燃料空气炸药,即硝基甲烷/铝粉/空气、硝酸异丙酯/铝粉/空气、乙醚/铝粉/空气三相混合物的燃烧转爆 轰过程进行了实验研究,同时根据实验结果对比了3种三相混合物的燃爆性能。得到了三相悬浮混合物燃烧 转爆轰过程的宏观规律以及三相混合物燃爆性能随质量浓度变化的规律。     

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.     

泄爆过程中二次爆炸的动力学机理研究

在容积为0.00814m3的柱形泄爆容器中，对泄爆现象进行实验研究. 容器内充满当量比为1的甲烷-空气预混气，采用底端中心点火，泄爆压力为230±15kPa. 基于k-ε湍流模型和EBU燃烧模型，利用同位网格的SIMPLE算法，对该现象进行了数值模拟. 实验和计算获得的外轴线上4个测压点的压力曲线和外流场的阴影和数值照片，形象地描述了高压泄爆时外部流场的变化. 数值结果与实验结果基本一致. 根据实验和数值结果，详细地讨论了泄爆过程中二次爆炸产生的动力学机理. 泄爆的初始阶段，在破膜激波的引导下，泄出的未燃气体因欠膨胀在外流场形成稀疏波低压区和悬激波高压区. 高压区可燃气体密度和温度上升，成为高密度的预热区域. 随后，火焰以射流形式从泄爆口泄出，点燃可燃气云. 受湍流等因素的影响，特别在高密度的预热区域，燃烧速率可能迅速增大，从而导致二次爆炸.     

高炉喷吹用烟煤煤粉爆炸特性的实验研究

从工业安全角度出发 ,在四种不同形状与体积的封闭容器、三种开口燃烧管中 ,对高炉喷吹用烟煤的燃烧爆炸特性和传播特性进行了全面、系统的实验研究。详尽地给出了煤粉浓度、粒度及气体介质中含氧量、扬尘湍流强度和初始点火能量对爆炸后最大压力升值、最大爆炸压力上升率、以及最大等效燃烧速度和爆炸火焰传播最小熄火间距的影响。用最大等效燃烧速度来表征的爆炸强度数值已不再依赖于实验容器。     

无约束气云爆燃压力场的计算

利用球形流体力学方程和燃烧反应模型导出了无约束气云弱点火爆燃过程的压力分布场 ,编制了求解压力场的计算程序 ,可计算不同尺寸气云爆炸时各点的爆炸压力值。进行了可燃气云爆燃实验 ,对计算结果进行了考核。与实验结果相比 ,计算结果的偏差小于2 0 %。     

铝粉湍流火焰诱导激波现象的实验研究

粉尘湍流火焰诱导激波问题是工业灾害研究中的重要课题．本文在自行设计的大型卧式燃烧管内，对铝粉火焰诱导激波现象进行了实验研究，测试了湍流火焰阵面前压缩波到激波的转捩过程，并将实验结果与数值模拟结果进行了比较．     

方形管内楔形障碍物对火焰结构与传播的影响

通过实验与数值模拟方法对CH4/空气预混火焰在有楔形障碍物的卧式燃烧方管内的传播进行了研究。采用多镜头Cranz Schardin高速摄像机和压力传感器等实验设备获得了高清晰度的障碍物诱导火焰失稳的分幅时序照片以及障碍物背风表面压力变化曲线。数值模拟则基于RANS方法与EDU-Arrhenius燃烧模型,计算结果与实验结果基本相符,反映了火焰在管内传播与变形的详细过程。通过综合分析实验与计算结果,得到了由楔形障碍物导致的火焰加速与变形的内在机理,揭示了火焰传播过程中由层流燃烧向湍流燃烧转捩的本质。     

基于非平衡多相模型的含铝炸药爆速研究

通过对爆轰反应区中铝粉压力、温度弛豫时间的计算,发现爆轰产物压力是平衡的,温度是不平衡 的。对传统CJ模型进行了改进,考虑爆轰产物的多相性和产物温度间的非平衡性,提出了一种新的计算含 铝炸药爆速的模型。采用该模型对几种含铝炸药的爆速进行了计算,并与已有的实验数据进行了对比,计算 结果优于传统CJ模型,与实验的误差在2%以内。     

球形容器内甲烷-空气爆炸特性分析与理论计算

为研究甲烷-空气混合物在密闭球形容器内的爆炸特性,首先利用化学平衡计算软件确定合适的燃烧产物与化学平衡温度,估算甲烷-空气混合物的最大爆炸压力。然后基于火焰增长模型,用MATLAB编辑循环语句程序,计算了甲烷-空气混合气体爆炸的压力时程曲线,通过与实验数据对比,验证了化学平衡软件计算方法与火焰增长模型的可行性,并分析了误差的产生原因。进而利用火焰增长模型推出的经验公式计算爆燃指数,发现在当量比附近与实验结果拟合程度较好。     

高压泄爆导致的二次爆炸

基于计算结果和相关实验结果，通过理论分析，对高压泄爆导致的二次爆炸机理进行了系统的阐述。泄爆后，泄出的高压可燃气体在泄爆口附近形成可燃云团，由于欠膨胀，云团内存在稀疏波低压区和Mach干高压区。火焰射流泄出后，在一定条件下，可使Mach干高压区内的可燃云团爆炸式燃烧，压力迅速上升，以致产生二次爆炸。