C2H4-O2混合气体直接起爆的临界能量

主要基于化学动力学和Ng模型,对C2H4-O2混合气体的爆轰胞格尺寸进行预测;结合Lee表面积能量模型,预测物质在不同初始压力和化学当量比的条件下,直接起爆引起球面爆轰的临界起爆能量。直接起爆实验主要采用高压电点火提供起爆能量,起爆能量通过放电过程中电流的输出信号确定。结果表明,理论预测与实验值较吻合。首先,通过化学动力学计算得出ZND模型的爆轰参数,利用Ng模型得出爆轰胞格尺寸与ZND诱导区长度之间的比例因数A在不同初始压力与当量比的条件下分别为:A=43.815(1+p1/p0)-0.123 71和A=8.531exp(φ/3.135)+28.644,在此基础上对爆轰胞格尺寸进行定量预测。胞格尺寸的理论预测与实验结果吻合。其次,把爆轰胞格尺寸作为中间特征参数并结合Lee的表面积能量模型,提出可以预测临界起爆能量的定量模型,并得出C2H4-O2混合气体直接起爆的临界起爆能量与初始压力和化学当量比的参量拟合关系分别为Ec=0.332(p1/p0)-2.017和Ec=exp[3.951(φ-1.401)2-1.9]。     

当量比对汽油燃料两相旋转爆轰发动机工作特性影响实验研究

为了研究当量比对汽油燃料两相旋转爆轰发动机工作特性的影响,开展了以高总温空气为氧化剂的气液两相旋转爆轰实验研究。旋转爆轰发动机环形燃烧室外径、内径和长度分别为202、166和155 mm。汽油和高温空气采用高压雾化喷嘴与环缝对撞喷注的方式混合,以此提高推进剂的掺混效果与活性,采用预爆轰管作为点火装置。实验通过改变汽油质量流量改变推进剂当量比,并基于燃烧室内测得的高频动态压力和平均静压,对气液两相旋转爆轰波的传播模态和传播特性以及发动机的工作特性进行了详细分析。实验结果表明:在当量比为0.79～1.25时,燃烧室内均实现了旋转爆轰波的连续自持传播,且随着当量比的增加,爆轰波传播模态从双波对撞/单波的混合模态转变为单波模态;降低当量比至0.61～0.66,爆轰波传播稳定性变差,传播模态表现为间断爆轰以及零星爆轰;进一步降低当量比至0.53,爆轰波起爆失败。此外,燃烧室平均绝对压力与爆轰波平均传播频率均随着当量比的增加呈先增大后减小的趋势,极大值出现在当量比1.19附近。在此工况下获得了最佳实验结果,旋转爆轰波的平均传播频率为1 900.9 Hz,平均传播速度为1 110.8 m/s,与高频压力信号经快速傅里叶变换得到的主频基本一致,爆轰波传播速度存在严重亏损。     

PETN、RDX和HMX炸药爆轰参数的数值模拟

用吉布斯自由能最小原理,通过解化学平衡方程组,求解PETN、RDX和HMX炸药爆轰产物系统的平衡组分,计算结果与用BKW和LJD方法计算的结果相近。用自编的程序从碳的石墨相、金刚石相、类石墨液相和类金刚石液相4种相态中确定出炸药爆轰产物中游离碳更可能存在的相态,并用此相态计算碳的吉布斯自由能。以WCA状态方程作为爆轰气相产物的物态方程,对PETN、RDX和HMX炸药爆轰参数作了预言,爆轰CJ点的爆速、爆压和爆温的计算结果与实验值吻合得很好。     

液态燃料对连续旋转爆轰发动机爆轰特性的影响

为了研究液态燃料对连续旋转爆轰发动机爆轰特性的影响,采用CE/SE方法对以汽油/富氧空气为燃料的CRDE进行数值模拟,分析了不同液滴半径、当量比对爆轰性能参数的影响。计算结果表明:随着液滴半径增大,爆轰压力峰值、温度峰值以及爆轰波速度均降低,且压力峰值与温度峰值在爆轰波传播过程中出现不稳定现象;当增大到70 μm时,爆轰波将无法成功起爆。随着当量比的增大,CRDE爆轰波速度及平均推力增大,爆轰压力、温度以及气相周向速度的峰值均先增大后减小。在当量比1.1附近,爆轰压力与温度的峰值出现极大值;而气相周向速度峰值的极大值出现在当量比0.9附近。基于燃料的比冲随着当量比增大而减小。     

