多相爆轰与生产安全

多相爆轰或称非均相爆轰一般是指燃料液滴或固体粉尘分散在气态氧化剂中所形成的可燃混合物的爆轰。气-液或气-固可燃系统的爆轰称为双相爆轰,同时含有燃料液滴、固体粉尘与气态氧化剂的可燃系统的爆轰称为三相爆轰,通称为多相爆轰。与凝聚炸药的爆轰相比,多相爆轰具有以下特点: 1.与凝聚炸药的集中爆炸相反,多相系统是分布 ...     

煤油液滴直径对两相旋转爆轰发动机流场的影响

为探究煤油液滴不同初始直径对气液两相旋转爆轰发动机流场的影响,假设初始注入的煤油液滴具有均匀直径,考虑雾化破碎、蒸发等过程,建立了非定常两相爆轰的Eulerian-Lagrangian模型,进行了液态煤油/高温空气爆轰的非预混二维数值模拟。结果表明：在初始液滴直径为1～70μm的工况范围,燃烧室内均形成了单个稳定传播的旋转爆轰波;全局当量比为1时,爆轰波前的空气区域大于液滴煤油的蒸气区域,导致波前燃料空气混合不均匀,波前均存在富油区和贫油区,两相速度差导致分离出的空气形成低温条带;当煤油液滴的初始直径较小时,波前的反应物混合过程主要受蒸发的影响,爆轰波可稳定传播;当直径减小至1μm时,煤油液滴在入口处即蒸发,旋转爆轰波表现为气相传播的特性,爆轰波结构平整;当煤油液滴的初始直径较大时,波前的反应物混合过程主要受液滴破碎的影响;对于相同的燃料质量流量,在不同初始煤油液滴直径工况下,煤油液滴最大的停留时间均占爆轰波传播时间尺度的80%以上;爆轰波前燃料预蒸发为气相的占比越高,爆轰波的传播速度越高;初始液滴直径为10～70μm的工况范围内,爆轰波的速度随初始直径的增大先升高后降低。     

关于多相流体力学

自然界的物质一般有固体、液体、气体和等离子体四态。各种不同态的物质(或同为液态的不同物质)混合时,如果它们之间存在着界面,则它们分别称为混合介质的相。由二相或二相以上(至少有一相是流体)的物质所组成的流动系统通常称为多相流动系统。最常见的多相流动系统为二相流动。在二相流动中又以流-固(气-固,液-固)流动与流-流(液-气,液-液)流动为最普遍 ...     

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。     

气相爆轰波冲击气固界面的透反射特性

为了研究气相爆轰波冲击气固界面过程中透射波和反射波的相关特性,建立爆轰波冲击气固界面的一维理论模型,对不同初始压力条件下爆轰波到达气固界面后的界面两侧的压力和界面速度变化进行分析。利用时空守恒元求解元方法对气相爆轰波冲击气固界面过程进行数值模拟,分析气体部分反射波的压力分布和速度变化规律及透射入固体中应力波的波形和波速特征,并搭建气相爆轰波冲击活塞实验装置进行进一步验证。结果表明:气体爆轰波到达气固界面后,在固体中透射指数形式的弹性波,并在界面处向气体区反射一道激波。爆轰波后的稀疏波与反射激波相交,削弱反射激波,最终形成稳定激波回传。气固界面在稀疏波和反射稀疏波的作用下,压力和速度逐渐下降,最终也形成稳定状态。在不同混气初始压力情况下,爆轰波冲击过程中产生的最高压力和爆压的比值基本保持不变。理论模型对特征点相关物理量的计算值和实验数据符合的较好。     

立式激波管内云雾爆轰胞格尺寸的测定与分析

采用烟迹技术在立式激波管中测定了环氧丙烷、90#汽油、硝酸异丙酯、庚烷、癸烷、戊二烯等几种燃料气液两相云雾爆轰的胞格尺寸。结果表明,云雾爆轰的胞格尺寸随当量比的变化呈U形曲线关系,且最小胞格尺寸并不是对应于等化学当量比而是偏向于富燃料一侧,这与气相爆轰的结论是一致的。胞格尺寸随起爆能的增加而减小。当起爆能达到一定值后,胞格尺寸变化不明显,若起爆能继续增加,在通常的胞格内出现精细结构。云雾爆轰波胞格长度与宽度的比值比气相爆轰小。另外,根据烟迹记录分析了云雾爆轰作用机制,认为液滴的碎解、汽化过程以及燃烧区前导是控制气液两相云雾爆轰的主要因素。     

