密封结构内炸药爆炸产生的准静态气体压力研究评述

简要介绍了密封抗爆结构内炸药爆炸产生的准静态气体压力的实验测试及理论研究结果,通过讨论指出了实际工程中应关注的几个问题。     

TNT内爆炸准静态压力特性

为研究密闭空间内TNT爆炸准静态压力特性,通过理论分析得到了准静态压力计算模型,以爆炸罐和爆炸舱室为典型密闭空间环境开展了系列TNT内爆炸实验。结果表明,准静态压力的上升伴随着内爆炸冲击波的多次反射,反射结束后准静态压力到达峰值,药量-容积比是准静态压力的主要影响因素,准静态压力峰值及上升速率随着药量-容积比的增加而增加;基于实验数据拟合得到了TNT内爆炸准静态压力峰值经验公式,可用于准静态压力峰值预估及内爆炸威力评估。

     

等压假设下考虑化学反应动力学影响的约束爆炸准静态压力的计算

为研究约束爆炸后爆炸产物与约束空间内的氧气发生化学反应对约束爆炸准静态压力的影响,从能量守恒和理想气体状态方程出发,基于爆炸后产物膨胀过程的等压假设模型,建立了约束爆炸准静态压力计算公式,并对TNT炸药爆炸后发生的化学反应与约束空间内准静态压力大小的关系进行分析。计算得到不同药量体积比下,TNT炸药约束爆炸后的准静态压力,计算结果与实验结果符合较好,可应用于其他类型炸药,并为预测约束爆炸后的准静态压力提供理论依据和估算方法。     

球形封闭容器内一个简单的煤粉燃烧爆炸模型

在分析了大量球形封闭容器内煤粉燃烧爆炸实验数据基础上，考虑了煤粉燃烧爆炸机理所涉及的湍流燃烧、相变、各种化学反应动力学过程等复杂因素，并且对球形封闭容器内由于煤粉混合不均匀造成的燃烧不充分给予了考虑，得到了球形封闭容器内煤粉燃烧爆炸特征的数值计算结果，计算的压力－时间曲线与实验结果符合较好。     

球形容器内气体的泄爆过程

为了得到球形容器内可燃气体的泄爆强度产生机理以及燃烧火焰与压力传播的基本规律,从流体力学和化学反应动力学守恒出发,采用-湍流模型和EBU-Arrhenius燃烧模型,利用SIMPLE算法对带泄爆导管的球形容器二维空间内甲烷-空气预混气体的泄爆过程内外场进行了数值计算,获得了气体燃烧过程中火焰和压力传播特性以及气体流动特性,能够比较清晰地反映泄爆的整个过程。研究表明,燃烧火焰在泄爆过程中发生湍流,传播得到了极大的加速,泄爆导管对于容器内的高压气体泄放有很大的约束作用。     

爆炸容器内小药量实验动态标定压力传感器

在爆炸容器中进行小药量空中爆炸实验, 利用传感器序列测量冲击波速度, 根据冲击波Rankine-Hugoniot关系获得测点近似理论峰值压力, 从而实现压力传感器的标定, 获得的灵敏度相对误差较小。同时测量了相应的冲击波参数, 并利用Modified-Friedlander公式进行数据后处理, 结果表明固定超压拟合更接近物理事实, 固定正相时间拟合也具有较高精度。最后进行了误差分析, 发现不同传感器特性及数据后处理方法都会带来一定误差。实验结果表明这种测量和后处理方法具有较高的精度, 可以同时标定传感器和测量冲击波参数。     

球形爆炸容器动力响应的强度分析

运用DYTRAN编码中的欧拉计算方法,模拟了作用于球形爆炸容器内壁的反射超压波形。运用解析法和三维有限元编码LS-DYNA,对容器壳体在反射超压作用下的动力响应进行了强度分析,给出了容器的几个特征点的等效应力历史和重要区域的等效应力云图。分析结果对类似爆炸容器的强度设计和安全使用具有参考意义。     

球形爆炸容器应变增长现象的极限情况

应变增长现象威胁容器安全,研究应变增长现象的极限情况对爆炸容器的安全应用非常重要。本文中开展了球形容器爆炸加载实验,获得了应变增长系数达到6.1的应变数据,并利用数值模拟分析球壳弹性变形范围内振动模态叠加形成的应变增长现象的极限情况。研究表明：(1)应变增长现象符合几何相似律,影响应变增长的因素包括扰动源类型、扰动源半径与球壳半径之比、球壳厚度与球壳半径之比、第一个应变峰等,其中扰动源参数是主要影响因素。(2)当扰动源位移被完全约束、扰动源半径等于球壳半径时,球壳上可能的应变增长系数接近12。

     

球形爆炸容器开孔补强方法

参考压力容器设计标准,针对某实验用球形爆炸容器进行了开孔补强设计,对容器开孔处等效应变随接管壁厚、补强圈尺寸的变化规律进行了数值计算,确定了“5/3倍球壳厚度的接管”配合“与球壳等厚度、张角10°的补强圈”的开孔补强设计方案。并对数值计算结果和补强设计进行了实验验证。     

