中心点火火焰在药床中传播规律的试验研究

为了研究中心点火管火焰在药床中的传播规律,设计了可视化模拟试验平台,开展了不同点火药量、不同装药结构的中心点传火试验。采用高速图像采集系统记录了中心点火管火焰在药床中的传播过程,采用瞬态压力记录仪记录膛内压力的时空变化。结果表明,点火药量为20 g时,出火时间为0.6 ms;点火药量为30 g时,出火时间为1.5 ms;杆状装药床的传火时间平均为2.2 ms,粒状装药床的传火时间平均为3.4 ms,而杆粒混装药床的传火时间为3.1 ms。可见,点火药量对药床出火时间影响显著,较大的点火药量导致药床出火时间延长;不同装药床结构传火性能差异较大,单一杆状装药床传火性能优于单一粒状装药和杆粒混装药床,并且粒状装药床易形成气体壅塞,膛内会出现明显的压力波动现象;根据火焰传播时序位置点,利用一阶指数衰减函数拟合建立了火焰传播过程数学模型,拟合优度大于0.98。     

两模块装药点传火过程及药粒散布特性

模块装药点传火过程中药粒堆积形态对膛内起始压力波特性有重要影响,而模块装药点传火过程中药盒破裂后药粒飞散过程决定了药粒最终堆积形态。为此设计了模块装药可视化点传火模拟试验装置,通过高速摄像系统,观测不同初始装填位置的两模块装药点传火、药盒破裂及药粒散布过程。试验结果表明,两模块初始装填位置远离底火端且两药盒装填间距增大时,药室内传火时间变长,两个模块药盒燃烧更充分,模块盒的破裂面增大。点传火试验结束后,药室内模拟药粒散布在以底火侧端面中心为起点的轴向195～500 mm区域。其中,药粒主要分布于药室右侧陡坡状堆积区域。基于试验建立了模块装药点传火过程中药盒破裂后药粒散布的三维非稳态气固两相流模型,并进行了模拟计算。计算得到的最终药粒散布与试验测得结果基本吻合,验证了模型的合理性。     

长药室装药中多点点传火一维两相流数值模拟

针对药室长度超过3m的长药室装药设计问题,设计了以电点火具为点火源的多点点火系统,在点传火模拟实验装置上进行了多点点火的实验研究.同时,建立了点传火模拟实验装置中多点点传火过程的数学物理模型,采用MacCormack差分格式进行了数值求解,得到了点传火模拟装置中传火管的压力分布、固相和气相速度以及空隙率等数值解,分析了...     

大长径比、高密实火药床点火管点传火特性的影响因素

利用计算程序对影响大长径比、高密实火药床点火管点火性能的主要因素进行了对比模拟,讨论了不同结构尺寸和装填条件下的点传火性能,通过对计算结果的分析,总结了结构参数和装填条件对大长径比、高密实火药床点火管点传火性能的影响规律:小孔直径、首孔高度、单位长度小孔面积及装填密度显著影响点火压力及点传火性能;小孔直径、首孔高度及单位长度小孔面积是影响破膜后泄压速度的主要因素,而装填密度会影响药床的透气性及火焰传播的通畅性,均对点火安全性、瞬时性及一致性产生重要影响作用。     

基于五阶WENO格式的燃气在药床中流动过程二维两相流研究

为研究内弹道初始阶段中心点火管燃气在膛内药床中的流动特性和传播规律,设计了可视化点传火实验平台,并进行了膛内假药床的点传火实验。基于加权本质无震荡(weighted essentially non-oscillatory, WENO)格式,构造了膛内轴对称二维内弹道两相流模型,对膛内燃气在假药床中的流动过程进行数值模拟。计算结果与可视化实验结果符合较好,全局压力平均误差为5.35%。表明数值计算准确地描述了燃气流动特性,完整地呈现了点火管燃气在假药床中的发展过程。在点火初始阶段,膛内压力径向效应明显,气相沿径向传播较快,药床药粒基本不会发生运动;随着燃气逐渐在膛内传播,膛内压力呈现径向一致、轴向梯度分布的特征,在压力梯度作用下,气相轴向速度开始占据主导,径向速度在膛底和中部区域减小为零,而固相速度随气相速度变化而变化;气相在到达弹底前,由于固相颗粒的壅塞,会提前出现速度反向波动现象。     

稠密颗粒床中点火传火过程的两维两相流数值模拟

本文结合火炮工程背景,建立伴随化学反应的稠密颗粒群气固两相非定常两维轴对称流和点火器内的非定常一维两相流数学模型,并考虑点火器对主装药床的耦合作用。采用MacCormack两步差分格式,模拟点火传火过程中火焰传播及其物理量沿轴向和径向变化规律。部分计算结果与实验结果相吻合。发现点火开始阶段存在明显的径向效应,当火焰波传到固壁后,轴向流占主要优势。     

