油套管特殊螺纹密封面接触应力松弛行为研究

开展了P110T油套管材料的单轴拉伸高温蠕变试验,分析了P110T材料在不同温度、不同拉应力作用下的蠕变力学特性;运用约束最小二乘法建立了P110T材料蠕变速率的解析解数学模型,并根据材料松弛与蠕变的特征关系建立了P110T材料松弛力学规律的数学模型;采用实例分析的方法,得到了P110T油套管特殊螺纹密封面松弛应力的变化规律。结果表明,在相同初始接触应力条件下,温度越高,应力松弛变化现象越明显;在相同温度条件下,初始接触应力越高,密封失效所需的时间越长。     

泄爆面积对甲烷-空气预混泄爆容器结构响应影响的实验研究

利用自主搭建的泄爆容器结构响应测试系统,开展了不同泄爆面积条件下甲烷-空气预混气体泄爆实验,结合振动加速度、内部超压、火焰演化和信号频率-时间分布等探究了泄爆面积对容器结构响应的影响特征及机制。研究发现:（1）容器振动加速度曲线和内部超压曲线具有相似的变化趋势,两者均存在双峰现象,且两者一一对应,但加速度峰值出现略迟;随着无量纲泄爆系数增大,第1个内部超压和加速度峰值主体为增大趋势,而第2个内部超压和加速度峰值的变化趋势为先减小后增大再减小;（2）火焰未到达泄爆口之前,上部的火焰平均速度随着无量纲泄爆系数增大而减小,无量纲泄爆系数较小时火焰较早从泄爆口喷出;（3）在当前实验条件下,当无量纲泄爆系数为25.00时,热声耦合现象最剧烈,表现为最大幅值的振动响应和最大能量的高频振荡,而随着无量纲泄爆系数进一步增大或者减小,热声耦合现象逐渐衰减。     

三维气泡与自由表面相互作用的直接数值模拟

采用VOF中的PLIC界面重构方法数值模拟了三维气泡在液流中上升并与自由表面相互作用的运动.分别考察了不同初始高度,有无来流及有无再生气泡对气泡上升高度、上升速度、压力及与自由表面相互作用等的影响.结果表明:气泡初始位置越低,顶端上升的高度越大,自由面隆起的范围更广.越靠近自由表面,底部射流横向发展越窄,而向上的压力梯度,气泡上升速度,底部射流上升高度越大,反之则反;但如果底部射流均在接近自由表面以前已横向发展充分,则差别不大.气泡外形、上升高度、破裂时间以及上升速度与来流无关.产生再生气泡后,原生气泡与再生气泡相吸,相互加速对方的上升;自由表面抬升的高度增幅较大,范围拓宽,上升速度也大大增加,且再生气泡越多,自由表面隆起的范围越大.     

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.     

水平管道煤尘爆炸残留物时空变化特征

为了研究煤尘爆炸气固态残留物成分差异性及其时空分布规律，利用水平管道煤尘爆炸装置进行了煤尘爆炸实验，收集并分析了气固态残留物类别及特征。研究表明:爆炸后煤尘中灰分显著增加，挥发分和固定碳减少；爆炸前后煤尘的微观形貌特征差别明显，爆炸后煤尘颗粒表面光滑，且产生了颗粒破裂现象，部分颗粒中出现孔洞，少数颗粒呈现薄壳状，颗粒之间出现了粘结现象；煤尘爆炸气体残留物成分主要有氧气、氮气、一氧化碳、二氧化碳、甲烷、乙烯、乙烷、乙炔、丙烷等，爆源点处最低氧气浓度仅为2.52%，一氧化碳浓度达到0.38%~0.68%，距离爆源点越远，氧气浓度越高，碳氧化物气体与烃类气体浓度越低。     

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。     

泄压空间内爆炸温度载荷的影响规律研究(一)——装药质量

基于自主开发的程序开展了泄压空间内炸药爆炸温度场数值计算,初步探讨了装药质量对泄压空间内爆炸温度载荷的影响规律。研究表明:①爆炸发生后,舱室内部气体被迅速加热升高到准静态温度峰值,且随着药量的增大,准静态温度直线上升速率增大;随着泄压口的持续泄压,舱室内部气体温度缓慢衰减到平稳值,且随着药量的增大,准静态温度直线衰减速率加快。②相较同初始条件密闭空间内爆炸,随着药量的增加,泄压对于温度载荷的降低效果更明显。本文的研究可为进一步探讨考虑后燃烧效应爆炸温度场数值计算及毁伤评估提供参考。     

