铝粉－空气混合物燃烧转爆轰（DDT）过程的实验研究

在水平粉尘爆轰管上分别对２μｍ、５μｍ和１３μｍ三种粒径的铝粉－空气混合物进行了弱点火条件下燃烧转爆轰的实验研究。实验分别考察了粉尘浓度、颗粒尺度及扬尘方法等因素对爆轰特性（如爆轰速度、最大压力等）的影响。结果表明，２μｍ球形铝粉最大爆轰压力达７．８ＭＰａ、稳态爆速达１．９５ｋｍ／ｓ；５μｍ铝粉亦有爆轰特征，但状态较弱；１３μｍ的铝粉达不到爆轰。混合物的浓度对爆轰参数有影响，并存在最优浓度，在此浓度下，爆轰参数取得最大值，而且最优浓度的值随粉尘颗粒直径增加而增大。扬尘方法对爆轰特性有影响，预混粉尘与激波卷扬粉尘对比实验表明，其压力与速度的典型差别分别高达３００％与７４％。     

粉尘火焰加速现象的实验研究

粉尘火焰的发生、加速及由爆燃向爆轰转捩的机理是个至今尚未弄清的问题。需要解决的技术关键之一是在实验室实现弱点火条件下的粉尘火焰加速直至达到爆轰状态。着手发展了一种球形喷粉扬尘装置，令产生的扬尘湍流在水平实验管中形成空间均匀分布和维持秒级悬浮的粉尘云状态。采用以上扬尘装置的水平实验管，在６ｇ黑火药的六点平面点火条件下获得了微细铝粉火焰经５ｍ长的传播过程加速至１０００ｍ／ｓ的实验结果。给出了扬尘湍流强度、粉尘粒度与浓度、点火能量及方式等因素对粉尘火焰加速过程中所起作用，及变截面效应（由小变大）对粉尘火焰减速的影响。     

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。     

铝粉爆炸特性的实验研究

本文研究了扬尘湍流、铝粉浓度、颗粒度和气相中氧浓度等因素对铝粉爆炸特性的影响。研究结果表明,铝粉颗粒度对铝粉爆炸有十分明显的影响。颗粒度越小,其它因素对铝粉爆炸的影响也越明显。在粉尘爆炸中,较强的扬尘湍流能够使更多粉尘悬浮,有利于粉尘的燃烧并且加快了其燃烧速率。     

铝粉爆炸特性的实验研究

本文研究了扬尘湍流、铝粉浓度、颗粒度和气相中氧浓度等因素对铝粉爆炸特性的影响。研究结果表明,铝粉颗粒度对铝粉爆炸有十分明显的影响。颗粒度越小,其它因素对铝粉爆炸的影响也越明显。在粉尘爆炸中,较强的扬尘湍流能够使更多粉尘悬浮,有利于粉尘的燃烧并且加快了其燃烧速率。     

微细球形铝粉爆炸特性的实验研究

从工业安全角度出发,在三种不同实验装置上对五种粒度(直径由3～30m)的球形铝粉的爆炸特性进行了全面、系统的实验研究。研究结果主要给出了铝粉在封闭容器的爆炸过程中,其粉末浓度、粒度、含氧量和初始扬尘湍度强度对爆炸后的最大压力升值、最大能量释放率和最低极限着火粉尘浓度的影响。结果表明:铝粉粒度和含氧量是对铝粉爆炸参数有最主要影响的两个因素。     

大型水平爆轰管中悬浮铝粉爆炸过程的实验研究

铝粉的燃烧与爆轰性能是粉尘爆炸领域研究的热点.利用长29.6m,内径199mm,配有40套喷粉扬尘系统的水平爆轰管,在40J电火花点火条件下,实现了悬浮铝粉-空气混和物火焰加速、爆燃、爆轰及其转捩过程,测得了爆炸波传播过程中的压力信号,并且观察到了爆轰波的稳定传播现象.实验结果表明,当铝粉浓度为300 g/m3时,在距离点火端10.15m(长径比L/D=51)处发生了DDT,测得的爆轰波传播过程中管内的最大爆速为1840m/s,最大峰值超压为10.5MPa.铝粉尘爆炸波在爆轰管内的传播过程可分为爆燃段、爆燃转爆轰(DDT)、爆轰增强以及稳态爆轰四个阶段.     

