含弱约束端面短管道油气爆炸特性实验研究

构建了长径比为4的含弱约束端面的短管道实验系统,对短管道油气爆炸特性进行了实验研究,得到油气爆炸压力和火焰的变化规律。实验结果表明:(1)受破膜、泄流、外部爆炸等因素的影响,含弱约束端面短管道油气爆炸具有多个超压峰值,并产生Helmholtz振荡;(2)弱约束端面对管道内外爆炸超压均具有增强作用,内部最大超压为24.23 kPa,外部最大超压为5.45 kPa,分别为无约束条件下的4.9和2.7倍;(3)火焰变化过程可划分为“层流燃烧-突变加速-外部爆炸-衰弱熄灭”4个阶段;由于湍流、界面不稳定、斜压效应等因素的影响,火焰在突变加速和外部爆炸两个阶段会发生剧烈的拉伸褶皱和卷曲变形,形成Tulip火焰和蘑菇云状火焰。(4)在层流燃烧阶段,弱约束端面对火焰速度有减弱作用,此阶段最大火焰速度为3.5 m/s,相比于无约束时减弱了41.3%;而在突变加速和外部爆炸阶段,弱约束端面破坏产生的强泄流对火焰传播速度有增强作用,此阶段最大火焰速度为80.2 m/s,相比于无约束时增强了106.2%。(5)不同初始油气浓度条件下火焰发展模式具有显著差异,在低浓度和中浓度条件下火焰能够冲出弱约束端面形成外部火球,而在高浓度条件下,火焰无法冲出管道。     

大型通道中被动式水雾抑爆效果的实验研究

本文采用40L聚苯乙烯泡沫水槽在长25m、直径700mm的接近实际规模的大型爆炸试验管道中，利用浓度为8％VOL的甲烷空气混合物对水槽布置方式及不同水量条件下抑爆效果进行了实验研究。实验结果表明：在水量均为70L的情况下，分散式布置时激波在通过第一个水槽位置后即开始发生衰减，并完全衰减成为压缩波，火焰熄灭在水雾作用区，爆炸被安全抑制住；集中式布置时，火焰穿过水雾区到达管道开口端，激波仅仅在有一定区域内表现出衰减现象，未能完全抑爆。在管内距离点火源4．33m处水量辚70L、35L和15L时，激波速度均发生不同程度的衰减，且水量越大，激波速度衰减越明显。因此，水雾装置布置方式和用水量是影响被动式水雾抑爆效果的重要因素。     

巷道支护对瓦斯爆炸火焰传播速度影响的实验研究

通过对实验室中几何尺寸为80×80mm钢制管道内部加装高度分别为4mm、8mm、12mm、16mm的四种螺旋环,模拟巷道支护结构对瓦斯爆炸火焰传播速度的影响。采用高精度动态数据采集分析系统,测量爆炸过程中的火焰传播速度,研究了不同高度的螺旋环对火焰传播速度的影响。结果表明：在螺旋环其他条件相同的情况下,管内瓦斯爆炸火焰传播速度随螺旋环高度、圈数增加而增加。并从理论上进行了分析,其主要原因为螺旋环高度越大、圈数越多,产生湍流度的程度亦愈大,对瓦斯爆炸火焰加速亦愈明显。试验结果对巷道支护的选择有指导意义。     

基于RGB颜色模型的玉米淀粉爆燃火焰传播速度

采用小尺度粉尘爆炸实验装置对不同质量浓度的玉米淀粉爆燃火焰传播过程进行了实验研究,建立了基于RGB颜色模型的火焰重构及形态学重建的粉尘火焰传播速度计算方法,计算了不同质量浓度下的玉米淀粉爆燃火焰传播速度。结果表明:采用基于RGB颜色模型的速度计算方法能够快速准确地计算出玉米淀粉爆燃火焰传播速度,火焰像素范围的确定是火焰速度计算的关键;管道内火焰传播速度受粉尘云质量浓度的影响,最大火焰传播速度随粉尘云质量浓度的增大先增大后减小,到达速度峰值的时间先缩短后增长,当质量浓度为0.63 kg/m3时,出现该实验条件下火焰传播速度最大值7.03 m/s。     