高含能颗粒床中瞬变点传火过程的三维两相流数值模拟

结合火炮工程背景，建立高含能稠密颗粒床中非定常三维两相流与点火器中非定常一维两相流的数理模型，并考虑主装药床与点火器的相互耦合作用。采用分数步法（ＦＳＭ）数值求解。发现在点传火阶段，膛内存在明显的三维效应，并伴随波动现象，火药颗粒向壁面聚集。部分计算结果与试验结果相一致。     

大长径比点火管高密实火药床点传火过程两相流的数值模拟

设计了某中心点火管，完成了该点火管的点传火实验，针对该点火管长径比大、装填密度高的特点，建立了点火管内气固两相流动和燃烧过程的一维两相流模型，并进行了数值模拟。计算结果与实验结果良好符合，说明计算模型能够准确描述点火管内的实际物理化学过程，计算程序参数取值合理，该计算程序可为此类点火管各种结构尺寸及装填条件下的点传火性能分析及优化计算提供充分的理论依据和方法。并且，根据计算结果初步分析了该结构及装填条件下点火管的点传火性能，为下阶段工程优化设计提供参考     

约束条件及装药直径对HMX/F2641传爆药爆压影响的实验研究

采用锰铜压力传感器法测量了约束条件和装药直径对传爆药HMX/F2641爆压的影响,传爆药密度为90%的理论密度。装药直径小于5mm时,小型化传爆序列爆压随装药直径和约束条件阻抗的减小而降低,装药直径3～5mm范围内,约束条件及装药直径对传爆药爆压的影响较小;在装药直径1.5～3mm范围内,小型化传爆序列约束条件和装药直径对传爆药爆压的影响较大。在装药密度一定时,通过装药尺寸及约束条件的匹配,可以控制并调整传爆药的爆压输出来满足不同主装药起爆的需求。     

三点起爆形成尾翼EFP的数值模拟和实验研究

利用LS-DYNA软件对三点起爆形成尾翼EFP的过程进行了数值模拟，深入研究了爆轰波传播过程中的波形结构和强度的变化规律以及药型罩材料在复合爆轰波作用下驱动变形的特性和规律，加深了对三点起爆条件下药型罩形成带尾翼EFP机理的认识。在此基础上，设计了三点同步起爆装置和EFP装药进行实验。研究结果表明:设计的三点起爆装置作用可靠,满足三点起爆EFP装药的设计要求；形成的EFP弹形稳定,与计算结果吻合较好；尾翼EFP飞行过程中的速度降减小,稳定性提高。     

非金属粉末对方管内瓦斯预混火焰传播的影响

为研究非金属粉末对管内瓦斯预混火焰传播的影响，选用煤粉和石粉2类煤矿井下常见粉末，采用微细热电偶、火焰传感器测试得出内铺2种粉末管内瓦斯火焰传播的瞬态温度、火焰阵面位置及火焰传播速度等参数，初步分析2种粉末影响瓦斯火焰传播机制的不同。实验表明:(1)煤粉能够加速管内瓦斯火焰的传播，而石粉则抑制管内瓦斯火焰的传播，但两者影响机制有本质不同；(2)内铺煤粉时，火焰温度瞬时值曲线呈现出明显的双峰结构，反应区宽度增加，表明活性煤粉与瓦斯形成了瓦斯 煤粉复合火焰；(3)内铺石粉时，火焰温度值整体下降，温度半峰宽度变窄，说明撒布岩粉法能有效抑制瓦斯煤尘爆炸发生。     

微小空间内丙烷/空气火焰传播特性与加氢爆燃实验

在内径150 mm的圆盘狭缝微型燃烧室内，实验探讨了在常温常压下，不同当量比的丙烷/空气预混气以及掺氢的丙烷/空气混合气在电火花点火后向外传播的特性，通过高速摄影方法获得了在狭缝间距为2.0、2.5、3.0、5.0 mm时微燃烧室内的火焰传播形态。实验中观察到火焰传播存在光滑、皱褶和断裂三种火焰锋面形态。当量比的增加和狭缝间距的减小会使火焰更容易发生褶皱。随着火焰的传播，火焰半径逐渐增大，火焰传播速度整体呈下降趋势。火焰传播速度随着间距的减小先增大后减小，在间距3 mm时最大。因为壁面散热的影响，微尺度效应在降低火焰传播速度和增加火焰不稳定性方面具有重要作用。掺入氢气能提高预混气的火焰传播速度，在间距2.5 mm的微燃烧腔中还观察到了爆燃现象。     