可爆性气体爆炸极限和爆燃转变成爆轰的研究

我们成功地研制了长为6.6m、内径为100mm的柱形爆炸激波管。利用此激波管我们研究了氢气和氧气混合物的爆炸特性。研究表明:氢气和氧气混合物的可爆性极限为25％H2至84％H2（体积比）;混合物起爆的临界初始压力P0c近似与混合物的浓度无关。我们还用石英传感器技术测量了混合物从爆燃转变为爆轰的过程（DDT）,确定了爆炸速度、爆炸压力与混合物初始压力P0的关系。爆燃波速度D和压力P快速增加,并且DG0（声速）时,爆燃波能转变成爆轰。爆燃波速度D和压力P衰减时,爆燃波将熄灭。氢氧混合物浓度接近上限时,爆燃向爆轰转变时的爆轰呈过激励状态,然后逐渐趋于正常爆轰。C-J理论可近似预估气体爆轰参数。     

铝粉/氢气/空气混合爆轰现象试验研究

混合爆轰现象既包含气相反应又包含两相反应,具有复杂性和多样性.爆轰推进技术在新领域的突破性应用与发展,依赖对爆轰现象的深刻认识.文章采用卧式爆轰管开展铝粉/氢气/空气混合爆轰试验,将μm和nm量级的球形铝粉与当量比的氢气和空气通过扬尘充分混合,在长13 m和直径224 mm的管内直接起爆混合物.试验中观测到不同种类的混合爆轰波,包括双波面和单波面结构.通过对爆轰燃气中铝粉点火燃烧特性的分析,阐明了两相反应对铝粉/氢气/空气混合爆轰波结构的直接影响.粒径100 nm和1μm时,混合爆轰呈现单波面结构,对比气相爆轰爆速和压力峰值都有增加,铝粉点火释热开始于声速面之前.粒径20μm和40μm铝粉点火较慢,混合爆轰呈现出双波面结构,气相反应释热支持第一道波,而铝粉燃烧支持第二道波.粒径10μm时,测得爆轰波压力曲线是单波峰,峰值压力有大幅提高,但是爆速并没有增加.其本质是两波面距离很近的双波面结构,由于传感器空间辨识能力的不足而无法在压力曲线中区分.混合爆轰试验结果充分解释了铝粉/氢气/空气混合爆轰现象,反映了铝粉在复杂条件下的燃烧特性,并且明确了铝粉的点火燃烧特性对混合爆轰现象的影响机理.     

铝粉颗粒度对黑索金含铝炸药粉快速反应影响的微观特性研究

利用我们研制的光谱技术及回收技术成功地研究了含铝炸药粉中铝粉快速反应的微观特性。研究发现:铝粉越细，能和氧原子、氢原子（或含氧分子）反应的激励态铝原子增加，铝氢化反应与氧化反应加剧；但是颗粒度小于５０ｍ后，颗粒度对铝粉氧化反应的影响不明显。激励压力增加可导致铝粉氧化反应加强，激励压力大于１．２ＭＰａ后氢化反应减弱，激励态铝原子减少。激励态铝原子减少的原因是铝粉结块造成。     

点火延迟时间对铝粉爆炸特性参数的影响

为了研究装置点火延迟时间对不同浓度粉尘爆炸压力和压力上升速率的影响,以铝粉为介质在5L圆柱形爆炸装置中进行系列爆炸实验。结果表明:装置点火延迟时间对铝粉爆炸压力和压力上升速率有十分显著的影响,且存在一个最佳点火延迟时间,此时最大爆炸压力最大;随着铝粉浓度的增加,最佳点火延迟时间先增加后保持不变。最佳点火延迟时间下的最大爆炸压力和最大压力上升速率明显高于点火延迟时间固定为60s时的。相对粉尘不同浓度均采用固定点火延迟时间,不同浓度时采用最佳点火延迟时间,所测得的粉尘最大爆炸压力和最大压力上升速率明显符合实际。     