T型分支管道对油气爆炸强度的影响

为了研究T型分支结构对管道内油气混合物爆炸强度的影响规律,测试了不同初始体积分数条件下直管和具有T型分支管中爆炸波超压值,并利用有机玻璃透明管道对火焰传播规律进行了可视化研究。得到以下结论:(1)T型分支管道对油气爆炸有强化作用,在油气体积分数为1.2%至1.6%范围内表现最明显; (2)T型分支管道对油气爆炸的强化作用受管道横截面突扩和障碍物扰动以及波的反射、绕射三方面的影响; (3)火焰经过分支管道时,火焰阵面发生极大的扭曲,火焰表面积显著增大,燃烧速率增大,增强了热量和活性物质的输运速率,提高了爆炸波的强度; (4)在T型分支管道附近, 油气爆炸的压力突变增强, 是由压力波反射、绕射引起的温升效应和压力波引起湍流强度增强共同导致。     

预点火湍流对正戊烷云雾爆炸参数的影响

以正戊烷云雾为研究对象，进行预点火湍流对云雾爆炸参数影响规律的实验研究。首先通过不同气动压力进行喷雾，获得平均特征直径（SMD）分别为 21.21、14.51 和 8.64 μm 的正戊烷云雾，并得到不同气动压力预点火的湍流均方根速度；随后在 20 L 云雾爆炸参数测量系统中实验获得预点火湍流对正戊烷云雾蒸发速率、爆炸超压峰值、压力上升速率和火焰传播延迟时间的影响。结果表明:(1) 对于圆柱形罐体对称式双喷头分散系统，流场环境可近似认定为零平均速率湍流场；在0.4、0.6和0.8 MPa的气动压力喷雾50 ms的分散作用下，在100～250 ms内，湍流均方根速度在1.0～6.2 m/s范围内，平均湍流积分尺度在40～72 mm范围内，湍流最大湍流尺度的雷诺数在8 000～15 000范围内，柯尔莫哥洛夫微尺度在0.03～0.1 mm范围内；(2) 对于较小的液滴群，随湍流强度的增加，液滴群的蒸发速率有更为明显的提升；(3) 对比云雾三种SMD，粒径8.64 μm的超压峰值与最大压力上升速率随湍流强度增长趋势更显著，并发生爆炸强度显著提升现象，即存在“转变区域”（transition range）现象；(4) 对于SMD在8～22 μm范围内，湍流均方根速度处于1.0～4.0 m/s时为火焰传播延迟时间的低增长阶段，湍流均方根速度处于4.0～6.2 m/s时为火焰传播延迟时间的高增长阶段，湍流强度与火焰传播延迟时间在相应的两个湍流强度阶段范围内呈线性增长。     

高压氢气泄漏自燃形成喷射火的实验研究

为了探究高压氢气泄漏发生自燃时所需的临界初始释放压力随管道长度的变化规律，了解管内自燃火焰向管外喷射火焰转变的发展过程，本文利用压力、光电以及高速摄像等测试系统展开实验研究。实验结果表明:当管道长度相同，初始释放压力较低时，氢气泄漏不容易发生自燃；随着管道长度的增加，氢气发生自燃时的临界初始释放压力先缓慢减小后迅速增大；当管道长度一定时，初始释放压力越大，激波传播速度越快，氢气管内自燃的位置距离爆破片越近；气流通过激波马赫盘后，火焰燃烧加剧；随着时间的增加，火焰长度呈现先增大后逐渐减小的变化趋势，喷射火焰尖端的平均传播速度逐渐减小；火焰宽度呈现先增大后迅速减小至稳定值的变化规律。     

油气爆炸过程火焰燃烧模式的实验估计

首先分析讨论了油气爆炸过程中火焰燃烧模式的估计方法，然后在激波管内进行了低、中、高3次不同初始油气浓度条件下的油气爆炸实验，通过实验数据分别计算出了低、中、高初始油气浓度条件下油气爆炸在初期、中期和后期的丹姆克尔数和湍流雷诺数，最后依靠丹姆克尔数-湍流雷诺数图对低、中、高初始油气浓度条件下油气爆炸初期、中期和后期的火焰燃烧模式进行了定量估计。结果表明:低、中、高初始油气浓度条件下激波管油气爆炸过程初期、中期和后期的火焰燃烧模式均为漩涡内小火焰模式。     

