柴油爆炸性能外场实验研究

通过?30 mm杀爆燃弹外场炮击实验,模拟车辆、装备油箱被炮火击中后二次爆炸场景,采用高速照相机、红外热成像仪分别记录引爆柴油过程和爆炸火球的温度场,对比评估普通柴油、含水型柴油和抑爆型柴油的爆炸特性。实验结果显示:炮弹射击油箱瞬间,柴油液滴被抛撒出油箱,与空气快速混合形成气溶胶,并在炸药能量作用下引发爆炸,形成爆炸火球;不同类型柴油的爆炸火球均经历3个发展阶段,但其尺寸、扩展速率和表面温度等有较大差别,普通柴油和含水型柴油的火球这3个参数比较接近,都大于抑爆型柴油;含水型柴油的油箱毁伤容积为108.00 dm3,远高于普通柴油的57.65 dm3和抑爆型柴油的38.15 dm3。研究表明,抑爆柴油中的高分子聚合物能起到较好的抑爆作用。     

柴油舱组集中透气管燃爆危险性及阻隔防爆技术

对常温常压下柴油舱组集中透气管中柴油蒸汽的燃爆危险性以及阻隔防爆技术的抑爆效能开展了实验研究。利用nac HX-3高速相机和CY-YD-205压力传感器记录燃爆传播过程和爆炸超压,阻隔防爆装置分别采用新型抑爆小球和普通波纹型阻火器。结果表明:常温常压下,一旦柴油油舱发生爆炸,爆炸火球可以通过透气管传播到相邻油舱,并引起二次爆炸,具有较大的危险性;普通波纹型阻火器在爆炸过程中阻火失效,而新型抑爆小球具有较好的抑爆效果;相对于光滑透气管工况,在点火舱上方安装抑爆小球后,被点火舱内的最大爆炸超压可以显著地从552.5 kPa降低到35.0 kPa;抑爆小球的中空多孔结构是其阻隔防爆的关键,多孔结构不仅可以增大比表面积、扩大热损失,而且还可以有效地分割削弱反应面。     

柴油的烤燃燃爆性能实验

为研究3种柴油燃料装入76 L标准小型货车油箱在明火烤燃下的燃爆特性,利用摄像机、高速照相机、红外热成像仪、热电偶以及电子秤分别记录并测量了油箱的烤燃过程及其产生的喷射火焰表面最高温度、火焰尺寸、油箱内外部温度变化、油料蒸发速率等参数。结果表明:相同烤燃条件下,-10#柴油油箱发生剧烈燃烧和爆炸,防火柴油与阻燃抑爆柴油油箱出现了喷射火焰。防火柴油油箱喷射火焰最高温度、火焰高度、内部蒸气温度和油液温度平均升温速率比-10#柴油分别降低31.39%、75.34%、39.05%和57.32%;阻燃抑爆柴油油箱喷射火焰最高温度、火焰高度、油料质量蒸发速率、内部蒸气温度和油液温度平均升温速率比防火柴油分别降低24.67%、61.11%、14.29%、7.54%和7.54%;阻燃抑爆柴油在抑制火焰温度上升、火球尺寸增长以及降低质量蒸发速率上效果更明显。     

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。     

负压环境对乳化炸药爆炸温度场和有害效应的影响

为了探究负压条件下乳化炸药的爆轰反应机制，利用自制的可视化球形爆炸罐，通过高速摄像机、压力传感器和噪声仪分别记录乳化炸药的爆炸火焰传播过程、爆轰波压力和爆炸噪声，采用比色测温技术重构了爆炸火球的二维温度场，并深入研究了初始真空度对乳化炸药爆炸温度场、爆轰波特征参数以及爆炸噪声的影响。实验结果表明：随着初始真空度的提高，爆炸火球亮度更高，持续时间更长，形态更稳定；当真空度为0 k Pa时，火球在19.35μs时破裂，而当真空度为100 k Pa时，火球在58.05μs才开始破裂；低初始真空度对火球温度影响较小，而60 k Pa以上的初始真空度会显著提高乳化炸药的爆炸温度；冲击波峰值压力和比冲量均随着初始真空度的升高而降低，但初始真空度对冲击波正压作用时间变化的影响不明显。AUTODYN数值模拟结果表明，随着真空度的提高，冲击波峰值压力降低，冲击波速度逐渐降低至与爆轰产物的膨胀速度接近。此外，初始真空度的提高有利于降低爆炸噪声，与常压相比，当罐体内真空度为100 k Pa时，爆炸噪声的声压级降低了35.9 d B，降幅为29.8%。     

