弹尾弹射装置间隙密封的火药气体动力学

针对弹尾开孔安装用于侵彻数据回收的弹射装置后,存在的弹射间隙会使弹体内的测试装置受到火药气体侵蚀破坏的问题,设计了间隙密封结构,对流经间隙的火药气体进行了气体动力学的建模分析,并对密封结构进行了膛压和密封空腔压强测试。结果表明:火药燃烧产生的气体为可压缩性气体,在药室和收缩的间隙通道中为亚声速流动状态,而在扩张的密封空腔中为超声速流动状态;在弹底火药气体温度为2 166.5 K、密度为360 kg/m3、压强为242.9 MPa的条件下,经过密封装置的密封后,密封空腔内的残余气体压强为0.49 MPa。试验所得密封空腔内的最大压强为0.18 MPa,与模型计算结果基本吻合。     

气体泄爆压力分步计算模型及其湍流修正

通过将密闭空间内爆燃泄放过程进行微分，假设各微分时段内爆燃泄放过程均按照先燃烧、再泄放、最后压力平衡的过程独立分步进行，最终得到泄爆压力分步计算模型。同时，在尺寸为2 m×1.2 m×0.6 m的爆炸腔体一端安装击穿压力相同、泄放面积不同的泄爆构件进行泄爆实验，对分步压力计算模型进行验证。对比发现:大面积泄放条件下，2个传感器测得的压力曲线基本重合，均为单峰值曲线，此时模型计算值与实验结果吻合较好；小面积泄放条件下，腔体内压力曲线均为双峰值曲线，由于泄放截面改变加剧口部湍流扰动，使得腔体内部产生压力梯度，近泄爆口处传感器测得的第2个压力峰值要大于腔体内部传感器相应的测量值，经湍流速度修正后的压力计算模型可以较好地描述近泄爆口处的压力变化情况。     

用金属丝爆炸模拟地下爆炸空腔环境的初步研究

把金属丝和丝周围的砂岩压制样品置于密封的爆室内,利用Mv30-19型大储能电容器组(总储能达232千焦耳)在50千焦耳左右的储能下进行爆炸。实验结果表明,爆室中的金属丝爆炸可以产生足够的温度和压力,即可以产生类似于地下爆炸空腔形成早期的物理化学环境。而且,砂岩样品在爆炸中汽化、熔化至少形成了1克左右的早期玻璃体。 改进装置线路、降低线路电感、选择最佳金属丝参数使其匹配;改进爆炸室结构,并应用磁致收缩效应来提高爆炸丝产生的温度和压力,以产生更多的玻璃体是可能的。     

云爆药剂爆炸超压测试及威力评价

借助压力测试系统,在自由场及地面布置压力传感器,分别测量了熔铸TNT、一次云爆药剂和二次云爆药剂在自由场和地面的爆炸场冲击波超压,经分析处理后拟合得到适用于3种炸药的自由场和空中爆炸超压发展公式,并计算云爆药剂的TNT当量。实验结果表明:实验选用的二次云爆药剂的自由场和地面平均TNT当量相比一次云爆药剂分别提高了60%和69%,说明二次云爆药剂比一次云爆药剂具有更大的超压作用效果;3种药剂的自由场超压峰值都比地面小10%左右,说明地面的反射效应依旧存在,在实际超压威力评估时应采用一定的修正系数。实验结果可丰富云爆药剂和传统炸药的小当量实验对比数据,为云爆药剂爆炸场参数的研究和威力评估提供参考。     

多因素耦合作用对甲烷爆炸特性的影响

为了探究多因素耦合作用对甲烷爆炸特性的影响，采用1.2 L圆柱形爆炸装置，结合自主设计和搭建的可燃气体爆炸试验平台，从最大爆炸压力的角度分析了不同当量比φ(0.6～1.4)、初始温度T₀ (25～200℃)和初始压力p₀(0.1～0.5 MPa)耦合条件对甲烷爆炸特性的影响规律。在此基础上，基于实验获得的最大爆炸压力数据，利用1stOpt构建了甲烷最大爆炸压力与当量比、初始温度和初始压力的非线性回归预测模型。结果表明：在初始温度和初始压力耦合作用下，初始压力越高，初始温度对最大爆炸压力的影响越大；初始温度越高，初始压力对最大爆炸压力的影响越小。在初始压力和当量比耦合作用下，在研究的实验条件范围内，当φ<0.9或φ>1.2时，初始压力越高，最大爆炸压力的变化越显著。在初始温度和当量比耦合作用下，在实验条件范围内，当φ>1.15时，初始温度越高，最大爆炸压力的变化越显著。此外，通过将基于1stOpt预测模型的预测结果与实验测试结果相比较，发现二者之间的相对误差均小于10%，表明该预测模型具有较高的精度和适应性。     