多孔障碍物对预混火焰传播的影响

以甲烷为代表性气体，研究了半封闭管道中设置多孔障碍物对可燃气体爆炸火焰传播的影响，基于大涡模拟对实验进行了重现，对比了实验与模拟中火焰传播过程的形状、位置及速度，分析了模拟结果中火焰穿过障碍物前后的流场和表面积变化，给出了衡量火焰褶皱程度的指标及算法。结果表明:大涡模拟结果与实验结果有较好的一致性；火焰在存在障碍物的管道内传播，经历层流快速膨胀、受阻回流、湍流快速发展和脉动减速4个阶段，各阶段火焰依次分别呈现加速、减速、二次加速、二次减速的波动变化；当可燃气体在开口与点火位置同端的管道内爆炸，火焰在接近障碍物时，受管道封闭端和障碍物约束显著，而出现脉动回流现象；火焰穿过多孔障碍物后，传播速度骤升至峰值，较未穿过障碍物前的最大速度可增加58.7%；障碍物是导致火焰面破碎以及面积褶皱率增大的直接原因，火焰褶皱率最大可达44.8%，比未穿过障碍物前的最大褶皱率增大39.27%。     

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.     

爆炸与冲击问题的可视化研究

针对二维多物质流体弹塑性程序SMMIC(自行开发 )的结果 ,采用VisualC+ + 语言 ,自行开发设计了一个切实可行的二维爆炸场可视化工具软件 ,以此来研究二维爆炸与冲击数值模拟结果的可视化问题。对混凝土中的爆炸问题做了详细分析 ,对数值模拟结果进行了可视化处理 ,可视化的效果比较令人满意。从可视化的结果中不仅可以展现爆炸与冲击过程的整体概貌 ,而且可以清晰的显示爆炸与冲击过程的细微过程 (如爆炸场中冲击波遇障碍物后的反射、绕流及马赫反射等 )。     

Explosion Dynamics in Saturated Rocks and Solids

Non-elastic pore deformations and crack propagations are the principal causes of dynamic damage in rocks and soils. In the case of downhole blasting from wellbores, these two mechanisms compete with each other. Therefore, to carry out a mechanical analysis of rock blasting, a sufficiently complete model that takes these various mechanisms into account has to be developed. To address this issue, this paper proposes the use of an elastic–plastic model, which includes a yield condition with a non-associated plastic flow rule, the effects of pore fluid saturation, and a brittle failure criterion under extension. The results presented in this paper describe underground explosions with spherical motion (cavity growth under the internal pressure of detonated gases without leakage into the formation), typical for oil or water reservoirs. The governing equations are written in a Cartesian system of coordinates for the case of spatial dynamic medium deformation. For this case, Cartesian coordinates are more convenient than spherical coordinates because they avoid numerical difficulties connected with the non-divergent terms of the non-linear form of the Biot–Frenkel equations. The numerical method uses the Wilkins approach, which has been generalized for the model described in this paper. The dilatancy of the material during plastic deformation is neglected for simplicity. The numerical results show that, when using typical parameters for relatively “soft” porous skeleton, the plastic flow overcomes the brittle failure. An extension zone only appears near the cavity. The results also show the presence of the two Biot P-waves. The second Biot wave, however, is only seen in the case of an extremely high permeability rock. Furthermore, in the case of the first Biot wave, the saturating liquid and the solid skeleton particles are moving with different velocities in a 100 darcy rock and with the same velocity in a 0.01 darcy rock. Calculated radial particle velocities as a function of the scaled radius are close to measured velocities in rigid dense media but are larger than measured ones in clays. It is suggested that the difference is due to different levels of water saturation, assumed full saturation in the calculation, partial saturation in the experiments.     