模式自适应连续小波去除趋势项方法在爆破振动信号分析中的应用

为了更精确提取爆破振动信号峰值速度、能量等重要特征,必须对爆破振动加速度信号时域积分中的趋势项予以去除。通过对实测爆破振动加速度信号进行梯形数值积分,提出以时域积分后的爆破振动速度信号来构造模式自适应小波基的方法,并用此方法去除时域积分后爆破振动速度信号中的趋势项,然后对去除趋势项后的爆破振动速度信号进行能量特征分析。结果表明:模式自适应连续小波法成功去除了时域积分后爆破振动速度信号中的趋势项;与建立在传统Fourier变换基础上的频谱分析相比,小波变换的能量分析具有更精细的频率分辨率,更适合于对频率分辨率要求更高的爆破振动信号进行分析;各频率区间范围划分越宽,爆破振动加速度信号与速度信号各频率区间内能量分布的相关程度越高,反之,相关程度越低。     

非常规态型近场动力学热黏塑性模型及其应用

在非常规态型近场动力学(non-ordinary state-based peridynamics, NOSB-PD) 理论框架下构建了考虑应变率效应、塑性硬化、热软化效应和材料断裂特征的非局部三维热黏塑性固体本构模型以及相应的非局部空间积分型数值算法, 并应用于金属类材料和构件在冲击载荷作用等工况下的高应变率热黏塑性变形与破坏分析. 通过对经典含初始裂纹Kalthoff-Winkler板冲击试验进行三维近场动力学模拟, 可得到裂纹的起裂角度、扩展路径、扩展速度以及裂纹扩展过程中靶板等效应力和温度分布, 所得结果与已有试验结果和其他数值方法结果吻合较好. 在此基础上, 应用该模型分析了不同冲击速度作用下金属靶板的变形与裂纹扩展过程, 结果表明: 该模型能较好地模拟不同冲击速度(应变率)情况下靶板的变形与破坏全过程. 随着冲击速度变化, 初始裂纹的起裂时间、扩展方向和扩展速度呈一定规律变化. 冲击速度越低, 起裂时间越晚(直至冲击速度低于某值时初始裂纹不扩展), 裂纹扩展速度峰值越低, 冲击过程中靶板温度峰值越低, 完全扩展所需时间越长.      

非常规态型近场动力学热黏塑性模型及其应用

在非常规态型近场动力学(non-ordinary state-based peridynamics,NOSB-PD)理论框架下构建了考虑应变率效应、塑性硬化、热软化效应和材料断裂特征的非局部三维热黏塑性固体本构模型以及相应的非局部空间积分型数值算法,并应用于金属类材料和构件在冲击载荷作用等工况下的高应变率热黏塑性变形与破坏分析.通过对经典含初始裂纹Kalthoff-Winkler板冲击试验进行三维近场动力学模拟,可得到裂纹的起裂角度、扩展路径、扩展速度以及裂纹扩展过程中靶板等效应力和温度分布,所得结果与已有试验结果和其他数值方法结果吻合较好.在此基础上,应用该模型分析了不同冲击速度作用下金属靶板的变形与裂纹扩展过程,结果表明:该模型能较好地模拟不同冲击速度(应变率)情况下靶板的变形与破坏全过程.随着冲击速度变化,初始裂纹的起裂时间、扩展方向和扩展速度呈一定规律变化.冲击速度越低,起裂时间越晚(直至冲击速度低于某值时初始裂纹不扩展),裂纹扩展速度峰值越低,冲击过程中靶板温度峰值越低,完全扩展所需时间越长.     

大尺度开敞空间油料蒸气云爆炸超压与火焰传播机制研究

为探究大尺度开敞空间油气爆燃动态发展过程,利用自行设计并搭建的大尺度开敞空间油气爆燃模拟实验条件测试系统,通过可视化监测手段及对压力与火焰信号的采集获得了油气爆燃过程中关键参数的变化规律。结果表明:在不同的初始油气浓度下引燃预混油气混合物将形成三类主要的燃烧模式;油气浓度接近爆炸极限范围内时火焰主要分布于台架的内场、点火面后方及正上方,根据动态超压时序发展曲线可将爆燃过程划分为3个子阶段;爆燃火焰传播速度呈波动性下降趋势,并可与超压发展阶段相互耦合;随着初始油气浓度的增加,超压峰值呈现出先减后增的趋势,形成峰值耗时则呈现相反规律;爆燃火焰的温度梯度与火焰行进方向相关,火焰峰面温度梯度通常小于尾端火焰;爆燃辐射峰值形成时间与火焰强度相比具有一定的延时性,爆燃传播末期更易于形成高强度辐射。     

