瓦斯爆炸过程中火焰厚度测定及其温度场数值模拟分析

本文通过实验的方法，探讨了瓦斯爆炸过程中火焰厚度变化特性及其影响因素，并对瓦斯爆炸过程中的温度场变化进行了数值模拟。研究结果表明，障碍物存在时，瓦斯爆炸过程中产生的火焰厚度常常会小于无障碍物存在时所产生的火焰厚度；膜片所处位置对瓦斯爆炸过程中火焰厚度也有重要影响，膜片距离爆炸源较近时，火焰厚度明显增大，瓦斯爆炸后，火焰阵面着附近区域与管封闭端附近区域温度变化较为陡峭，而火焰阵面后一段区域的温度变化较平缓，且火焰阵面附近温度较高，在障碍物附近温度很快上升到最大值，然后温度开始下降。研究结果对指导现场防治瓦斯爆炸，减轻瓦斯爆炸灾害具有一定的指导意义。     

湍流的诱导及其对瓦斯爆炸过程中火焰和爆炸波的作用

在实验的基础上,研究了管内瓦斯爆炸过程中湍流的诱导及其对瓦斯爆炸过程中火焰和爆炸波的影响作用.研究结果表明,管道面积突变对瓦斯爆炸过程中湍流的产生具有重要影响.管道面积突变(变大、变小)时,产生附加湍流,并使下游火焰气流的湍流度增加,瓦斯爆炸过程中火焰的传播速度迅速提高,并可诱导激波的产生.在80×80mm等截面直管中(瓦斯浓度为理论上最猛烈的爆炸浓度9.5%),瓦斯爆炸最大火焰传播速度为40.8m/s,管内各点均为压力波信号,当管道加装一Φ300mm圆管形成面积突扩11倍和突缩11倍两断面后,面积突扩处(L/D=22)火焰速度增大5.05倍,达到64.4m/s,面积突缩处(L/D=28)火焰速度为156.0m/s, 增大4.55倍,并在L/D=48倍处形成激波(超压1.6976atm、波速416.7m/s),在L/D=98倍处,激波强度最大.在面积突变管内加装加速环可使瓦斯爆炸过程中湍流度加剧,火焰的传播速度更高,激波生成的位置(L/D=28)、最强点位置(L/D=70)均前移,激波强度增大.研究结果对指导现场如何防治瓦斯爆炸,减轻瓦斯爆炸的威力具有一定的指导意义.     

柔性障碍物对甲烷空气爆炸波激励作用的实验研究

为研究柔性障碍物对甲烷空气爆炸波的激励效应,采用双向拉伸聚丙烯（biaxially oriented polypropylene, BOPP）薄膜作为柔性障碍物将管道内甲烷空气预混气体与空气隔开,对比障碍物前后火焰、激波变化,分析膜状柔性障碍物激励效应的机理。实验结果表明:这种具有一定承压能力的柔性障碍物对甲烷爆炸波产生的激励效应不可忽视,在膜片破裂前产生多次激波反射过程,可诱导湍流火焰形成,促使膜前爆炸压力提高,膜片破裂后,火焰在伴流作用下传播速度突增,并加速逐渐逼近前驱冲击波,致使膜后爆炸压力大幅提高;激励效应可使膜片前后最大爆炸压力相差5倍,火焰速度相差7倍;另外在膜片位置2.5 m后增设一道膜片,可增强这种激励效应,而增加膜片的实质是使激波火焰相互作用的次数增加。     

泄爆过程中外部爆炸现象的实验研究

采用压力测量与YA-16 高速阴影系统同步测量方法，对柱型容器内甲烷-空气混合气体的燃烧及泄爆过程进行实验 研究. 获得正常泄爆和发生外部爆炸(也称二次爆炸)时泄爆外流场压力-时间曲线和流场 阴影照片. 结果表明：泄爆过程中发生外部爆炸的典型特征为, 在压力-时间曲线上,破膜激 波形成的第一个压力峰值后出现外部爆炸形成的第二个压力峰值，在流场阴影照片上,破膜 激波后有第二道爆炸波出现.     

