铝粉－空气混合物燃烧转爆轰（DDT）过程的实验研

在水平粉尘爆轰管上分别对２ｍ、５ｍ和１３ｍ三种粒径的铝粉－空气混合物进行了弱点火条件下燃烧转爆轰的实验研究。实验分别考察了粉尘浓度、颗粒尺度及扬尘方法等因素对爆轰特性（如爆轰速度、最大压力等）的影响。结果表明，２ｍ球形铝粉最大爆轰压力达７．８ＭＰａ、稳态爆速达１．９５ｋｍ／ｓ；５ｍ铝粉亦有爆轰特征，但状态较弱；１３ｍ的铝粉达不到爆轰。混合物的浓度对爆轰参数有影响，并存在最优浓度，在此浓度下，爆轰参数取得最大值，而且最优浓度的值随粉尘颗粒直径增加而增大。扬尘方法对爆轰特性有影响，预混粉尘与激波卷扬粉尘对比实验表明，其压力与速度的典型差别分别高达３００％与７４％。     

粉尘火焰加速现象的实验研究

粉尘火焰的发生、加速及由爆燃向爆轰转捩的机理是个至今尚未弄清的问题。需要解决的技术关键之一是在实验室实现弱点火条件下的粉尘火焰加速直至达到爆轰状态。着手发展了一种球形喷粉扬尘装置，令产生的扬尘湍流在水平实验管中形成空间均匀分布和维持秒级悬浮的粉尘云状态。采用以上扬尘装置的水平实验管，在６ｇ黑火药的六点平面点火条件下获得了微细铝粉火焰经５ｍ长的传播过程加速至１０００ｍ／ｓ的实验结果。给出了扬尘湍流强度、粉尘粒度与浓度、点火能量及方式等因素对粉尘火焰加速过程中所起作用，及变截面效应（由小变大）对粉尘火焰减速的影响。     

2021-08期封面

铝粉反应模型是对悬浮铝粉尘气-固两相爆轰进行数值模拟研究的关键。通过考虑铝粉燃烧产物氧化铝（Al₂O₃）在高温下的分解吸热反应,改进了铝粉的扩散燃烧模型。将该模型嵌入到三维的气-固两相爆轰数值计算程序中,分别对铝粉/空气混合物以及铝粉/氧气混合物的爆轰进行了数值模拟,计算得到的稳定爆轰波速度与实验结果、文献值均吻合较好,误差小于5.5%,表明改进的铝粉反应模型适用于不同氧化气体氛围中铝粉尘爆轰的模拟计算。此外,对两相爆轰参数及爆轰流场的物理量分布进行分析,获得了铝粉反应模型对爆轰波结构的影响规律。     

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.     

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.     

可爆性气体爆炸极限和爆燃转变成爆轰的研究

我们成功地研制了长为6.6m、内径为100mm的柱形爆炸激波管。利用此激波管我们研究了氢气和氧气混合物的爆炸特性。研究表明:氢气和氧气混合物的可爆性极限为25％H2至84％H2（体积比）;混合物起爆的临界初始压力P0c近似与混合物的浓度无关。我们还用石英传感器技术测量了混合物从爆燃转变为爆轰的过程（DDT）,确定了爆炸速度、爆炸压力与混合物初始压力P0的关系。爆燃波速度D和压力P快速增加,并且DG0（声速）时,爆燃波能转变成爆轰。爆燃波速度D和压力P衰减时,爆燃波将熄灭。氢氧混合物浓度接近上限时,爆燃向爆轰转变时的爆轰呈过激励状态,然后逐渐趋于正常爆轰。C-J理论可近似预估气体爆轰参数。     

铝粉爆炸特性的实验研究

本文研究了扬尘湍流、铝粉浓度、颗粒度和气相中氧浓度等因素对铝粉爆炸特性的影响。研究结果表明,铝粉颗粒度对铝粉爆炸有十分明显的影响。颗粒度越小,其它因素对铝粉爆炸的影响也越明显。在粉尘爆炸中,较强的扬尘湍流能够使更多粉尘悬浮,有利于粉尘的燃烧并且加快了其燃烧速率。     