空气炮碰撞实验台发射过程的数值模拟

利用计算流体动力学方法对单级空气炮碰撞实验台的发射过程进行了数值仿真,所得碰撞车发射速度与实验结果吻合。在此基础上,对碰撞车发射过程的流场变化、车体前后压力以及储气罐压力变化进行分析。结果表明,泄漏气体先于碰撞车充满整个发射空间,形成初始流场,使得车前压力出现正负交替现象,但其数值较小,对车体加速过程的影响可以忽略。当碰撞车进入泄压段后,受冲击射流作用,碰撞车仍处于加速状态,且速度增量约为2 m/s。     

炭黑颗粒对丁苯橡胶材料力学性能的影响

利用电子万能材料试验机,对不同体积分数的炭黑填充丁苯橡胶复合材料进行了单向拉伸和循环拉伸加卸载等准静态力学试验,研究了炭黑填充橡胶材料单向拉伸应力应变关系、Mullins效应、调制应变相关性和拉伸断裂力学行为等.试验结果表明:调制应变越大,橡胶材料的刚度越小,橡胶的非线性应力应变关系越明显;炭黑含量越高,橡胶材料的初始模量和刚度越大,应力反翘现象和Mullins效应越显著;同时,随着炭黑体积分数的增加,炭黑填充丁苯橡胶材料的拉伸强度和断裂伸长率将呈现先增大后减小的趋势.     

水下爆炸冲击凹陷液面诱导射流研究

利用液滴坠落冲击直管中水平液面产生半球形凹陷,并以此凹陷液面作为初始界面进行水下爆炸冲击诱导射流的实验研究。以高速摄影为主要手段,结合Fluent数值模拟,揭示了凹陷液面在水下爆炸冲击作用下的变形过程和机理。实验结果表明,随着爆炸的发生,液面凹陷中心会汇聚形成纤细光滑的射流,同时在管壁附近会产生附加环状射流,这明显区别于冲击直管中水平液面诱导射流的现象。进一步研究发现,中心射流的产生主要源于液面凹陷对爆炸能量的汇聚作用,而附加射流的产生受到液面初始形状和管壁剪切阻力的共同影响,二者经历短暂的加速过程之后均以一个近似恒定的速度向上抬升。通过考察能量对射流的影响发现,中心射流与附加射流的速度均与充电电压(爆炸能量的1/2次方)呈线性正相关;中心射流形态特征基本不变,附加射流则随能量的变化呈现不同的形态。     

气流作用下同轴带电射流的不稳定性研究

通过对气体驱动同轴电流动聚焦的实验模型进行简化,开展了电场力和惯性力共同作用下同轴带电射流的不稳定性理论研究.在流动为无黏、不可压缩、无旋的假设下,建立了三层流体带电射流物理模型并得到了扰动在时间域内发展演化的解析形式色散关系,利用正则模方法求解色散方程发现了流动的不稳定模态,进而分析了主要控制参数对不稳定模态的影响.结果表明,在参考状态下轴对称模态的最不稳定增长率最大,因此轴对称扰动控制整个流场.外层气流速度越高,气体惯性力越大,射流的界面越容易失稳.内外层液-液同轴射流之间的速度差越大,射流越不稳定.表面张力对射流不稳定性起到促进作用.轴向电场对射流不稳定性具有双重影响:当加载电场强度较小时,射流不稳定性被抑制;当施加电压大于某一临界值时,轴向电场会促进射流失稳.临界电压的大小与界面上自由电荷密度和射流表面扰动发展关系密切.这些结果与已有的实验现象吻合,能够对实验的过程控制提供理论指导.     