斜爆轰发动机的推力性能理论分析

爆轰燃烧具有释热快、循环热效率高的特点. 斜爆轰发动机利用斜爆轰波进行燃烧组织, 在高超声速吸气式推进系统中具有重要地位. 以往研究主要关注斜爆轰波的起爆、驻定以及波系结构等, 缺少从整体层面出发对斜爆轰发动机开展推力性能分析. 本文将斜爆轰发动机内的流动和燃烧过程分解成进气压缩、燃料掺混、燃烧释热和排气膨胀4个基本模块并分别进行理论求解, 建立了斜爆轰发动机推力性能的理论分析模型. 在斜爆轰波系研究成果的基础上, 选取了过驱动斜爆轰、Chapman?Jouguet斜爆轰、过驱动正爆轰和斜激波诱导等容燃烧等4种燃烧模式来描述燃烧室内的燃烧释热过程, 并对比分析了不同燃烧模式对发动机比冲性能的影响. 此外, 还获得了不同来流参数、燃烧室参数和进排气参数等对发动机推力的影响规律, 发现来流马赫数和尾喷管的膨胀面积比是发动机理论燃料比冲的主要影响因素. 最后, 结合以往关于受限空间内斜爆轰波驻定特性等方面的研究成果, 提出了斜爆轰发动机燃烧室的设计方向.      

天然石墨的组成和结构研究

本工作是中国国产天然石墨应用系列研究之一,研究对象是不同牌号的商品石墨样品,利用X-射线衍射(XRD)和差热分析(DTA)等手段对其组成和结构进行了详细的研究。XRD分析表明,天然石墨中含有石墨碳(一种类石墨),其它除六方石墨外,还有适量的菱方石墨。XRD分析还很好地解释了某些高碳石墨样品之DTA曲线的双峰现象——石墨样品中碳素组成和结构不同致使氧化峰值温度不同。分析测试发现,石墨碳的氧化峰值温度比石墨的高约100℃,而且氧化峰值温度是随粒度的增大而提高。本文还通过多个样品的结构测定,归纳出一般石墨样品针对不同分析目的和层次所需采用的XRD分析方法。     

爆轰法合成纳米氧化铝的实验研究

以硝酸铝为原料，混入泰安粉维持稳定爆轰，进行了爆轰合成纳米氧化铝的实验研究。经过对实验样品进行高分辨率透射电镜、X射线衍射、热分析和比表面积测定，证实爆轰中产生的氧化铝为纳米尺度球型粉末，其粒度主要分布在10～50 nm之间,平均粒度约为25 nm，晶型为中温的-Al2O3。从对实验结果的讨论说明，该纳米氧化铝是在爆轰反应区内以离子或分子态直接凝聚而成的，由于凝聚与生长过程在微秒量级内完成，故其颗粒生长没有择优取向，呈完整的球型。     

爆轰波拐角传播三维数值模拟

为了研究爆轰波在拐角中的传播特性以及拐角爆轰低压流场现象,用LSDYNA 3D程序对三种常见的拐角装药的爆轰波传播特性进行了数值模拟,清晰显示了爆轰波因拐角处爆轰波传播面积的变化而产生的衰减 增长过程,讨论了侧向三通中爆速的变化情况,并得到了拐角处低压爆轰区的尺寸。     

一类爆轰合成用乳化炸药的爆轰反应特征

结合热分解特性、爆轰产物状态及数值计算探讨所制备的含Fe、Mn(Zn)元素乳化炸药的爆轰反 应特征。对该系列乳化炸药及其爆轰产物分别进行DSC和DTG实验、XRD检测和TEM 表征,通过比较不 同类型炸药及其爆轰产物的热分解特征、爆轰产物的成分和形貌、晶型畸变度等研究该类炸药爆轰反应特征; 并通过数值计算研究和佐证了不同温度和压强状态下,爆轰固体产物可能存在状态。结果表明:硝酸铵有利 于炸药爆轰时形成相对比较均匀和平稳的爆轰反应结构,而这种结构有利于可重复性合成比较单一和均匀 的爆轰产物。高密度炸药的爆轰产物比低密度炸药的相对纯净。低密度炸药不完全爆轰,导致了爆轰产物杂 质较多;数值计算结果表明,爆轰固体产物分布相图可以辅助分析爆轰固体产物可能存在状态及Mn(Zn)的 爆轰合成机制。     

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.     