含能微球敏化乳化炸药水下爆炸能量输出特性研究

将内部含有烷烃的含能微球引入乳化基质,得到一种新型乳化炸药。采用水下爆炸实验探究微球质量分数对乳化炸药水下爆炸性能的影响,得到含能微球质量分数为0.2%～7%的乳化炸药水下爆炸冲击波压力-时程曲线。依据压力结果,通过公式计算和分析得到炸药的水下冲击波峰值压力、比气泡能、比冲击波能以及比爆炸能等水下爆炸参数。实验结果表明:含能微球质量分数0.2%的乳化炸药的峰值压力最大,并且随着微球质量分数增大而下降;乳化炸药的比气泡能随着含能微球质量分数的增大先上升再下降,微球质量分数为4%的比气泡能最大;乳化炸药的爆速、比冲击波能以及比爆炸能均随着含能微球质量分数的增大而下降。     

稀土金属材料填充方式对预混气体爆炸特性抑制研究

利用20 L球形爆炸装置，探究了在多孔稀土金属材料两种不同的填充方式（球状和片状）下甲烷-空气预混气体爆炸特性的变化规律，考虑了留空率和填充密度对预混气体爆炸特性的影响，并利用压力传感器记录球体内爆炸压力曲线。研究结果表明:甲烷爆炸压力、最大压力上升速率和爆炸指数均与留空率呈正比例关系，与填充密度呈反比例关系，片状材料下最大压力下降幅度大于球状材料下的；片状材料抑爆性能优于球状材料的，片状材料的双重抑爆作用对爆炸威力的影响更甚；2种不同填充方式下阻火抑爆的主要机理存在差异。     

CF3I和CO2抑制甲烷-空气爆炸实验研究

为了探究三氟碘甲烷CF₃I和二氧化碳CO₂复合使用对甲烷爆炸的抑制效果,采用容积为20 L的球形爆炸实验装置,研究了单独和复合使用三氟碘甲烷和二氧化碳对甲烷爆炸压力特性的影响。研究结果表明:添加三氟碘甲烷和二氧化碳后,甲烷爆炸极限范围逐渐缩小,且三氟碘甲烷对甲烷爆炸极限的影响更显著,当三氟碘甲烷和二氧化碳的体积分数分别达到5.5%和32.0%时,甲烷爆炸上下限重合,临界氧的体积分数分别为17.85%和12.50%。可见三氟碘甲烷对甲烷爆炸极限的影响机制与二氧化碳不同,并不是通过降氧为主而发挥抑制作用的。三氟碘甲烷对甲烷爆炸的抑制效果明显优于二氧化碳,对比体积分数为9.5%的甲烷爆炸最大爆炸压力和最大爆炸压力上升速率下降的比率,5.0%三氟碘甲烷的抑爆效果约是等量二氧化碳的6倍和5倍。二氧化碳掺混少量三氟碘甲烷后,抑爆效果大幅提升,掺混比例越,高效果越明显,且对抑制甲烷爆炸压力作用的提升更显著。三氟碘甲烷掺混体积分数大于等于1.0%时,二氧化碳单位增量导致甲烷最大爆炸压力下降的幅度有所增加。这说明三氟碘甲烷的加入具有改善抑爆效果和增强抑爆效率的双重作用。     

含NaCl超细水雾对不同阻塞率管道内爆炸的抑制

针对长距离输气管道频发的爆炸问题，在自行搭建的水平透明管道平台中开展了含NaCl超细水雾对不同阻塞率管道爆炸特性的影响研究。通过对瓦斯爆炸压力、火焰传播速度等特征参数进行分析，探究含NaCl超细水雾与不同阻塞率泄压口对爆炸特性的影响规律。结果表明:仅在不同阻塞率（0、0.2、0.4和0.6）的泄压口作用下的管道瓦斯爆炸，爆炸超压随着管道阻塞率的增大而增强，阻塞率与火焰锋面传播至管道末端时间呈非线性关系，在阻塞率为0.2时火焰平均速度最快；两者共同作用下，雾通量为8.4 mL、质量分数为8%的NaCl超细水雾阻火抑爆效果最佳，最大爆炸压力下降幅度可达59.2%；含NaCl超细水雾直接作用于爆炸火焰从而抑制爆炸传播。     

