燃料爆炸抛撒成雾的实验与数值研究

为了合理设计云雾爆轰装置 ,对液体燃料爆炸抛撒规律作了实验与数值模拟研究。获得 6～ 2 5 0kgFAE装置云雾形成的若干重要实验数据。通过实验数据分析给出了云雾膨胀的相似律 ,并研究了爆炸抛撒过程中近场与远场阶段特性 :用一个简化的解析模型描述了液体燃料的近场膨胀 ,给出了液体燃料在加速阶段的极限速度 ;用数值方法研究了远场云雾的物理特性 ,给出了云雾速度场及云雾内部燃料浓度与燃料蒸汽浓度的分布。     

FAE爆炸抛撒后云雾液滴尺寸的测量

利用Dobbins激光散射的方法建立了一套测量FAE爆炸抛撒后远场云雾液滴尺寸的测量系统,研究了FAE爆炸抛撒后液滴Sauter平均直径在不同空间位置随时间的变化过程。得出的散射光强以及Sauter平均直径随时间的变化表明,云雾区的液滴Sauter平均直径在固定点随时间的增加呈减小的趋势,而云雾区的宽度和云雾区液滴的Sauter平均直径则随距爆心距离的增加而增加。     

液体燃料空气炸药形成过程的数值模拟

对液体燃料的爆炸抛撒形成的云雾运动作了数值模拟。建立了多相流模型与算法，给出了云雾区的速度场与燃料浓度分布。云雾的外形变化与实验结果符合较好。     

新型微乳化柴油抛撒和云雾爆炸实验及其抑爆性能评估

为掌握新型微乳化柴油的抑爆性能和机理，开展了?10#柴油、普通微乳化柴油和新型微乳化柴油抛撒和云雾爆炸实验。采用灰色关联分析法，对柴油样品云雾爆炸火球的表面最高温度时的平均温度、高温（高于1 273.15 K）持续时间、火球最大截面积、火球辐射度等特征参数进行定量计算并评估其爆炸威力，又运用液体燃料抛撒和成像系统，研究柴油样品在激波及其高速气流作用下的抛撒雾化现象及其抑爆机理。结果表明:新型微乳化柴油的抛撒云雾径向扩展半径和云雾爆炸火球特征参数均明显小于?10#柴油、普通微乳化柴油，如在含水质量分数为5%的乳化柴油中分别添加质量分数为0.2%和0.4%的高分子聚合物防雾剂，形成的新型微乳化柴油的火球表面最高平均温度比?10#柴油分别低 296.90 和 336.90 K，高温持续时间比?10#柴油分别少 94 和 234 ms；火球最大截面积也分别只有?10#柴油的60.10%、53.53%；新型微乳化柴油的爆炸威力最小，抑爆性能最好，其次是普通微乳化柴油和?10#柴油；微乳化柴油的水分质量分数在15%以下时，多增加10%的水与添加0.2%防雾剂的抑爆效果相当；新型微乳化柴油抑爆性能较好的主要原因是柴油中添加防雾剂使其液滴黏弹性增大，在高速气流剪切作用不易破碎、雾化，液滴分散效果差。     

液体的爆炸抛撒特征

针对液体爆炸抛撒过程设计了实验装置,利用高速摄像仪进行记录。通过研究不同中心装药量和 填充液体的抛撒过程,发现在壳体破裂后,液体沿裂缝处向外飞散。药量较小时,液体分散成树枝状形态,然 后破碎成液滴;药量较大时,则形成液体环状区。对于不同粘度的液体,环状区分别由小液滴及已雾化、汽化 的液体,或大液滴、液体丝及液膜等组成,抛撒过程中其宽度越来越大,大液滴、液体丝及液膜等也逐渐破碎成 细小的液滴。     

爆炸驱动固/液介质爆炸抛撒的实验研究

针对爆炸驱动固/液介质抛撒混合过程设计了透明双层抛撒装置。采用高速运动分析系统记录抛撒装置壳体破碎和固/液界面、固/液介质抛撒形态的演变过程,结果表明:壳体裂纹的产生和断裂首先出现在轴向方向;固/液界面在外层壳体破碎之前清晰可见,表明固/液介质的混合主要发生在壳体破碎之后;导爆索驱动下呈现滑移爆轰驱力特征,介质抛撒形状呈倒圆台形,不同截面处的介质运动速度随截面到起爆端轴向距离的增大而减小。     