当量比对汽油燃料两相旋转爆轰发动机工作特性影响实验研究

为了研究当量比对汽油燃料两相旋转爆轰发动机工作特性的影响,开展了以高总温空气为氧化剂的气液两相旋转爆轰实验研究。旋转爆轰发动机环形燃烧室外径、内径和长度分别为202、166和155 mm。汽油和高温空气采用高压雾化喷嘴与环缝对撞喷注的方式混合,以此提高推进剂的掺混效果与活性,采用预爆轰管作为点火装置。实验通过改变汽油质量流量改变推进剂当量比,并基于燃烧室内测得的高频动态压力和平均静压,对气液两相旋转爆轰波的传播模态和传播特性以及发动机的工作特性进行了详细分析。实验结果表明:在当量比为0.79～1.25时,燃烧室内均实现了旋转爆轰波的连续自持传播,且随着当量比的增加,爆轰波传播模态从双波对撞/单波的混合模态转变为单波模态;降低当量比至0.61～0.66,爆轰波传播稳定性变差,传播模态表现为间断爆轰以及零星爆轰;进一步降低当量比至0.53,爆轰波起爆失败。此外,燃烧室平均绝对压力与爆轰波平均传播频率均随着当量比的增加呈先增大后减小的趋势,极大值出现在当量比1.19附近。在此工况下获得了最佳实验结果,旋转爆轰波的平均传播频率为1 900.9 Hz,平均传播速度为1 110.8 m/s,与高频压力信号经快速傅里叶变换得到的主频基本一致,爆轰波传播速度存在严重亏损。     

PETN、RDX和HMX炸药爆轰参数的数值模拟

用吉布斯自由能最小原理,通过解化学平衡方程组,求解PETN、RDX和HMX炸药爆轰产物系统的平衡组分,计算结果与用BKW和LJD方法计算的结果相近。用自编的程序从碳的石墨相、金刚石相、类石墨液相和类金刚石液相4种相态中确定出炸药爆轰产物中游离碳更可能存在的相态,并用此相态计算碳的吉布斯自由能。以WCA状态方程作为爆轰气相产物的物态方程,对PETN、RDX和HMX炸药爆轰参数作了预言,爆轰CJ点的爆速、爆压和爆温的计算结果与实验值吻合得很好。     

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。     

气相爆轰物理的若干研究进展

爆轰现象的研究已经有一百多年的历史了,爆轰物理的研究取得了许多重要进展.本文从爆轰波的经典理论、胞格爆轰波的多波结构、气相爆轰波形成机理、气相爆轰波传播机制等方面综述了相关的若干研究进展,评述了这些进展的科学性与局限性,并探讨了将来可能的研究方向.这些研究进展主要包括:CJ(Chapman-Jouguet)理论和ZND(Zel'dovich,von Neumann,D?ring)模型、爆轰波多波结构、爆轰胞格特征、直接起爆和爆燃转爆轰过程、热点起爆机制、爆轰波稳定性、扰动爆轰波的传播等.爆轰波是以超声速传播的自持燃烧现象,涉及了激波相互作用、燃烧化学反应、湍流扩散和流动不稳定性等复杂的气动物理过程,相关研究具有重要的学科理论意义.另外,爆轰燃烧具有高效的热化学能释放特点,在先进的热力推进技术方面有着重要的应用背景,因此相关研究也具有重要的工程应用价值.      

液粒凝固过程的动力学理论

在平均场的概念下对液态粒子的凝固过程提出了一个简化的液-固-气-雾(LSGF)数学模型,并在小过冷度的条件下,求出了有关初值问题的一致有效渐近解. 结果表明:整个动力学过程可以分为两个相互联结的时间阶段. (1) 液粒初始温度分布的瞬态过渡阶段. 在这个阶段,凝固尚未正式启动,只是系统内的温度从任意给定的初始分布迅速调整到某一特定空间分布. (2)液粒向固粒转变阶段. 在这一阶段,液-固两相开始分离,相界面逐渐向液粒中心传播,直至液相完全消失. 进而以铜为例,讨论了液态粒子在不同生长条件与物理参数下的凝固时间与凝固过程中的温度分布的演化规律.      