激波诱导瓦斯爆炸的动力学特性及影响因素

通过修改化学动力学计算软件CHEMKIN Ⅲ中的SHOCK 程序包,建立了激波管中激波诱导瓦 斯爆炸过程的计算模型,化学反应采用了详细反应机理(包括53种组分、325个反应)。对激波诱导瓦斯爆炸 过程中混合气温度、冲击波传播速度、反应物(甲烷、氧气)摩尔分数、活化中心(O、H)摩尔分数、部分致灾性 气体(CO、CO2、NO、NO2)摩尔分数的变化趋势进行了详细分析。同时,分析了瓦斯爆炸前混合气初始压力 及初始混合气组成对激波诱导瓦斯爆炸动力学特性的影响。结果表明:瓦斯爆炸后CO 的摩尔分数达到0. 07左右,CO2 的摩尔分数为0.02左右,NO 的摩尔分数为0.001左右,NO2 的摩尔分数则在10-6左右;随着 瓦斯爆炸前混合气初始压力的提高以及混合气中甲烷体积分数的降低,瓦斯引爆时间将缩短,爆炸后温度将 降低,但压力将升高,同时,爆炸后CO 的摩尔分数将降低,NO 的摩尔分数将提高。     

高温激波管化学非平衡流动数值模拟研究

为了预测氢氧定容燃烧驱动的高温激波管性能,需要准确分析激波管非定常化学非平衡流动过程.本文在破膜前的驱动段定容燃烧以及破膜后的化学非平衡流动数值模拟中,引入双时间步长方法,发展高温激波管化学非平衡流动数值模拟方法,该方法在时间上具有二阶精度.计算结果与目前存在的激波管流动解析解以及零维化学反应系统的数值解进行了比较,吻合较好.对于典型高温激波管状态,采用有限体积方法离散准一维流动Euler控制方程,并通过将流动过程和化学反应动力学过程耦合求解,获得了激波管内部的化学非平衡流动特征.     

一种新的运动激波--非定常边界层相互干扰现象

本文探讨了一种新的激波－非定常边界层相互干扰现象，这种激波－边界层干扰现象既不同于定常激波－边界层干扰现象，又不同于激波在端面反射后与该激波所诱导的边界层之间的干扰现象，而是运动激波与稀疏波和第一激波所诱导的非这常边界层之间的干扰现象，本文对这种现象用微波动力学理论进行分析，并把这种干扰现象看成激波的绕射现象，同时在稀疏波破膜的双驱动激波管中进行实验观察，最后把理论分析与实验观察进行了比较。     

双驱动激波管稀疏波破膜技术研究

本文介绍了在双驱动激波管中运用稀疏波破膜的技术。在以压缩空气和氮气作实验气体的情形下,实验研究了中间段长度、稀疏波强度及中间段B膜的破膜压力（压差）对第二激波追韩第一激波的影响。实验结果表明：中间段的长短,显著地制约着前后两道激波的间隔;稀疏波强度及中间段B膜的破膜压力对稀疏波破膜时间及第二激小对反射稀疏波的追赶有重要影响。     

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．     

多障碍物通道中激波诱导气相爆轰的数值研究

应用数值模拟方法，研究了直通道中激波经过多块矩形障碍物时诱导 H2/O2混合气体起爆的物理机制. 研究表明：在前导激波强度不足以诱导波后气 体直接起爆的条件下，经过激波压缩的可燃气体也可能在远离激波的障碍物之间的凹槽部位 起爆；障碍物表面产生的压缩波、膨胀波和气流滑移面对可燃气体的起爆、爆轰波的形成和 传播过程有重要的影响；添加不同稀释比的氮气可以影响爆轰波后流场的温度分布；增加障 碍物的间距可以改变可燃气起爆位置.     

Application of background oriented schlieren for quantitative measurements of shock waves from explosions

This paper describes application of a background oriented schlieren technique in order to obtain quantitative measurements of shock waves from explosions by processing high speed digital video recordings. The technique is illustrated by an analysis of two explosions, a high explosive test and a hydrogen gas explosion test. The visualization of the shock front is utilized to calculate the shock Mach number, leading to a predicted shock front pressure. For high explosives the method agreed quite well with a standard curve for side-on shock pressures. In the case of the gas explosion test we can also show that the shock front is non-spherical. It should be possible to develop this technique to investigate external blast waves and external explosions from vented gas explosions in more details. This paper is based on work that was presented at the 21th International Colloquium on the Dynamics of Explosions and Reactive Systems, Poitiers, France, July 23–27, 2007.     