一次引爆型固相FAE云雾爆轰半径的研究

研究了氧平衡及爆炸下极限条件对燃料空气炸药（Fuel Air Explosive,FAE）云雾爆轰半径的影响。由固相FAE燃料的氧平衡及爆炸下极限条件,导出一次引爆型固相FAE云雾爆轰半径计算公式,并从理论上给出了FAE云雾爆轰半径的范围。通过对FAE爆炸场超压的测量及对FAE爆炸过程高速摄像分幅照片的定量分析,得到一次引爆型固相FAE的云雾爆轰半径,并将其与计算的云雾爆轰半径进行了对比,计算的云雾爆轰半径与试验值是一致的。研究结果表明,FAE燃料负氧越多,对应的云雾爆轰半径值越大;燃料爆炸下极限值越小,对应的云雾爆轰半径值越大,且固相FAE的爆轰半径不超过爆炸下极限条件爆轰半径。FAE中的高效燃料可以通过氧平衡以及爆炸下极限条件来选择,以此提高FAE的功率。     

多点云雾爆炸波相互作用的数值模拟

为研究多点云雾爆炸超压场的分布特性,利用LS-DYNA程序,对4个非圆柱体云雾的爆炸超压的相互作用过程进行了数值模拟,并与实验结果进行了对比。得到了中心区域冲击波相互作用演化过程与中心竖直方向0~20 m处的超压变化规律,以及0°、90°、135°和180°等4个方向的地面峰值超压随水平距离变化的规律。结果表明:中心区域地面依次出现3重冲击波;地面整体超压场强度向中心区域倾斜。在45°方向竖直截面上冲击波波系由入射波、反射波与马赫波构成。     

壳体对燃料近区抛散速度的影响

通过建立力学模型 ,分析了燃料空气炸药 ( FAE)装置壳体对燃料近区抛散过程的影响规律 ,给出了考虑壳体时燃料近区 (加速阶段 )抛散速度的计算方法。为 FAE爆炸云雾及战斗部弹壳碎片的杀伤作用分析奠定了力学基础。     

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。     

爆炸驱动液体分层现象和液滴尺寸模拟

爆炸驱动液体介质外界面的分散和破碎是气溶胶云团形成的重要过程。采用基于维数分裂的欧拉程序和Youngs混合界面处理方法,对中心药爆炸驱动甘油和水介质流场的液体分层现象进行了数值模拟。结合试验结果推断提出了液滴形成过程的三种并存机制:外层射流破碎、内层R-T失稳和中间液层"空化"破碎,分别建立了不同液层破碎液滴的尺寸模拟方法。对比给出抛撒甘油和水装置初级液滴的尺寸分布及最外层理论射流量。     

液体燃料爆炸抛撒近场阶段的数值研究

对液体燃料爆炸抛撒的复杂过程进行简化 ,建立了近场一维轴对称气相流动的数学模型 ,给出了变质量运动边界的处理方法 ,并进行了数值模拟 ,计算所得r t曲线与试验曲线有较好的一致性。数值模拟预测了在不同比药量条件下 ,燃料抛撒近场阶段内重要参量变化与分布情况。     

强冲击波作用下液体抛撒的实验研究

通过强冲击波作用下液体抛撒的系列实验,总结分析了抛撒液体尺寸、爆炸装药量、抛撒液体性质等对液体抛撒运动过程、抛撒半径及液体抛撒作用时间的影响,发现强冲击波作用下液体抛撒速度随时间呈指数衰减,不同的实验参数对衰减系数将产生一定影响。     