球形爆炸容器内炸药爆炸形成的准静态气体压力

准静态压力是爆炸容器设计的重要参考数据。在球形爆炸容器内开展了爆炸加载实验,压力传感器采用齐平和导孔两种安装方式,均获得了准静态压力数据,且两组数据一致。理论推导了准静态压力的表达式,并通过拟合实测数据得到经验公式。研究结果表明:（1）爆炸冲击波在容器内部往返3次后,容器内气体压力进入准静态;（2）准静态压力与当量容积比近似呈正比例关系,比例系数为1.10 MPa·m3/kg TNT。     

水下爆炸气泡射流载荷阵列测量技术探索

水下爆炸气泡射流载荷测量目前存在两个难点:（1）气泡射流载荷是非均匀的面载荷,但其作用半径仅为气泡最大半径的1/10,限于传感器尺寸及安装空间,敏感元密度较低,难以准确获取气泡射流载荷空间分布规律;（2）气泡射流载荷测量时传感器所处的力学环境非常复杂,传感器容易损坏,导致无法测得完整时程。因此现有测量手段难以获取气泡射流载荷的时空分布特性。鉴于此,设计了一种阵列传感器,在一张PVDF（聚偏氟乙烯）压电薄膜上采用特殊工艺加工多个小型敏感元,敏感元尺寸为5 mm×5 mm,呈8×8矩阵排列,敏感元密度≥1 cm?2,同时在揭示传感器损坏机理的基础上设计了传感器防护装置。在小型观测水槽内开展了小当量炸药水下爆炸试验,采用阵列传感器测量获取了气泡射流载荷的时空分布特性。研究结果表明:（1）设计的防护装置可保证传感器在气泡射流载荷测量过程中不损坏;（2）气泡射流载荷中心最大,向四周逐渐减小,中心处气泡射流载荷峰压约35.6 MPa,约为冲击波峰压的1.16倍。建立的阵列测量技术可为水下爆炸气泡射流的深入研究提供技术支撑。     

小当量水中爆炸冲击波实验及数值模拟

在小当量(≤10g TNT)爆炸水箱装置中分别进行了0.125g、1.00g、3.37g、8.00g TNT当量PETN球形炸药水中爆炸实验.采用PCB压电型传感器测量水中爆炸冲击波压力脉冲,将实验数据拟合所得公式与文献的经验方程相比较,两者具有较好符合.另外,在小于20%的相对误差范围内,采用AUTODYN一维模拟计算能够预测和验证实验结果.因此,通过小当量水中爆炸实验获得的经验公式可推广到大当量水中爆炸实验.这样既能克服大当量水中爆炸实验耗费大、危险性高等困难,也能够较精确地预估峰值压力.     

新型发射药爆炸TNT当量系数的实验研究

TNT当量系数是危险品工程抗爆设计和安全距离确定的重要依据。为确定H1和H2两种新型高能发射药的TNT当量系数,分别开展了10 kg TNT和新型发射药的空气自由场静爆实验。基于修正的当量系数计算方法和测量得到的不同爆心距离处冲击波超压时程曲线,确定了不同比例距离处两种高能发射药的超压和比冲量TNT当量系数。研究结果表明,发射药爆炸产生的冲击波传播规律与TNT炸药爆炸产生的冲击波传播规律相同,符合爆炸相似律,相同质量发射药爆炸产生的冲击波超压和比冲量都显著高于TNT的。随着比例距离的增大,H1的超压当量系数先增大后减小,最大值为1.34;H2的超压当量系数逐渐减小,最大值为1.26。两种新型发射药的比冲量TNT当量系数均随比例距离的增大先减小后增大,H2的比冲量TNT当量系数大于H1的,最大值为1.38。本文中修正的计算方法能更准确计算被试样品的TNT当量系数,实验结果可为提高抗爆结构安全性设计提供参考。     