惰化剂粒径对铝粉火焰传播特性影响的实验研究

为探索惰化剂粒径对可燃工业粉尘火焰传播特性的影响，通过建立竖直粉尘燃烧管道实验平台，在碳酸氢钠质量分数为30%的惰化条件下，就碳酸氢钠粒径对铝粉燃烧火焰传播特性的影响进行了实验研究。结果表明:平均粒径为30 μm的碳酸氢钠粉体对平均粒径为15 μm的铝粉的火焰传播速度具有较好的抑制作用，惰性粉体与可燃工业粉尘应存在粒度匹配效应；碳酸氢钠粉体对铝粉火焰温度的惰化抑制效果与其粒径呈反比关系；碳酸氢钠粉体会减小铝粉火焰预热区厚度，预热区厚度随碳酸氢钠粒径的增加先减小后增大。此外，分析了碳酸氢钠粒径对铝粉火焰传播特性影响的作用机理。     

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。     

障碍物对丙烷-空气爆炸火焰加速的影响

研究了障碍物阻塞率、障碍物间距、障碍物空间位置对丙烷-空气爆炸过程及火焰加速效应的影响。采用雷诺平均（RANS）方程和湍流火焰封闭燃烧模型计算非稳态燃烧过程，主要分析障碍物周围复杂流场特性以及湍流涡与火焰面作用的详细机理。结果表明:阻塞率在0.5~0.7时，障碍物间距对火焰加速效果的影响较大，其中障碍物间距为一倍管径时火焰加速效应最大；而障碍物的空间位置对火焰传播的影响更为显著，当障碍物位于管道单侧时，湍流涡强度最大，火焰褶皱最明显，火焰传播速度最快。     

Combined effects of vortex flow and the Shchelkin spiral dimensions on characteristics of deflagration-to-detonation transition

The objective of this investigation was to achieve the shortest possible distance for the deflagration-to-detonation transition (DDT) for a pulse detonation engine without losing the engine’s simplicity. The effects of rapid flame propagation, rotating velocity, and Shchelkin spiral dimensions in the vortex flow (VF) on DDT characteristics were examined. A VF field was established in the ignition and transition domains of a detonation tube using a VF-type injector. The flame propagation in the ignition domain was observed by a high-speed video camera and the detonation propagation process was observed by measuring the pressure and ionization current in the detonation tube. The DDT distance in the VF could be shortened by 50–57 % of that in the counterflow by optimizing the VF and the Shchelkin spiral dimensions. The shortening effect became remarkable as the rotating velocity increased. The governing factors for this effect are considered to be the formation of an area of higher energy density in the ignition domain of the tube, as well as flame acceleration due to rapid flame propagation in the VF and turbulence promotion near the tube wall by the rotating velocity and the Shchelkin spiral in the transition domain of the tube. However, the combined effects of VF and the Shchelkin spiral on the shortening of the DDT distance were deteriorated in very strong turbulence. It is necessary to optimize the rotating velocity and dimensions of the Shchelkin spiral to achieve the shortest possible distance of DDT in the VF.     

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。     

用于爆轰驱动的射流起爆实验研究

爆轰驱动激波风洞的自由来流模拟范围与驱动气体的爆轰极限密切相关，爆轰极限越宽则模拟范围越大。驱动气体一般是通过点火管进行起爆的，提高点火管的起爆能力可以拓宽爆轰极限。为了提高点火管起爆能力，就点火管口径、点火气体爆轰敏感性和单/双点火管3种因素的影响进行了实验研究。在不同的点火管初始条件下，对驱动段波速进行了测量。结论如下:（1）提高点火管口径可以显著提升起爆能力；（2）点火气体爆轰敏感性对起爆能力有影响，点火管为缩径内型面时，低敏感性气体起爆能力更强，点火管为等径内型面时则低敏感性气体和高敏感性气体的起爆能力大体持平；（3）在保证射流同步的前提下，双点火管能够提高起爆能力，为保证射流同步性需使用化学恰当比的氢氧混气等爆轰敏感性强的点火气体。     

瓦斯/空气预混气体爆燃流场测试系统多参数耦合同步控制实验方法

为了更精确地获得爆炸激波管内瓦斯/空气预混气体爆燃过程中，激波形成过程、压力和火焰传播速度以及火焰与惰性阻燃剂相互作用的流场演化图像。通过分析激波管测试系统中多个目标的时间响应特征及控制方式，利用超高速相机、光电倍增管、时间延时器、固态继电器、电荷放大器和数据采集系统等设备，设计实验方案，分别对激波管中瓦斯/空气预混气体爆燃高压点火系统的响应时间和惰性介质阻燃剂喷射系统的响应时间进行测试。实验结果表明电火花点火的响应时间为微秒量级，而阻燃剂喷射系统的响应时间为毫秒量级，以响应时间为依据，通过设置精确的延迟时间实现多目标同步控制，为完成激波管内瓦斯/空气预混气体爆燃过程的微观流场显示奠定基础。