微细球形铝粉爆炸特性的实验研究

从工业安全角度出发,在三种不同实验装置上对五种粒度(直径由3～30m)的球形铝粉的爆炸特性进行了全面、系统的实验研究。研究结果主要给出了铝粉在封闭容器的爆炸过程中,其粉末浓度、粒度、含氧量和初始扬尘湍度强度对爆炸后的最大压力升值、最大能量释放率和最低极限着火粉尘浓度的影响。结果表明:铝粉粒度和含氧量是对铝粉爆炸参数有最主要影响的两个因素。     

爆轰波管中铝粉尘爆轰的数值模拟

用两相流模型对爆轰波管中的铝粉尘的爆轰波进行了研究。模型考虑了气体和颗粒两相间速度和温度的不同及由于管壁引起的对流热传导和粘性引起的耗散,考虑了由于铝颗粒表面粗糙使得表面积增加的因素。铝颗粒的点火判据使用了新的判据,即铝颗粒在激波后的气流中温度达到铝的熔点且铝全部熔化即被点火。数值模拟了内径为15.2cm的爆轰波管中铝粉尘中爆轰波的传播和发展,得到了爆轰波速度及铝颗粒点火距离,还得到了爆轰流场中物理量的分布。从前导激波面到CJ面处,两相间的速度和温度有明显的差别。还考虑了粒子由于粗糙引起的表面积增加对爆轰波的影响,这个因素对铝颗粒的点火距离的影响较大,对这里计算的铝粉尘爆轰波的速度基本没有影响。结果表明,两相流模型可以较好地描述铝粉尘的爆轰过程,得到具有很粗糙表面、平均粒子直径为3.4m的铝粉尘浓度为304g/m3时爆轰波的速度为1.63km/s,点火距离为3mm,与实验值符合较好。     

铝粉尘激波点火的实验研究

介绍了用铝粉氧化反应所生成的中间产物的特征光谱来测量铝粉尘受激波点火延迟的新的测量方法．测量了三种不同形状和粒度的铝粉尘激波点火延迟。由实验证实，当环境温度在Ａｌ２Ｏ３的熔点左右时，铝粒都可以被点火；由于机制的不同，点火延迟相差很大；点火延迟与铝粉颗粒的比表面积和活性铝的含量有关，而与环境的氧含量基本无关；但当氧含量小于１％时，铝粉尘不能被点火。     

一维粉尘爆轰波结构的数值计算

本文发展了P.Wolanski等人建立的关于一维自持粉尘-空气混合物的爆轰模型,考虑了气、固两相通过击波以后的温度弛豫效应。作者根据文献中所建立的Chapman-Jouguet条件的表述:在定常爆轰的C-J平面上,我们有M=1和dM=0,给出了一种确定自持爆速的有效算法。这一方法具有独立于方程组的积分方式,因而优于至今人们给出的其他同类算法。用改进后的模型和算法,作者对粉尘爆轰波结构的基本特征和参数影响作了初步探讨。文中一些理论结果还与国外同类实验结果进行了对比。     

Combustion tube studies of dust flame acceleration

A new pneumatic dispersion system for obtaining a good quality uniform dust suspension in a horizontal dust combustion tube was developed. The effect of three different dispersion techniques on self-sustained dust flame acceleration in such a combustion tube was examined. The importance of the dispersion quality in the test tube for maintaining a self-sustained dust flame acceleration was demonstrated. A combustion tube for studies of flame acceleration in fine aluminum dust-air mixture and its transition to detonation under industrial ignition conditions was constructed in the course of the present study. It consists mainly of an initiation section and a test section. The initiation section must be equipped in a well-developed dispersion system for creating a good dispersion condition in the test tube. The length of this section is 3 meters. The test tube requires only to distribute uniformly the dust over the bottom of the tube prior to the experiment. The aluminum dust spherical in shape with 6 μm in diameter was used for tests. Experimental results demonstrated that the increase in flame velocity is roughly linear through the entire length of the test tube. The highest flame propagation velocity in fine aluminum dust-air mixture approaches some 1200m/s at a distance of 4.8m from the ignition plane.     