椭圆截面侵彻弹体爆炸特性试验研究

为研究椭圆截面侵彻弹体的爆炸特性，设计并开展了静爆威力外场试验。将质量为255 kg的弹体竖立于木质托弹架上，质心距地面高度为2 m，采用试验引信起爆弹体装药。通过航拍无人机实时拍摄整个爆炸过程，在长轴和短轴方向布置扇形效应钢板以获取破片数量及穿甲率，采用超压传感器测量距弹轴7、10和12 m处的冲击波超压，并对弹体爆炸后的宏观景象以及火球、破片和冲击波超压特性进行了详细分析。结果表明，火球演化形貌与破片散布区域关于弹体长轴和短轴呈对称分布；火球演化过程分为快速成长阶段、高温稳定阶段以及自由扩散阶段，火球尺寸在爆炸后41.7 ms达到最大，短轴和长轴方向的最大尺寸分别为21.86、19.29 m，且火球在长轴方向发生了明显的二次膨胀；短轴方向的破片尺寸小、数量多、穿甲能力强，而长轴方向的破片特性恰好相反；冲击波超压峰值、冲量及速度均随传播距离增大而不断减小。综合试验结果对比分析，认为椭圆截面侵彻弹体的非轴对称结构和非均匀壁厚对爆炸特性影响较大，是造成火球形貌及破片非轴对称分布的根本原因。     

油箱明火烤燃燃爆特性实验研究

车辆在遭遇事故或高温天气时容易起火自燃,车辆油箱可能发生爆燃,威胁人员的生命安全。为研究装有油料的油箱在明火烤燃下的燃爆特性,采用摄像机、红外热成像仪和热电偶对油箱在烤燃过程中喷射火焰的表面温度和尺寸以及油箱内部温度进行测试,以76L油箱为研究对象,对比不同密闭条件和填充情况下油箱的燃爆特性。实验结果表明:油箱在出油口关闭、未填充抑爆材料时,易发生爆炸,烤燃产生的爆燃火球表面最高温度在1800K以上,火球体积约为油箱体积的1600多倍;油箱内填充抑爆球可使喷射火焰的最高表面温度和尺寸显著降低;在相同条件下,油箱内柴油蒸气的平均升温速率比汽油蒸气低36.0%,最高温度低16.2%。     

比色测温技术在瞬态爆炸温度场测量中的应用研究

为了研究瞬态爆炸温度场分布规律,基于高速相机、黑体辐射理论、图像传感器的拜尔阵列和自编python代码,构建了依据比色测温原理的高速二维温度测试系统,并对添加不同含量TiH₂的乳化炸药、TiH₂粉尘以及C₂H₂气体的爆炸温度场进行了测量。实验结果表明:TiH₂的加入可以显著提高炸药的爆炸温度和火球持续时间,当乳化炸药中的TiH₂质量分数为6%时,爆炸平均温度最大值为3048 K,相比纯乳化炸药提高了41.5%;此外,TiH₂粉尘云火焰平均温度呈现先增大,再稳定,最后减小的趋势,浓度为500 g/m3的粉尘云火焰平均温度高于浓度为833 g/m3的平均温度,其最高平均温度分别为2231 和 2192 K;10%C₂H₂/90%空气预混气体（即体积分数为10%的C₂H₂和90%空气组成）的早期火焰温度均匀,内部略低于边缘温度,随着火焰膨胀,火焰边缘温度逐渐升高,火焰平均温度开始降低。与传统爆炸测温手段相比,比色测温方法可以准确测量某区域的瞬态爆炸温度,获得温度分布云图,为研究瞬态爆轰温度规律及影响因素提供了一种新的技术手段。     

褐煤爆炸冲击气流传播特性与CO生成特性数值模拟

为研究褐煤爆炸过程中冲击气流传播特性及CO毒气生成特性，以水平管道煤尘爆炸实验装置为依托，按1∶1比例建立水平管道几何模型，在构建煤尘爆炸动力传播特性数学模型的基础上，展开冲击气流传播特性与CO生成特性模拟分析。结果表明:通过对比不同时刻褐煤爆炸火焰传播距离模拟值与实测值，验证了模拟方法的可靠性。以冲击气流传播速度模拟值划分空间区域，得到:z=0～0.1 m为初始扬尘区，z=0.1～0.42 m为冲击气流速度跃升区，z=0.42～0.98 m为冲击气流高速传播区，z=0.98～1.4 m为冲击气流缓冲区。z=0.2 m与z=0.4 m截面上距圆心越远，冲击气流传播速度越大，这是由流体流动的“壁面效应”导致的，壁面附近空隙率大于流体内部，流动时所受阻力比较小，因此出现冲击气流在近壁处流速较大的分布特征。模拟CO毒气产物生成特性发现，管内z=0.3～0.6 m为CO质量分数相对最高的空间范围，局部最高达到0.024%～0.026%。在z＞0.7 m时，由于颗粒受重力作用，同时爆炸产生的高温气体受浮力作用，导致CO气体产物出现下沉的趋势。     