球形爆炸容器的内部载荷和响应特性

对球形容器内壁压力、温度和容器外壁应变进行了实验监测,为认识容器内部流场演变和容器响应的全过程提供了较系统的实验数据支持。实验结果及分析显示:容器内部流场在载荷来回反射3次后分布相对均匀;由容器外壁应变波形推测容器内部爆炸产物发生较明显的二次反应;各个应变监测位置均出现了应变增长现象,其中容器入口门正对位置的应变增长现象最严重,应变峰值平均值增大系数达到2.88;容器振动主频率为呼吸振动频率,另一主频率约为呼吸振动频率的1/2;容器外壁最大应变约2.510-3,等效应力峰值比容器材料静态屈服应力大了约80%,容器无明显塑性变形。     

真实爆炸容器水压应变测试及分析

在0、3、6、9、12和15MPa的水压试验条件下,对设计压力为12MPa的球形爆炸容器外表具有代表性的31个测点进行了应变测试。并用三维ANSYS有限元编码对12和15MPa两种工况进行了应力分析,分析结果与测试基本吻合,表明该容器在整个试验压力范围处于线弹性状态,容器的强度设计是合理的。     

椭圆封头圆柱形爆炸容器动力响应的数值模拟

采用显示非线性动力有限元软件LS-DYNA,在不同TNT当量下对椭圆封头圆柱形爆炸容器进行了数值模拟。模拟结果表明:对椭圆封头与圆筒组合而成的理想结构,爆心环面的应变在初始响应阶段就达到了最大值,并且其值大于筒体上其他点的最大应变;实际结构中法兰对爆炸容器的动力响应有很大的影响,当法兰的质量超过一定值之后,容器爆心环面会产生应变增长现象。在容器的设计工作中要加强容器的爆心环面并适当地选择法兰。     

连通容器泄爆过程的影响因素

以甲烷/空气混合物为研究对象,开展了连通容器气体泄爆影响因素的实验研究。结果表明:连通容器泄爆片泄爆时,随着破膜压力和量纲一泄压比的减小,大、小球容器的最大泄爆压力均增大;在等量纲一泄压比条件下,随着连接管道长度的增加,传爆容器的最大泄爆压力增大。连通容器无膜泄爆时,大球点火条件下,无论管长如何,起爆容器和传爆容器均比单个容器最大泄爆压力大。小球点火条件下,当管道长度为0.45 m时,起爆容器和传爆容器的最大泄爆压力均小于单个容器。连通容器无膜泄爆且量纲一泄压比相同时,当管道长度为0.45 m时,大、小容器内的最大泄爆压力基本相等;当管道长度为2.45 m时,大容器点火时,传爆容器最大爆炸压力大于起爆容器,但小容器点火时,起爆容器最大泄爆压力大于传爆容器;当管道长度为4.45和6.45 m时,传爆容器最大泄爆压力均大于起爆容器。     

水下爆炸中气泡射流壁压特性实验研究

水下爆炸气泡射流载荷是中近场水下爆炸壁压载荷的重要组成部分, 将水下爆炸气泡射流简化为一段高速水柱来研究水下爆炸气泡射流载荷特性是研究水下爆炸气泡射流载荷的主要手段。本文基于腔内爆炸提出了一种新的高速水射流实验方法,并给出了实验装置设计、实验方法以及实验系统。基于实验系统,开展了不同工况下高速水射流的实验研究,研究了腔口位置、腔深对水射流形态的影响,并对水射流的形态形成因素进行了分析。使用压电型壁压传感器测得了水射流冲击壁压,给出了水射流冲击壁压的特性及其特点。实验结果表明：腔口位置与腔深是影响水射流端面形态的重要因素;生成的高速水射流冲击壁压峰值满足水锤理论。基于腔内爆炸的高速水射流实验方法能够应用于包括水下爆炸气泡射流在内的高速水射流形态、壁压特性的研究。

     

有限空间爆炸静态压力的温度补偿方法

为改善压阻式压力传感器的温度漂移特性,构建了基于遗传算法和小波神经网络的压力传感器温度补偿模型。针对小波神经网络收敛速度慢且易陷入局部最优解的问题,采用遗传算法对小波神经网络的连接权值、伸缩参数和平移参数进行优化。基于压力传感器的标定数据,分别采用BP神经网络、小波神经网络和遗传小波神经网络对其进行温度补偿研究,结果表明：遗传小波神经网络兼容了小波分析的时频局部特性和神经网络的自学习能力,表现出良好的收敛速度和补偿精度,经补偿后传感器的输出值更接近于标定值,其最大误差由−17.44 kPa变至0.38 kPa,最大相对误差由−14.0%变至0.38%。将该模型应用于有限空间爆炸静态压力的温度补偿中,取得了较好的实际应用效果。