高压下PBX-1炸药的燃速-压力特性

炸药燃速-压力特性是弹药安全性的关键内因，反映了炸药反应烈度增长的倾向性。为了认识PBX-1炸药在未损伤状态下的燃烧特性，发展了密闭空腔燃烧压力-炸药耗量法以及炸药燃烧速率测试方法，并对PBX-1炸药开展了燃烧实验。采用压力传感器测量了密闭燃烧器内部的压力历程，采用快速响应热电偶监测了炸药燃烧阵面时间-位置数据，获得了炸药燃烧速率并拟合出常温下PBX-1炸药热传导燃烧速率与压力的依赖关系r=(2.16±0.55)p1.08±0.06。结果表明，PBX-1炸药的压力指数大于1，燃烧速率对压力变化比较敏感，在100 MPa压力范围内燃烧速率呈指数关系，当压力超过100 MPa后燃烧变得不稳定，燃烧速率迅速增加，导致燃烧器内压力骤变。分析其主要原因是，高压下PBX-1炸药发生物理破坏，炸药燃烧比表面积增加100多倍，炸药反应烈度有经对流燃烧机制提升的趋势。     

Experimental study of gas deflagration temperature distribution and its measurement

Explosion temperature is one of the main factors in combustible gas explosion accidents. Despite all this, this problem has not yet received considerable attention, especially few fundamental data related to the temperature distribution of gas explosions in closed vessels in literatures. According to characteristics of gas deflagrations, this work developed a gas explosion temperature measurement system whose response time to temperature is approximate 10 μs. By using this system, an experimental study was carried out which is concerned with the deflagration temperature distribution of premixed methane-air mixtures in the 20 L spherical vessel with a diameter of 168 mm. Experimental results show that temperatures on or near the wall are obviously lower than those in the center part of the vessel and there is a conspicuous gradient from the wall to the center part of the vessel. In the inside of the vessel, the deflagration temperature of premixed methane-air mixtures near the ignition spot at the center of the vessel can approximately reach 1200 °C, while near the wall, only 300 °C. This result throws a light on the specific regularity of gas temperature distribution near the boundary. It is possible to provide an important basis for understanding the general characteristics of gas deflagrations in closed vessels as well as choosing good measurement designs. Otherwise, if the ignition is located in the geometrical center of the spherical vessel, velocity of the flame increases with the distance away from the center inside the vessel, and when the flame arrives at the inner wall, this velocity descend sharply.     

高瓦斯矿发火区封闭时对瓦斯爆炸界限因素的影响

针对高瓦斯矿发火区封闭时常发生瓦斯爆炸事故,对影响瓦斯爆炸界限的因素进行实验,探索温度、压力、可燃气体(CO)、惰性气体(N2和CO2)等条件对瓦斯爆炸界限的影响规律。得出常温常压下瓦斯爆炸的体积分数下限为5%,瓦斯爆炸上限为13.5%,以及CO2的惰化效果比N2更好的结论。根据实验数据绘制混合气体的爆炸三角形,并进行新的惰化分区划分,不仅为火区封闭时防治瓦斯爆炸提供新的技术途径,而且能计算出使火区惰化时,所需惰性气体量,可对这些因素进行合理控制,有效地降低瓦斯爆炸危险性。     

具有体积分数梯度的连通装置甲烷-空气爆炸特性数值模拟

为了研究具有体积分数梯度的连通装置内甲烷-空气爆炸特性,以60 L圆柱体容器和20 L圆柱体容器通过3 m长,截面为0.035 m×0.035 m的方形管道而连接形成的容器管道连通装置作为研究对象,利用Fluidyn软件对均一体积分数的连通装置以及具有体积分数梯度的连通装置中甲烷-空气爆炸的特性进行了数值模拟。结果表明:连通装置中甲烷的均一体积分数为6.517%～8.067%时,并由大容器中心点火工况时,最大爆炸压力、最大爆炸压力上升速率、最高温度和最大速度,以及这些爆炸参数达到最大值时的时刻值随体积分数的变化约呈线性关系;连通装置大容器甲烷体积分数6.0%体积分数梯度为2.0%～8.0%且大容器中心点火时,最大爆炸压力、最大爆炸压力上升速率、最高温度和最大速度随体积分数梯度总体上呈现先增大后减小趋势;大容器中心点火时,最大爆炸压力位于小容器,最大压力上升速率位于管道1或管道2,最大速度位于管道3,速度值可达400～600m/s。本研究可为连通装置内可燃气体爆炸事故防控提供理论指导。     

单色高温计测量火焰动态温度的可行性实验研究

一种测量固体表面温度的单色高温计经改进后,用于火焰动态温度测量,本文设计了三组实验对其可行性进行研究,即:黑火药与铝热剂的分层火焰温度测量实验、单色高温计与热电偶的测温对比实验和激波管内氢氧爆炸火焰动态温度测量实验。结果表明,当目标尺寸远大于单色高温计红外视场时,所测火焰温度可视为单色高温计光轴上的最高温度;采用单色高温计和热电偶同时测量发光火焰的温度,测量结果相差不到6.2%;单色高温计所测氢氧爆炸火焰的动态温度曲线,较好地反映了爆炸火焰的动态传播规律;经改进的单色高温计可以用于爆炸火球等发光火焰的动态温度测量。     