矩形管道中微米级铝粉爆炸实验

在矩形管道粉尘爆炸装置中开展系列实验,系统研究了点火延迟时间、粉尘粒度及粉尘浓度对铝粉尘爆炸过程中最大爆炸压力和最大爆炸压力上升速率的影响。研究结果表明:不同的点火延迟时间对铝粉尘爆炸压力有显著影响,随着点火延迟时间由小变大,最大爆炸压力和最大爆炸压力上升速率呈现先增大后减小的趋势,且不同粒径的铝粉尘最大爆炸压力对应有不同点火延迟时间。随铝粉粒度的减小,最大爆炸压力和最大爆炸压力上升速率会呈现出先增大后减小的变化规律。铝粉最大爆炸压力和最大爆炸压力上升速率随浓度的增加均表现为先变大后减小的趋势,即铝粉浓度在特定数值时会使其爆炸威力最强。     

铝粉尘激波点火的实验研究

介绍了用铝粉氧化反应所生成的中间产物的特征光谱来测量铝粉尘受激波点火延迟的新的测量方法．测量了三种不同形状和粒度的铝粉尘激波点火延迟。由实验证实，当环境温度在Ａｌ２Ｏ３的熔点左右时，铝粒都可以被点火；由于机制的不同，点火延迟相差很大；点火延迟与铝粉颗粒的比表面积和活性铝的含量有关，而与环境的氧含量基本无关；但当氧含量小于１％时，铝粉尘不能被点火。     

铝粉/空气二维黏性两相爆轰的数值模拟

为了深入研究爆轰波形成和传播的机理与特性,建立了管内铝粉/空气二维黏性两相爆轰过程的数学模型,采用守恒元与求解元方法进行数值计算,并对其物理参数的分布进行了分析。结果表明:管内燃烧转爆轰的初期,压力沿径向变化明显,与壁面碰撞有明显的反射波;燃烧转爆轰的中后期,压力沿轴向变化明显,但径向效应仍不能忽视,碰撞形成的反射波对最终稳定爆轰波的形成影响较大。研究结果同时表明:不仅铝粉颗粒初始半径对爆轰波的形成与传播有一定的影响;而且气体的黏性作用在研究爆轰管内近壁面处流场时不容忽视。研究结果有利于进一步揭示铝粉燃烧转爆轰的机理。     

20L近球形容器中微米级铝粉的爆炸特性

采用20 L近球形粉尘爆炸实验系统,探究微米级铝粉在不同点火延迟时间、粉尘粒径及粉尘浓度下的爆炸特性规律。结果表明:当点火延迟时间在20~120 ms范围内,铝粉最大爆炸压力和最大爆炸压力上升速率先增大后减小,随铝粉粒径增大,最佳点火延迟时间增大;在任一点火延迟时间下,粒径大于8.12 μm的铝粉最大爆炸压力随粉尘粒径的减小呈增大的变化趋势;粒径大于8.12 μm的铝粉,在80~440 g/m3粉尘浓度范围内,铝粉最大爆炸压力和最大爆炸压力上升速率先增大后减小,且铝粉粒径越小,对应的最猛烈爆炸粉尘浓度越低。     