石化装置工业尺度管道爆轰传播实验研究

针对石化装置罐区大口径、长距离管道内火焰传播缺乏系统研究的问题,设计搭建了DN50～DN500工业尺度管道火焰传播实验装置,并开展了丙烷/空气、乙烯/空气等可燃气体在不同管径下的实验研究。实验结果表明:可燃气体积分数对火焰传播及爆轰有一定影响,当接近化学计量浓度时,爆轰加速距离更短,更易形成稳态爆轰,而当可燃气混合气为贫燃或富燃状况时,爆轰加速距离则会增长;火焰爆轰传播速度、爆轰压力与管道管径基本无关,受可燃气种类影响更大;对应体积分数为6.6%的乙烯/空气和体积分数为4.2%的丙烷/空气混合气体,爆轰压力分别是初始压力的15.17和14.47倍,DN150以下管径内的爆轰压力远高于ISO16852标准给出的参考值。罐区连通管道阻火器选型安装时,应结合安装位置选用合适的阻火器。     

气相爆轰波近失效状态的传播模式

选用五种碳氢混合气体,采用高压电火花起爆的方法,利用光纤探针测量爆轰波在管道内的传播速度,研究临近失效状态时爆轰波在管道内的传播模式。实验是在自行研制的爆轰管道中进行的,其包括驱动段及内径分别为1.5、3.2、12.7 mm三种规格的测试段。实验结果再次验证了爆轰波在管道内传播时可以有六种不同的传播模式:稳态爆轰、快速波动爆轰、结巴式爆轰、驰振爆轰、低速爆轰和爆轰失效。其中C₂H₂+2.5O₂+70% Ar、C₂H₂+2.5O₂+85% Ar两种组分混合气体（具有较低活化能）,在爆轰波传播过程中只有稳态、快速波动和失效三种模式;而C₃H₈+5O₂、C₂H₂+5N₂O和CH₄+2O₂三种组分混合气体（具有较高活化能）在传播过程中出现六种不同模式。上述结果表明,除气体组分、初始压力等因素外,混合气体的活化能可能对爆轰波在管道内的传播状态也有影响。     

孔板扰动对爆轰波胞格结构特性影响的实验研究

实验采用稳定预混气2H₂+O₂+3Ar及不稳定预混气C₂H₂+5N₂O和CH₄+2O₂，在圆形爆轰管内通过烟膜手段记录了爆轰波的胞格结构，得到了胞格尺寸与初始压力之间的关系式；研究了胞格结构在扰动上下游的变化过程，分析了胞格不稳定性对胞格结构特征的影响，获得了爆轰波经过扰动后重新恢复至平衡状态的特征尺度。结果表明:爆轰波经过扰动后，对于稳定预混气，在扰动下游主胞格结构变得不规则，没有出现次生胞格；对于不稳定预混气，扰动下游伊始爆轰波的次生模态被抑制，由于爆轰波自身的不稳定性，随后出现了局部爆炸点及精细胞格结构；爆轰波在扰动下游传播了一段距离后恢复至平衡状态，该长度在8～15倍之间的胞格尺寸范围内变化，并且随初始压力的变化趋势并不明显。研究结果反映出爆轰波经过孔板扰动后恢复至平衡态所需的长度与爆轰波流体动力学厚度相当。     

球状纳米铜颗粒的爆轰法制备

以乙酸铜为前躯体,并与液体石蜡和黑索今(RDX)炸药充分混合,在真空爆轰反应容器中引爆,制 备球状纳米铜晶。采用透射电镜(TEM)、X射线衍射(XRD)研究了爆轰产物的形貌和成分,同时通过Raman 光谱仪对爆轰产物中碳的结构进行了分析。结果显示,纳米铜晶具有较完整的球状结构,颗粒表面光滑,直径 集中分布在150~200nm 之间。爆轰法可为制备圆整度好的纳米铜提供一种简单、快捷的方法。     

On the effect of grain size on shock sensitivity of heterogeneous high explosives