环境温度对瓦斯爆炸压力及压力上升速率的影响

针对不同环境温度对瓦斯爆炸压力及最大压力上升速率的影响进行实验。研究表明,在其他条件不变的情况下,随着环境温度的增加最大爆炸压力逐渐减小,且最大爆炸压力与环境温度的倒数呈现线性衰减规律;随着环境温度的升高,化学反应速率增加,爆炸压力达到峰值所需的时间减少;瓦斯气体的最大压力上升速率随环境温度的升高呈非线性变化规律,在环境温度为298~473 K的范围内,最大压力上升速率基本不变。这些规律性的结论可为防治矿井瓦斯爆炸事故和煤层气的安全利用提供理论基础。     

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。     

硅酸铝棉对火焰速度和爆炸超压的抑制作用

为研究硅酸铝棉位置、长度对预混气体爆炸超压和火焰速度的抑制规律,进行了硅酸铝棉抑制管道内预混气体爆炸实验,在管路内置入硅酸铝棉,以室温常压下化学计量浓度的C2H2/air预混气体为介质。结果表明,当硅酸铝棉长度超过速度临界长度时,能够有效抑制火焰速度。当硅酸铝棉长度超过压力临界长度时,能够有效抑制爆炸超压。速度临界长度的大小与硅酸铝棉入口火焰速度有关。压力临界长度的大小与硅酸铝棉入口爆炸超压有关。压力临界长度小于速度临界长度,说明硅酸铝棉对压力的抑制效果更加显著。     

不同变质程度煤尘爆炸压力特性变化规律实验研究

为研究不同变质程度煤尘爆炸压力特性变化规律，以最大压力p_max和最大压力上升速率(dp/dt)_max表征压力特性，使用近球形煤尘爆炸装置对褐煤、长焰煤、不黏煤和气煤的爆炸压力特性变化规律展开分析。研究发现:在4种煤尘样品中，褐煤的p_max和(dp/dt)_max均最大，分别达0.71 MPa和65.69 MPa/s。随变质程度增大，长焰煤、不黏煤和气煤的p_max和(dp/dt)_max均明显减小，说明以爆炸压力特性为标准，4种煤尘爆炸强度由高到低依次是褐煤、长焰煤、不黏煤和气煤。通过对比爆炸前后煤尘挥发分含量，得出参与爆炸的挥发分含量所占质量分数为46.28%～68.19%。在喷尘压力p₀=2.0 MPa，点火延迟时间t₀=100 ms时，4种煤尘p_max值均达最大，分别为0.71、0.60、0.55和0.47 MPa。褐煤、不黏煤和气煤在p₀=2.0 MPa，t₀=80 ms时(dp/dt)_max达最大，而长焰煤则在p₀=2.0 MPa，t₀=100 ms时(dp/dt)_max达到最大。     

二级高压驱动阵列弹珠同步弹射微型爆源的研制

针对当前大当量地下爆炸真空室模拟试验中爆源起爆方式高度依赖火药制品等问题，基于地下爆炸相似理论和二级气炮原理，自主研制了二级高压驱动阵列弹珠同步弹射微型爆源装置。装置利用二级高压气体驱动弹珠同步击碎玻璃球壳，释放球内高压气体，以模拟真实爆炸气体生成物的推出。整套爆源装置的发射参数:高压气室充气压力4 MPa，玻璃球壳内残余稳态气体压力约为3 kPa，能够用于0~20 kt当量地下爆炸成坑效应的真空室模拟。爆源适用性试验验证表明，该爆源装置的爆破机制和爆破效果满足大当量地下抛掷爆炸真空室模拟试验的功能需求，且具有较高的安全性、可控性和可操作性，为开展相关模拟试验提供了新的技术方法。     

Indirect temperature determination of a hot gas stream

The method for indirect temperature measurement of a hot flowing gas presented in this paper evolved out of the need to determine experimentally the temperature of hot gas leaving a hydrogen production solar thermal water dissociation reactor. The method is based on Fanno line choked flow theory. It enables gas-temperature determination from gas flow rate and pressure measurement. The reliability of the method was tested by applying it to determine the temperature of a relatively cold gas stream and by comparing the result with the gas temperature measured directly with a thermocouple.