水下爆炸气泡脉动测量及分析

水下爆炸气泡破坏效应是水中兵器的重要毁伤模式之一。为研究水下爆炸气泡脉动现象,建立了小当量水下爆炸实验系统,并进行了爆炸当量分别为0.125g、1.0g、3.375g和8g TNT的水下爆炸实验。采用球形PETN装药并中心起爆,产生球形对称的气泡和冲击波载荷,并利用高速摄像系统记录水下爆炸气泡脉动过程,以及布置压力传感器测量水中冲击波压力。实验获得了清晰的水下爆炸气泡脉动过程图像,得到了冲击波和气泡脉动压力曲线。对数字化图像进行判读,得到气泡脉动直径和周期。另外根据冲击波曲线测量了气泡脉动周期,对比分析了气泡脉动相关参数。结果表明,高速摄像数据测量的气泡直径与经验公式较接近,高速摄像测量的气泡周期与冲击波曲线测量的气泡脉动周期以及经验公式结果具有较好的一致性。本文提出的实验技术安全、经济、可靠,气泡脉动参数判读精确,满足水下爆炸气泡脉动研究需求。     

煤粉末的爆炸机理

针对流态化炭催化CH4/CO2重整制合成气中可能存在的爆炸问题,对煤粉末爆炸特性进行了研究,研究表明煤粉末的挥发分含量越高,爆炸强度越大。对煤粉末试样及爆炸产物进行的工业分析和SEM分析显示,爆炸后煤粉末的挥发分降低了5%～10%,灰分有所增加,而水分变化不大;爆炸前煤粉末试样的外表形状棱角分明,而爆炸后残余物的外表形状比较光滑,近似球形,且燃烧不充分。研究认为,煤粉末爆炸的机理是煤粉末受热后,挥发分首先被释放,参与反应,从而引发爆炸,煤粉末爆炸实质上是气体爆炸。 更多还原     

10m3爆炸罐中甲烷燃烧爆炸发展过程

在大型多相混合物爆炸实验系统(10m3爆炸罐)中对甲烷/空气混合物在40J电火花点火条件下爆炸发展过程进行了实验和数值模拟研究.采用中心电火花点火,并在距点火点不同距离处设置4个压力传感器.得到下列实验结果:甲烷爆炸上、下限分别为13.9%、4.75%;甲烷浓度为9.5%的爆炸特性参数随距离变化规律;不同甲烷浓度对超压...     

云爆药剂爆炸超压测试及威力评价

借助压力测试系统,在自由场及地面布置压力传感器,分别测量了熔铸TNT、一次云爆药剂和二次云爆药剂在自由场和地面的爆炸场冲击波超压,经分析处理后拟合得到适用于3种炸药的自由场和空中爆炸超压发展公式,并计算云爆药剂的TNT当量。实验结果表明:实验选用的二次云爆药剂的自由场和地面平均TNT当量相比一次云爆药剂分别提高了60%和69%,说明二次云爆药剂比一次云爆药剂具有更大的超压作用效果;3种药剂的自由场超压峰值都比地面小10%左右,说明地面的反射效应依旧存在,在实际超压威力评估时应采用一定的修正系数。实验结果可丰富云爆药剂和传统炸药的小当量实验对比数据,为云爆药剂爆炸场参数的研究和威力评估提供参考。     

浅埋炸药爆炸形貌及其冲击作用效应

为研究浅埋炸药爆炸形貌及其冲击作用效应,提出了一套新型试验工装,通过浅埋砂爆试验,系统探究了浅埋爆炸过程中冲击波的传播、爆炸产物与砂土的喷射轨迹、靶板的变形形貌以及爆炸载荷的空间分布情况。结果表明:浅埋爆炸在空气中产生冲击波,其传播速度大于爆炸产物与砂土的喷射速度;起爆后的爆炸产物与砂土迅速向外喷射,体积随时间不断膨胀,撞击到靶板后向四周扩散;通过特 殊设计的试验工装与靶板,定性得出浅埋砂爆载荷产生的冲量在空间中呈非均匀分布,即中间最大,向四周逐渐减小。对比分析2次不同试验,发现炸药埋深影响爆炸产物和砂土喷射时的相对位置:埋深较小时,爆炸产物会冲破覆盖的砂层,直接作用到靶板;埋深较大时,爆炸产物基本被砂层包覆,随砂土共同作用到靶板;此外,增大炸药埋深会延缓爆炸产物与砂土的喷射时间。砂土的类型直接影响靶板的变形形貌,按北约标准AEP-55配做的砂土不仅使靶板产生整体弯曲变形,还在靶板上形成大量凹坑,产生侵彻效果,而普通的河砂仅使靶板产生整体弯曲变形,无明显的侵彻效果。     