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。     

高-低爆速圆板炸药串联爆轰引起平面爆轰波的变凸现象

为分析高-低爆速圆板炸药于空中串联爆轰时平面爆轰波在传播过程中演变成凸面波的现象,分别对平面爆轰波阵面后爆轰产物状态参数的分布、有效药量与柱面装药几何尺寸的关系、爆轰产物的状态方程及强爆轰关系式进行了讨论。并以100 mm50 mm的TNT与RC炸药串联爆轰为例,描述了平面爆轰波演变为凸面爆轰波的过程,预估了爆轰波的平面范围和波形差。预估结果与实验结果基本符合。     

爆轰波直接合成致密相氮化硼研究

采用石墨相氮化硼与高能炸药混合后直接爆轰的方法,合成致密相氮化硼。实验表明,在爆轰过程的高温高压作用下,低密度的石墨相氮化硼(gBN)可以转化为致密相氮化硼。这种方法合成的致密相微粉中含有纤锌矿型氮化硼(wBN)和立方氮化硼(cBN)两种物相,合成的转化率为16％,每千克炸药可生产28克(140克拉)以上。     

气液两相流动与固壁相互作用耦合求解的研究

气液两相流动与固壁相互作用的研究是液滴撞击壁面运动研究的重要基础.以结合了VOF和Level Set两种方法优点的用于气液相界面追踪的复合Level Set-VOF方法和利用唯象分析方法建立的能够反映接触角滞后性及壁面性质对润湿过程影响的壁面润湿模型为基础,提出了气液两相流动与固壁相互作用耦合求解流程,给出了气液两相流动与固壁相互作用耦合求解过程中接触线速度的计算方法及边界条件的确定方法.通过与已有实验结果的对比,对提出的气液两相流动与固壁相互作用耦合求解方法的有效性进行了验证.     

内爆炸爆轰产物运动过程二维数值模拟研究(一)——密闭空间

为了研究密闭空间内爆炸爆轰产物运动规律,采用五阶WENO有限差分格式,通过耦合求解爆轰产物质量分数输运方程与可压缩欧拉方程,自主编写了密闭空间内炸药爆炸过程二维数值计算程序。利用所开发的程序数值探讨了密闭空间内爆轰产物的传播过程及炸药形状、产物状态方程对爆轰产物运动的影响规律。研究表明:炸药形状的差异不仅改变了爆炸初期爆轰产物的膨胀形态,同时也改变了爆轰产物与周围空气的后期混合状态。状态方程对产物运动过程同样具有一定的影响,JWL状态方程中高压项可使得爆炸初期产物具有更大的膨胀能力。本文的研究可为进一步探讨考虑燃烧效应后爆轰产物扩张过程及毁伤评估提供一定的参考和指导。     

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。     

液体碳氢燃料云雾爆轰特性的实验研究

采用升降法和烟迹技术在立式激波管中分别实测了液态燃料（环氧丙烷、硝酸异丙酯、己烷、C5~C6、庚烷、癸烷）与空气混合物直接起爆的临界起爆能和胞格尺寸。数据表明,气液两相云雾爆轰的临界起爆能与当量比呈U形曲线关系,这与气相爆轰得到的结论是一致的;临界起爆能的最小值并不是对应于等化学当量的混合物而是偏向于富燃料;根据三波点运动的烟迹记录,分析了云雾爆轰作用机制,认为液滴的碎解、汽化过程以及燃烧区前导是控制气液两相云雾爆轰的主要步骤。此外,还测定了无限空间下可燃气云的临界起爆能,并将激波管内得到的临界起爆能数据外推到无约束气云的临界起爆能,理论推算结果与实验值吻合较好。     

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。     

一次引爆燃料空气炸药及其爆炸效应研究

本文讨论了一次引爆燃料空气炸药分散爆轰原理,通过一次引爆燃料空气炸药爆炸空气冲击波、地震波、宏观目标毁伤及高速运动分析系统实验观测,分析了一次引爆燃料空气炸药组分在分散爆轰过程中的作用。分析和实验结果表明,液体炸药组分比例应大于某一临界值,这一临界值必须保证液体炸药组分在一次引爆燃料空气炸药混合燃料细观结构内形成通路。一次引爆燃料空气炸药的液体有机燃料组分超过临界比例在分散爆轰中不可能发挥出应有的作用。