超临界CO_2作用下煤体膨胀变形规律试验研究

为解决采用应变片对超临界CO_2作用下煤体膨胀变形进行点测量时,试验结果离散性大、超临界CO_2作用导致应变片易脱离破损等问题,自主研发了具有施加热流力载荷功能的膨胀体积应变测量装置,对不同温度、压力的超临界CO_2作用下,煤体膨胀体积变形规律进行研究。结果表明:煤体膨胀体积应变随超临界CO_2作用时间增加呈现先增大后趋于稳定的变化规律;当孔隙压力不变时,膨胀体积应变随超临界温度的升高而增加,温度越高,达到稳定膨胀变形所需时间越长;当温度不变时,随着超临界孔隙压力增加,膨胀体积应变也随之增大,但达到稳定膨胀变形所需时间随孔隙压力的升高呈先增加后减少的趋势;超临界CO_2作用下,煤体体积应变随温度和孔隙压力均呈"S型"Logistic函数规律变化;膨胀体积应变对超临界温度和孔隙压力的变化率具有分区性,其变化率大小排序依次为:近临界区跨临界区高临界区。     

应力波对滑移弱化断层的动态触发作用

将断层简化为满足线性滑移弱化摩擦准则的理想裂纹界面。在考虑初始应力的条件下,研究了应力波通过两个相互接触的弹性半空间时的透射和反射关系。在此基础上,得出了应力波扰动断层时的初始滑移条件和不稳定滑移条件,并分析了断层动态触发与扰动应力波、断层特性和初始状态等因素的关系。当入射角一定时,入射波频率越高,所需振幅越大;断层的临界滑移越大,断层越稳定,扰动应力波所需振幅越大。     

空心弹高速入水机理及特性数值模拟研究

为分析空心弹高速入水的机理及其特性,基于雷诺时均Navier-Stokes方程、VOF(volume of fluid)多相流模型、Realizable k-ε湍流模型,引入Schnerr-Sauer空化模型和重叠网格技术对空心弹高速入水进行数值模拟研究,获得了通孔孔径和头部形状对空心弹的空化特性、空泡形态和入水运动特性的影响规律。研究显示数值计算的空泡形态和入水速度、位移曲线与实验结果吻合较好,验证了数值模拟方法的可行性。结果表明：当通孔孔径不同时,通孔孔径越大,空化现象越明显,通孔射流越长,但对空泡半径的影响不大;通孔孔径越小,空泡闭合时间越早,与水面碰撞产生的阻力系数峰值越高,空心弹入水稳定后其阻力系数也越大;无量纲直径在0.575～0.600之间时,空心弹的运动最为稳定。当头部锥角不同时,头部锥角越大,空泡直径越大,空化现象出现得越晚,但空化生成的速度更快;随着头部锥角的增大,阻力系数变大,空心弹的速度衰减变快,相同时间运动的距离较短;头部锥角越大,俯仰角的变化越小,空心弹的运动越稳定。     

爆炸聚能作用下混凝土试件劈裂的高速3D DIC实验

为探寻非钻孔条件下露天爆破大块二次破碎形态的控制方法, 应用线性聚能射流对圆柱混凝土模型试件进行侵彻实验, 使用High-speed 3D DIC(高速三维数字图像相关方法)方法分析试件劈裂发展过程的全场三维形变特征。研究结果表明, 数据分析区内劈裂裂纹扩展速度在4个区间内呈阶梯式变化趋势, 峰值速度为235.52 m/s, 平均速度为140.89 m/s;线性聚能射流侵彻对劈裂裂纹扩展有明显导向作用, 应力集中作用使得劈裂裂纹围绕线性射流侵彻对称轴扩展, 扩展方向变化幅度较小;在劈裂裂纹扩展速度突变的3个时刻, 劈裂裂纹路径产生了3处明显拐点, 在拐点处伴随有支裂纹的产生, 支裂纹的扩展距离均未超过5 cm;主应变集中带形状及分布位置决定了裂纹扩展路径及趋势, 拉应变集中先于裂纹出现, 试件呈现准静态劈裂形态, 劈裂面平整度较高。     

超高分子量聚乙烯材料的应力松弛研究

采用实验方法研究超高分子量聚乙烯(UHMWPE)材料,在不同温度、应变率和初始应变的条件下进行单轴压缩应力松弛实验,得出松弛应力与时间成非线性关系,且温度越高、应变率越大、初始应变越小,则最终稳定的应力值越小的结论．采用时间分数阶粘弹性模型,结合Boltzmann叠加原理推导出UHMWPE材料在整个加载段及松弛段的应力响应函数,并与实验数据最小二乘拟合．结果表明,时间分数阶Scott-Blair模型能很好地描述UHMWPE材料的粘弹性行为．