温度和浓度对甲醇喷雾爆炸特性参数的影响

采用20 L球形喷雾爆炸实验系统，探究甲醇在不同环境温度、物料温度及喷雾浓度下的爆炸特性规律。结果表明:20 L爆炸球内甲醇喷雾液滴爆炸极限范围为118.8～594.0 g/cm3，与纯气相爆炸极限范围（78.6～628.6 g/cm3）相比，甲醇喷雾液滴爆炸极限范围较窄，喷雾液滴的爆炸敏感性比纯气相甲醇蒸汽低。随着爆炸球内环境温度的升高，甲醇喷雾爆炸极限范围变宽，受限空间内甲醇气液喷雾点火成功概率增大。当甲醇物料自身温度或爆炸容器内环境温度保持不变时，相应爆炸特性参数在Φ=1.8拐点处均呈现先增大后减小的趋势。当Φ=1.8时，甲醇喷雾爆炸存在最大超压峰值。环境温度、物料温度的升高可以提高雾化质量，促进扩散燃烧。但是环境温度的变化较之物料温度的改变对于甲醇液滴喷雾爆炸特性参数的影响更为显著。环境温度和化学当量比二元变量共同影响着甲醇喷雾爆炸强度值，当Φ=1.8，环境温度为303.15 K时，甲醇的喷雾爆炸强度大于甲烷气体爆炸的爆炸强度。     

微乳化生物质燃油的往复运动摩擦学特性研究

采用发动机活塞环-缸套摩擦磨损试验台,研究了微乳化生物质燃油在活塞环-缸套摩擦副往复运动过程中的摩擦磨损特性.借助扫描电子显微镜及附带的能谱、X射线光电子能谱仪等分析测试手段考察了磨痕表面形貌及元素组成与含量、主要元素化学状态,探讨了摩擦磨损机理.结果表明,在微乳化生物质燃油润滑条件下,活塞环-缸套之间的摩擦系数和它们的磨损量均随着往复运动频率增加而增大,微乳化生物质燃油减摩性较0^#柴油好,耐磨性比0^#柴油差;摩擦磨损的机理归于微乳化生物质燃油中的极性基团如羧基（—COOH）易于吸附在摩擦副表面起到边界润滑作用,而乳化燃油中酸性物质在摩擦过程中加大了对摩擦表面的腐蚀,同时摩擦表面形成的Fe₂O₃氧化膜在摩擦力作用下脱落并充当磨粒,从而使磨损加剧.     

受限空间内甲醇喷雾液滴形成及其爆炸特性

为防控工业喷雾爆炸和完善喷雾爆炸测试方法,在20 L球形喷雾爆炸测试系统内，实验研究了不同环境压力、喷射压力及浓度下的甲醇喷雾液滴形成及爆炸特性规律。结果表明:增大喷射压力更易致使甲醇破碎成微小液滴，甲醇喷雾液滴爆炸极限范围变宽；环境压力的增大导致甲醇喷雾液滴粒径变大，喷雾液滴爆炸极限范围变窄，一定程度上可以有效抑制甲醇泄露可能导致的次生衍生事故发生。当爆炸容器内环境压力为0.1 MPa、喷射压力为2.1 MPa、甲醇喷雾浓度为356.4 g/m3、甲醇液滴索太尔平均直径为2.5 μm时，爆炸特性参数（最大爆炸压力、最大爆炸压力上升速率及层流燃烧速度）在上述拐点处取得最大值；小粒径（1～15 μm）的液滴在外界能量作用下，更易被点燃，且爆炸过程中瞬态物理化学反应更为迅速和剧烈；较大粒径(22 μm以上)的液滴会出现点火困难现象，然而点火成功后，爆炸特性参数均随甲醇喷雾浓度增加而增加，呈现近似线性规律，此时液滴粒径对上述爆炸特性参数的影响可以忽略。研究结果有助于理解喷雾液滴爆炸规律、完善相应测试方法和安全设计。     

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。