爆轰波管中铝粉尘爆轰的数值模拟

用两相流模型对爆轰波管中的铝粉尘的爆轰波进行了研究。模型考虑了气体和颗粒两相间速度和温度的不同及由于管壁引起的对流热传导和粘性引起的耗散,考虑了由于铝颗粒表面粗糙使得表面积增加的因素。铝颗粒的点火判据使用了新的判据,即铝颗粒在激波后的气流中温度达到铝的熔点且铝全部熔化即被点火。数值模拟了内径为15.2cm的爆轰波管中铝粉尘中爆轰波的传播和发展,得到了爆轰波速度及铝颗粒点火距离,还得到了爆轰流场中物理量的分布。从前导激波面到CJ面处,两相间的速度和温度有明显的差别。还考虑了粒子由于粗糙引起的表面积增加对爆轰波的影响,这个因素对铝颗粒的点火距离的影响较大,对这里计算的铝粉尘爆轰波的速度基本没有影响。结果表明,两相流模型可以较好地描述铝粉尘的爆轰过程,得到具有很粗糙表面、平均粒子直径为3.4m的铝粉尘浓度为304g/m3时爆轰波的速度为1.63km/s,点火距离为3mm,与实验值符合较好。     

除尘管道内铝粉运移及沉积的数值研究

基于DPM(Discrete Phase Model)模型，研究了长直通风管道内粒径服从Rosin-Rammler 分布的铝粉的运移与沉积规律．基于颗粒与壁面的碰撞过程中的能量分析，建立了粉尘沉积-回弹模型，得出了粉尘沉积的判定准则及脱离壁面时的回弹速度．利用UDF 将沉积-回弹模型嵌入Fluent，完成了对管道内粉尘运移和沉积的数值模拟．粉尘沉积的数值结果与实验结果符合得较好，验证了所提模型的有效性．数值结果表明风速的增大使管道内粉尘浓度明显降低，管壁粉尘沉积率也降低；粒径的增大对粉尘浓度的大小影响不明显，主要影响粉尘浓度在管道内的分布情况，同时会增大粉尘在管壁的沉积率．     

铝粉含量和粒度对CL-20含铝炸药水中爆炸反应特性的影响

为了研究CL-20基含铝炸药的爆炸反应机理,利用水中爆炸实验,测量了不同铝粉含量和粒度的CL-20炸药水中爆炸的冲击波参数、二次压力波参数,计算了冲击波能和气泡能。结果表明,水中爆炸的冲击波能和气泡能表征了爆轰和二次反应两个阶段的炸药爆炸能量分配,CL-20炸药中的铝粉主要在二次反应阶段发生反应,只有少部分的铝粉参与了早期的爆轰反应。气泡脉动形成的二次压力波能描述铝粉含量和粒度对二次反应过程的影响,铝粉含量对炸药的二次反应有显著的影响;铝粉粒度对炸药的水下爆炸的初始冲击波参数、冲击波能和气泡能的影响很小,对铝粉与爆轰产物的二次反应速率影响较大。     

粉尘-CO/H2杂混合物爆燃特性研究

实验研究了半开放环境下煤粉-CO/H₂杂混合物中粉尘种类、粒径、质量浓度对其爆燃特性的影响规律。结果表明:杂混合物中粉尘颗粒对爆燃特性的影响主要是挥发分析出吸热和挥发分参与反应两种作用相互竞争的结果。对于高挥发分煤粉,挥发分析出参与反应占主要地位,混合物的爆燃强度随着挥发分含量升高而逐渐升高;对于低挥发分煤粉,挥发分析出的吸热作用大于挥发分参与反应的作用,导致了爆燃强度的降低。对于银北煤等普通烟煤,随着粉尘质量浓度的增加,混合物的爆燃强度呈U型变化趋势;对于低挥发分的焦炭粉末,其爆燃强度随粉尘质量浓度的变化不明显。     

气相反应介质中添加铝粉后的微观机理研究

利用ＯＭＡ谱仪及三台单色谱仪研究了爆炸激波管中铝粉在氢氧爆轰激励下快速反应的发射谱及辐射特性。研究发现:铝粉氧化反应主要机理是铝粉和氧反应；铝粉和水的反应是次要的。铝粉颗粒变细可以明显增强ＡｌＯ辐射强度，加快铝反应速率。利用我们研制的分光技术测量ＡｌＯ的三条振动谱线强度，确定了ＡｌＯ激发温度。测量表明:随着铝粉颗粒变细，ＡｌＯ激发温度明显提高。利用连续辐射谱确定的辐射温度同样说明添加铝粉可以提高反应温度。