切缝药包爆炸作用机理数值模拟

为研究切缝药包定向控制爆炸机理，基于双缝/耦合切缝药包爆轰行为高速纹影实验，建立"炸药-切缝管-空气"模型，采用数值模拟方法研究切缝药包爆炸过程中冲击波相互作用、爆炸流场压力时空分布和切缝管形态变化。研究结果表明:切缝药包爆炸过程中切缝管能够有效控制爆炸能量释放和爆生气体动力学行为；切缝方向压力超前且高于非切缝方向；在爆炸冲击波及爆生气体共同作用下，切缝管曲率不断变小且从起爆点处以相同的变形特征沿切缝管轴向发展；数值模拟结果与实验结果吻合。     

城市地下浅埋管沟可燃气体爆炸的灾害效应 (Ⅰ):冲击波在地面的传播

城市地下浅埋管沟燃气爆炸事故会造成严重的灾害后果,然而目前针对长直空间内的爆炸荷载通过泄爆口向外传播规律的研究较少。以此类事故为基础,基于前期进行的长直泄爆空间可燃气体爆炸试验,利用FLACS软件,对城市地下浅埋管沟内可燃气体爆炸冲击波超压通过泄爆口到达地面后的分布进行了数值模拟,揭示了管沟内燃气爆炸冲击波在地面的传播规律。结果表明:传播到地面的爆炸冲击波会产生2个特征超压峰值Δp₁和Δp₂;Δp₁较小,主要由压缩波引起,Δp₂为最大超压峰值,主要由火焰波引起;Δp₂随着与泄爆口之间的距离d的增大而逐渐减小,且各方向上数值的差异性较大,其中在沿管沟截面的短边方向上,呈对称衰减的趋势;Δp₂与d大致满足指数函数关系,且拟合度均高于98.8%。     

超临界CO2气爆煤体致裂机理实验研究

为提高超临界CO₂气爆低渗透煤层增透技术的应用水平，进一步研究超临界CO₂气爆煤体致裂机理，利用自主研发的超临界CO₂气爆装置，在多通道电液伺服相似材料试验台上，对原煤和混凝土大试件(1 m×1 m×0.5 m)进行了超临界CO₂气爆实验，用动态应变仪采集试件内部监测点处的变形和破坏信息，并用工业窥镜对爆破孔内裂隙分布进行了观测。分析气爆应力波的变化规律和气爆后试件的破坏形貌特征可知，距离气爆孔由近及远依次分为粉碎区、裂隙区和震动区，其形成机理为:超临界CO₂冲击气爆孔周围介质并形成远超介质抗压强度的球面纵波，介质在径向压应力作用下发生粉碎性破坏，形成粉碎区；应力波传播能量逐步衰减，不足以使介质产生压缩破坏，然而脆性材料抗压不抗拉，其产生的环向应力仍然使介质产生径向裂隙，应力波之后具有准静态加载作用的高压CO₂气体进入裂隙形成气楔，促使裂隙进一步发育和扩展，形成裂隙区；裂隙区以外的介质在低能量应力波的作用下只发生震动，未发生明显破坏，即震动区。裂隙的扩展速度与其到气爆孔距离符合“S”形曲线衰减，裂隙的高速扩展发生在粉碎区，低速扩展发生在裂隙区；距离气爆孔越远，测点的峰值应变越小，相同距离内节理裂隙等结构面越复杂，峰值应变减小的幅度越大且应变波形差别越大。     

Numerical investigation of three-dimensional shock focusing effects by an invariant difference scheme

Symmetry preserving difference schemes which are found on the basis of the Lie-group theory for partial differential equations applied to their first differential approximations are used to simulate the evolution and reflection of shock waves in a cubical cavity with rigid walls and walls with outflow boundary conditions. The explicit difference scheme was used for a shock capturing technique to find and trace the discontinuities in the flow field. The numerical model is based on the strong conservative form of the three-dimensional time-dependent Euler equations with an equation of state for an ideal gas. The three-dimensional time-dependent shock waves which are created by a centered gas volume under high pressure interact with the plane walls of the cavity and lead to focusing effects after the explosion. To follow the propagation of strong plane or spherical shock waves the shock capturing method was proved to be sufficient concerning the spatial resolution of the discontinuities. When interacting with the rigid walls of the cavity the shock waves are assumed to be reflected specularly and to interact with shock waves and contact discontinuities moving from the center to the edges and corners of the cavity. The symmetry preserving character of the invariant difference scheme under use was proved numerically by calculations over long time. No significant deviation of the symmetry character of the imposed initial distribution was found. Additionally, a numerical analysis of the conservation of energy in the cube was performed to find the behavior of the energy in time.     