多相燃料空气炸药爆炸压力场研究

采用高速运动分析系统对固态燃料FAE（Fuel Air Explosive）分散、爆轰过程进行光学测量,用压电传感器等组成的压力测试系统对FAE爆炸压力场进行测量,对固态燃料FAE燃料分散、爆轰波及冲击波进行了研究。分析了气-固-液多相爆轰的特征和压力波形的特点,研究了其冲击波峰值超压及比冲量随传播距离变化的规律。在云雾区内,多相爆轰波压力波形具有多峰结构,爆炸波峰值超压及冲量为一恒定值;爆轰区外,爆轰波转变成爆炸冲击波,峰值压力和比冲量迅速衰减,得到了峰值超压、比冲量随传播距离的变化规律。     

HNS-Ⅳ炸药的点火增长模型

进行直径?10mm 的圆筒实验,根据冲击Hugoniot关系,拟合了HNS-Ⅳ炸药的未反应时的JWL 状态方程,并通过数值模拟确定了HNS-Ⅳ炸药爆轰产物JWL状态方程参数;测量炸药/窗口界面粒子速度 历程,结合数值模拟获得HNS-Ⅳ炸药的点火增长模型反应速率方程参数。研究表明,HNS-Ⅳ炸药点火增长 模型能够描述反应过程并与实验结果吻合较好。     

Explosively driven particle fields imaged using a high speed framing camera and particle image velocimetry

A high speed framing camera and a particle image velocimetry instrument were used to determine the properties of explosively driven particle fields in early microsecond and later millisecond times. Test items were configured in a two inch long cylindrical shape with a half inch diameter core of organic explosive. The core was surrounded by a particle bed of aluminum or tungsten powder of a specific particle size distribution. Position data from the leading edge of the particle fronts for each charge was recorded with a high speed framing camera at early time and with a particle image velocimetry (PIV) instrument at later time to determine particle velocity. Using a PIV image, a velocity gradient along the length of the particle field was established by using the mean particle velocity value determined from three separate horizontal bands that transverse the particle field. The results showed slower particles at the beginning of the particle field closest to the source and faster ones at the end. Differences in particle dispersal, luminescence, and agglomeration were seen when changes in the initial particle size and material type were made. The aluminum powders showed extensive luminescence with agglomeration forming large particle structures while the tungsten powder showed little luminescence, agglomeration and no particle structures. Combining velocity data from the high speed framing camera and PIV, the average drag coefficient for each powder type was determined. The particle field velocities and drag coefficients at one meter showed good agreement with the numerical data produced from a computational fluid dynamics code that takes advantage of both Eulerian and Lagrangian solvers to track individual particles after a set post detonation time interval.     

阻燃介质在炸药驱动燃料分散中的应用

为解决燃料空气炸药中的燃料在中心分散装药爆炸驱动抛撒过程中易发生的窜火问题，结合中心分散装药结构设计，引入以超细干粉灭火剂为主体的阻燃介质，采用高速录像和红外热成像仪研究了中心分散药外部填充阻燃介质的情况下，对中心分散药爆炸火球产生的高温及火焰的抑制情况。试验结果表明，中心分散药爆炸火球的最高温度为1 355.4 ℃，温度超过150 ℃的持续时间为264.8 ms。外部填充阻燃介质后，中心分散药爆炸产生的火焰基本消失，火球最高温度下降90%以上，火球表面温度分布不超过100 ℃。同时进行了验证试验，采用填充阻燃介质的中心分散药抛撒1 kg的乙醚和铝粉的混合燃料，分散药与燃料的质量比超过4%时，云雾仍未发生窜火。表明填充阻燃介质可以有效防止燃料在爆炸抛撒过程中发生窜火的问题。     

Experimental technique for generating fast high-density shock waves with phased linear explosive shock tubes

The sequential detonation of a layer of explosive surrounding a pressurized tube can be used to generate fast, high-density shock waves by means of a piston-like implosive pinch travelling at the detonation velocity of the explosive. A novel technique has been developed to extend the regime of operation to piston velocities greater than the detonation velocity of known explosives. This technique consists of cutting a slit in the tamper of a conventional explosive shock tube and introducing a phased detonation wave into the explosive cladding. Preliminary results indicate that quasi-steady shocks can be generated in helium with velocities between 13–17 km/s for initial fill pressures of 6.9 MPa.