Analysis of available data on dependence of the critical detonation diameter of various heterogeneous condensed explosives on mean size of grains and voids demonstrated that in many cases surprising correlations between and the initial specific surface area of heterogeneous explosives exist, namely, or . The run distance to detonation in wedge test with sustained strong shock of constant amplitude also linearly correlates with , i.e. . At the same time, the shock sensitivity reversal effect is often observed when grain size of HE is reduced. Apart from that Moulard (1989) found that detonation critical diameter of plastic bonded explosive with mono- and bimodal RDX grain size distribution depends nonmonotonously on mean grain size. Complicated dependence of shock sensitivity of heterogeneous explosives on their specific surface area can be explained based on comparison of the critical hot spot size at given characteristic pressure behind shock wave with the mean heterogeneity size . At high characteristic pressure (relative to the critical ignition pressure) is small compared with and all specific surface area of heterogeneous explosive is available for the hot spot growth process in accordance with the grain burn concept. However, when characteristic pressure of shock wave decreases, increases and can become comparable with . In this case only relatively large potential hot spots with size can result in self-supported hot spot growth process and shock sensitivity is controlled by the specific surface area which corresponds to only larger heterogeneities and can be significantly smaller than initial specific surface area. Received 18 July 1996 / Accepted 6 November 1996     

T型管内流动气体中爆轰绕射过程的数值模拟

基于带化学反应的二维Euler方程,对H₂、O₂、Ar体积比为2:1:1的混合气体系统在T型管内的爆轰绕射进行了数值模拟。用二阶附加半隐的Runge-Kutta法和五阶WENO格式分别离散欧拉方程的时间和空间导数项,采用9组分48步基元反应简化模型描述爆轰波在静止系统和流动系统中的传播过程,得到了温度、压力、典型组元H质量分数的分布及数值胞格结构。结果表明:在流动系统中,迎风面上波阵面为斜爆轰结构,静止系统两侧和顺风面上的波阵面为完全解耦的前导激波;在水平管中,波阵面与上下壁面经历一系列马赫碰撞后,最终形成正爆轰;在流动系统中,胞格结构明显向下游偏移;横向爆轰波的产生对爆轰波的再生起到了关键作用。     

爆轰波直接合成致密相氮化硼研究

采用石墨相氮化硼与高能炸药混合后直接爆轰的方法,合成致密相氮化硼。实验表明,在爆轰过程的高温高压作用下,低密度的石墨相氮化硼(gBN)可以转化为致密相氮化硼。这种方法合成的致密相微粉中含有纤锌矿型氮化硼(wBN)和立方氮化硼(cBN)两种物相,合成的转化率为16％,每千克炸药可生产28克(140克拉)以上。     

快速烤燃条件下B炸药战斗部的临界泄压面积

为了确定战斗部装药在快速烤燃条件下能稳定燃烧的临界泄压面积，基于质量守恒定律和气体状态方程，建立了战斗部壳体内考虑炸药初始温度和排气孔排气的气体压力增长模型。以B炸药圆柱战斗部为研究对象，研究了炸药意外点火后能稳定燃烧的A_V0/S_B(临界泄压面积/炸药外表面积)确定方法，并与实验值进行了比较。结果表明，本文建立的模型能够很好地预测B炸药战斗部的临界泄压面积。研究了战斗部炸药装药表面积、炸药初始温度、空气体积占比和炸药燃速对A_V0/S_B的影响，并将不同温度的模型预测值与实验值进行了比较。结果表明：炸药装药表面积对A_V0/S_B基本没有影响；A_V0/S_B与温度和炸药燃速成正相关，与空气体积占比成负相关；不同温度的模型预测值A_V0/S_B与实验值吻合较好。     

初始温度对CO2抑爆作用的影响

将CO₂充入的液化石油气中并进行点火,研究不同初始温度下CO₂对多元混合气液化石油气爆炸的抑制作用。实验显示:初始温度15℃时CO₂体积分数达到36%时,混合气体退出可爆范围,临界氧浓度为12.8%;初始温度50℃时CO₂体积分数达到39%时,混合气体退出可爆范围,临界氧浓度为12.2%。结果表明:CO₂对液化石油气爆炸的抑制效果在一定程度上要受环境温度的影响。