基于CE/SE方法模拟空气中RDX-Al悬浮粉尘的两相爆轰

通过CE/SE方法模拟了空气中炸药-铝粉尘的两相爆轰过程, 研究了双粉尘爆轰过程中粒子不同密度对爆轰波速度、压力的影响, 得到密度与波速、爆压间的线性关系。模拟得到悬浮粉尘在复杂通道中的爆轰波传播过程, 研究了双粉尘爆轰的流场演化过程, 选取流场中的一些点对该处流场的压力及温度随时间的变化进行重点研究, 对比了单铝粉尘在同种条件下的爆轰过程, 发现双粉尘爆轰明显提高了爆轰波波速和流场的压力及温度。模拟结果表明CE/SE方法可以成功模拟双粉尘的爆轰过程, 可为多粉尘爆轰的研究提供参考。     

玉米粉－氧气混合物中爆轰波的数值模拟

建立了描述可燃粉全－氧气混合物爆轰波的一维两相反应流模型，用ＭａｃＣｏｒｍａｃｋ有限差分格式求解了控制方程，成功地模拟了玉米粉－氧气混合物在氢－氧爆轰驱动下爆轰波的传播过程，其数值结果在接近稳态爆轰区时与实验规律有良好的一致性。     

悬浮RDX炸药和铝颗粒混合粉尘爆轰的数值模拟

采用两相流方法对炸药颗粒直径为20.0 m时与铝颗粒混合物的爆轰波的发展与传播过程及爆轰波参数进行了数值计算。结果表明,在炸药粉尘中加入铝颗粒,可以大大提高爆轰波参数。当铝颗粒直径为3.4 m时,尽管铝颗粒的直径较炸药颗粒直径小,但由于炸药颗粒的点火温度低,二者的点火时间相差不多。如果铝颗粒的直径为7.0 m,由于铝颗粒的点火滞后于炸药颗粒的点火,混合颗粒粉尘中可能形成双波阵面的爆轰波。     

铝粉/空气二维黏性两相爆轰的数值模拟

为了深入研究爆轰波形成和传播的机理与特性,建立了管内铝粉/空气二维黏性两相爆轰过程的数学模型,采用守恒元与求解元方法进行数值计算,并对其物理参数的分布进行了分析。结果表明:管内燃烧转爆轰的初期,压力沿径向变化明显,与壁面碰撞有明显的反射波;燃烧转爆轰的中后期,压力沿轴向变化明显,但径向效应仍不能忽视,碰撞形成的反射波对最终稳定爆轰波的形成影响较大。研究结果同时表明:不仅铝粉颗粒初始半径对爆轰波的形成与传播有一定的影响;而且气体的黏性作用在研究爆轰管内近壁面处流场时不容忽视。研究结果有利于进一步揭示铝粉燃烧转爆轰的机理。     

Three-dimensional numerical simulation of detonations in coaxial tubes

Three-dimensional numerical simulation of detonations in both a circular tube and a coaxial tube are simulated to reveal characteristics of single spinning and two-headed detonations. The numerical results show a feature of a single spinning detonation which was discovered in 1926. Transverse detonations are observed in both tubes, however, the single spinning mode maintains the complex Mach reflection whereas the two-headed mode develops periodically from the single Mach reflection to the complex one. The calculated cell aspect ratio for the two-headed mode changes from 1.09 to 1.34 as the radius of axial insert increases from r ₁/R = 0.1 to 0.9. The calculated cell aspect ratio for r ₁/R = 0.1 is close to the experimental results without an axial insert. The formation of an unreacted gas pocket behind the detonation front was not observed in the single spinning mode; however, the two-headed mode has unreacted gas pocket behind the front near the axial insert.