Explosion of a body in flight

Little attention has been paid up to now in the theory of explosions to such an important and interesting problem as the explosion of a body in flight. A formulation of the problem presented by such an explosion in connection with the problem of simulating the explosion of a meteorite body flying at cosmic velocity is given in [1]. In this case the kinetic energy of the translational motion may be comparable to or even in excess of the internal energy of the explosive transformation, which will lead to a significant distortion of the flow pattern compared with the usual explosion process. An analysis of the effect of the initial velocity of particles on the course of an explosion in idealized formulations in the framework of one-dimensional flows with plane, cylindrical, and spherical waves was first made in [2–4]. The asymptotic flow properties were found in these papers. It is shown that if the internal energy E_o and the kinetic energy K_o are separated (the specification of the latter for a fixed mass is equivalent to specification of the initial momentum), some intermediate self-similar regimes corresponding to a short pulse [2] or to flows with a sink [3, 4] are observed, these becoming the solution for a strong explosion at long times [1]. The time of transition from one qualitative regime to another depends on the ratio K_o/E_o. In the present paper the next step in the investigation of the question is taken. An axisymmetric, basically realistic flow model is studied.Translated from Izvestiya Akademii Nauk SSSR, Mekhanika Zhidkosti i Gaza, No. 5, pp. 126–129, September–October, 1984.     

Suppression of Chemotactic Explosion by Mixing

Chemotaxis plays a crucial role in a variety of processes in biology and ecology. In many instances, processes involving chemical attraction take place in fluids. One of the most studied PDE models of chemotaxis is given by the Keller–Segel equation, which describes a population density of bacteria or mold which is attracted chemically to substance they secrete. Solutions of the Keller–Segel equation can exhibit dramatic collapsing behavior, where density concentrates positive mass in a measure zero region. A natural question is whether the presence of fluid flow can affect singularity formation by mixing the bacteria thus making concentration harder to achieve. In this paper, we consider the parabolic-elliptic Keller–Segel equation in two and three dimensions with an additional advection term modeling ambient fluid flow. We prove that for any initial data, there exist incompressible fluid flows such that the solution to the equation stays globally regular. On the other hand, it is well known that when the fluid flow is absent, there exists initial data leading to finite time blow up. Thus the presence of fluid flow can prevent the singularity formation. We discuss two classes of flows that have the explosion arresting property. Both classes are known as very efficient mixers. The first class are the relaxation enhancing (RE) flows of (Ann Math:643–674, 2008). These flows are stationary. The second class of flows are the Yao–Zlatos near-optimal mixing flows (Mixing and un-mixing by incompressible flows. arXiv:1407.4163, 2014), which are time dependent. The proof is based on the nonlinear version of the relaxation enhancement construction of (Ann Math:643–674, 2008), and on some variations of the global regularity estimate for the Keller–Segel model.     

锆金属粉尘云的爆炸特性

采用20 L近球形爆炸实验系统对锆粉尘云的爆炸特性开展了实验研究,分别分析了初始点火能量、点火延迟时间、粉尘云浓度3种因素对锆粉尘云爆炸强度的影响,揭示了锆粉尘云在密闭容器中的爆炸特性。在本实验条件下,结果表明:初始点火能量对锆粉尘云最大爆炸压力有显著影响,锆粉尘云最大爆炸压力随初始点火能量的增大而增大;随点火延迟时间的增加,锆粉尘云最大爆炸压力先增大后减小,存在最佳点火延迟时间;随粉尘云浓度的增大,锆粉尘云最大爆炸压力先增大后减小,存在最佳锆粉尘云浓度,得到锆粉尘云的爆炸下限为18~20 g/m3。