冷激波灭火系统中激波对灭火效果和周边环境的影响

为了评估冷激波灭火弹爆炸后形成的激波对灭火效果和周边环境的影响，建立了一套纹影实验装置。通过纹影实验，观察了小尺寸下不同灭火介质爆炸抛撒后激波的形成和传播，并推算了冷激波灭火弹爆炸后油盆边缘附近的波后质点速度。观察发现，水基灭火介质爆炸抛撒后没有形成激波；而粉基灭火介质尽管爆炸抛撒后形成激波，但在油盆边缘附近激波强度较弱，波后质点速度小。与介质抛撒引起的可燃气体介质运动相比，激波对加快可燃气体介质运动的影响可以忽略。最后，通过高速摄影实验验证了激波对灭火效果的影响是可以忽略的。因此，冷激波系统中，激波对灭火效果和周边环境的影响是可以忽略的。     

Investigations into water mitigation using a meshless particle method

It is very difficult for traditional numerical methods to simulate the problems of water mitigation which has been increasingly used to reduce blast effects. This paper studies water mitigation problems by using smoothed particle hydrodynamics (SPH), which is a meshless, Lagrangian method appealing in treating large deformation explosion events with significant inhomogeneities. Numerical verifications considering high explosive detonation and underwater explosion shock waves have demonstrated the effectiveness of the SPH method, the solution procedure and the code. Contact and non-contact water mitigation simulations have been carried out and are compared with the case without mitigation. For either contact or non-contact water shield, the peak shock pressure and the equilibrium gas pressure are reduced to different levels according to the relevant geometry of the system setup. An optimum contact water shield thickness is found to produce the best mitigation effect for a given high explosive charge, while the non-contact water shield, if properly designed, can result in further reduction of the peak shock pressure and the equilibrium gas pressure.     

基于LS-DYNA的液电效应冲击波数值模拟

液电效应机理复杂,鲜有成熟的商用数值模拟软件能够描述等离子体通道内部特性,为了将液电效应产生的冲击波运用于已有的数值模拟软件中,以满足工程需要,介绍了两种基于显式动力学软件LS-DYNA间接模拟液电效应产生冲击波的方法:水下爆炸等效（分为爆炸能量等效与冲击波能量等效）和理想气体等效,并进行了比较与改进,分析了不同沉积能量下采用不同等效方法得到的峰压计算结果的差异。结果显示,在沉积能量相同的条件下,基于爆炸能量等效方法得到的冲击波峰值压力最高,基于冲击波能量等效方法得到的冲击波峰值压力次之,基于理想气体等效方法得到的冲击波峰值压力最低,理想气体等效模拟的峰压相较于前两种等效方法小1～2个数量级;爆炸能量等效与冲击波能量等效的冲击波波速相等,且高于理想气体等效的冲击波波速;沉积能量减小会使得3种等效方法模拟的峰压均有不同程度的减小,但大小顺序不发生变化;改进后的等效爆炸方法能够适应沉积能量的变化,与Touya经验公式拟合较好;基于LS-DYNA对液电效应冲击波峰值压力进行准确模拟,除了选取适合的等效方法,还应结合具体的放电条件,建立适当的数值模型,在满足计算要求的条件下实现冲击波峰值压力的快速计算。     

化爆冲击波和炮口冲击波对生物致伤效应的对比研究

通过TNT化爆和火炮现场试验,探讨了化爆冲击波和炮口冲击波的异同点,结果发现两者的频谱大致相似。但化爆冲击波只有一次激波,而炮口冲击波有两次激波,有时甚至可见到三次激波。生物效应致伤的靶器官也有所不同,化爆冲击波以肺损伤较为多见,而炮口冲击波似乎以上呼吸道更为敏感,结果提示化爆可以模拟炮口冲击波,但又不完全等同于炮口冲击波,必要的火炮现场试验是必不可少的。     

惰性颗粒抑爆过程的数值模拟

对高温火球诱导的爆炸及惰性颗粒的抑爆过程进行了数值研究。由于扰动特征时间 ,两相弛豫特征时间和化学平衡特征时间的差异 ,这种带激波的两相化学反应流守恒方程具有刚性。利用处理包括组元守恒方程的全耦合TVD格式和可处理方程源项的Lax Wendroff Rubin格式分别求解气相和颗粒相 ,并根据各特征时间的比值用分步法处理方程的刚性。计算结果反映了均温燃烧火球在可燃环境中形成加速火焰和激波 ,进而成长为爆轰波的过程 ,以及惰性颗粒对爆轰波的抑制过程 ,反映了激波、化学反应和惰性颗粒之间的相互作用和耦合。计算结果表明 ,仅当颗粒浓度大于某值时才能有效抑制爆轰 ,否则无论多大的颗粒散布区域 ,皆不能使爆轰波完全抑制 ,爆轰波或是在其中发展为两相爆轰波 ,或是穿越该区域后重新成长为气相爆轰。