大型浮顶式储油罐的爆炸破坏机理实验

利用可燃气体爆轰实验装置,通过乙炔/空气混合气体沿管道稳定爆轰后形成的冲击波对浮顶式储油罐模型的冲击实验,分别测得模型壁面上的超压荷载、动态应变及振动加速度时程曲线.通过对比分析,研究了大型浮顶式储油罐在爆炸冲击荷载作用下的动态响应特性及其破坏机理.在可燃气体爆炸荷载作用下,储罐结构在变形过程中诱发罐内液体产生压缩波并...     

基于爆能等效原理大型模爆器燃气爆炸冲击加载的数值模拟

运用非线性显式动力有限元程序LS-DYNA,基于多物质Euler算法,对TNT炸药和乙炔-空气混合气体两种爆炸源在自由大气场中爆炸产生的冲击波荷载特征参数进行数值模拟,比较两种爆源产生的冲击波压力传播规律。基于爆能等效原理,按超压相等的原则给出了气体爆炸名义比例距离计算公式。结果表明,基于Euler算法可以较好地描述乙炔-空气混合气体爆炸空气冲击波传播规律,爆炸压力随着距爆源距离的增大而迅速衰减,且两种爆源产生的冲击波超压峰值误差随着冲击波传播距离的增大而逐渐减小。采用名义比例距离公式修正后,气体爆炸与炸药爆炸冲击波计算误差可以得到有效控制。当爆炸冲击波超压小于0.5MPa时,可以采用乙炔-空气混合气体代替化学炸药进行模爆器内爆炸实验加载。

     

水平管道煤尘爆炸残留物时空变化特征

为了研究煤尘爆炸气固态残留物成分差异性及其时空分布规律，利用水平管道煤尘爆炸装置进行了煤尘爆炸实验，收集并分析了气固态残留物类别及特征。研究表明:爆炸后煤尘中灰分显著增加，挥发分和固定碳减少；爆炸前后煤尘的微观形貌特征差别明显，爆炸后煤尘颗粒表面光滑，且产生了颗粒破裂现象，部分颗粒中出现孔洞，少数颗粒呈现薄壳状，颗粒之间出现了粘结现象；煤尘爆炸气体残留物成分主要有氧气、氮气、一氧化碳、二氧化碳、甲烷、乙烯、乙烷、乙炔、丙烷等，爆源点处最低氧气浓度仅为2.52%，一氧化碳浓度达到0.38%~0.68%，距离爆源点越远，氧气浓度越高，碳氧化物气体与烃类气体浓度越低。     

柱状装药爆炸条件下厚壁圆筒爆室内流场及结构动力响应分析

借助非线性动力有限元程序ANSYS/LS-DYNA,采用基于罚函数的流固耦合算法,对厚壁圆筒爆室在柱状装药爆炸作用下的动态响应过程进行了数值模拟研究。分析了厚壁圆筒爆室内柱状装药爆炸非定常流场的演化过程以及筒体的动力响应特征。给出了爆炸流场的压力云图、筒壁受到的爆炸压力峰值及冲量的分布规律、筒体的等效应力云图以及等效应力的分布规律等。流场压力及筒体应变的计算结果与实测结果吻合较好,并将动力响应的有限元计算结果与理论解进行了比较,证明轴对称平面应变假设下的理论解可以给出问题的保守估算。分析表明,该厚壁圆筒爆室在柱状装药爆炸作用下在弹性范围内工作,爆室的强度设计是安全的。     

不同泄压条件对方管内爆炸压力特性的影响

为研究泄压膜约束条件对甲烷/空气预混气体爆炸压力特性的影响,在方形火焰燃烧传播测试管道中布置压力传感器,开展不同泄压膜材料、泄压膜层数及泄压口位置实验。结果表明:牛皮纸和聚丙烯薄膜约束泄爆过程中,每增加一层泄压膜,管道内最大泄爆压力平均上升11.2%和12.3%。各强度泄压膜约束条件下,管道内最大泄爆压力随着泄压口位置接近点火端,均呈现Z形规律,当泄压口设置在距尾部端面0.25 m时,各曲线达到最小值,当泄压口设置在距尾部端面0.50 m时,各曲线出现最大值。     

点火能对丙烷-空气预混气体爆炸过程及管壁动态响应的影响

在长12 m的无缝不锈钢直管中,通过改变初始点火能量,探究了点火能对封闭管道内丙烷-空气混合气体爆炸传播特性和激波对管壁动态加载的影响。结果表明,初始点火能对预混气体爆炸火焰传播规律以及管壁的动态响应有显著影响：点火能越大,爆炸越剧烈,爆炸压力峰值压力和管壁最大应变就越大,且压力波和管壁应变的发展一致。火焰在传播过程中受到管道末端反射波的作用会发生短暂熄灭和复燃;管壁承受冲击波加载,应变信号主要分布在0~781.25 Hz,管壁最大应变率大于10^-3 s^-1,实验工况下管壁应变属动态响应。

     

点火能对预混气体爆炸过程及管道薄壁加载响应的影响

在两端封闭的无缝不锈钢管道中,利用压力传感器、应变片以及数据采集系统实验测试了不同点火能作用下,管道内甲烷-空气预混气体爆炸波发展规律及由此造成的管道外壁的动态响应。结果表明,点火能量越大,爆炸反应程度越剧烈,管道内最大爆炸压力就越大,管道薄壁的最大动态应变也越大,爆炸波发展就越迅速,并且管壁动态应变信号和压力波信号出现较好的一致性。本文结果可为油气长输管道的爆炸破坏效应研究提供一种新的思路和方法。     

不同应力差条件下超临界CO_2气爆煤岩体气楔作用次生裂纹扩展规律研究

为研究超临界CO_2气爆技术应用于低渗煤岩增透抽采瓦斯和气爆采掘煤岩过程中,爆生气体楔入爆孔周围破裂区产生次生裂缝的规律,利用自主研发的超临界CO_2气爆装置对不同应力差条件下边长为0.4m的立方体煤岩试件进行了气爆致裂实验,得到了气爆冲击荷载作用时不同应力差条件下试件各监测点应变和爆生气体压力时程曲线及爆后试件的分区破裂特征。近孔煤岩破坏由应力波引起,气楔作用产生的拉应力导致远孔次生裂纹扩展,依据实验规律建立了超临界CO_2气爆煤岩体应力波和气楔作用复合破坏机制的力学模型,数值模拟分析了不同应力差条件下爆生气体气楔致裂规律。结果表明:当水平和垂直方向初应力不等时,爆生气体气楔作用使次生裂纹向垂直最小初应力方向偏转;当初应力相等时,次生裂纹沿原方向扩展,随着初应力增加,裂隙扩展长度和张开度减小;数值模拟得到的气体压力时程曲线、试件破坏特征与实验测得的气爆冲击压力时程曲线、试件破坏特征一致;基于爆生气体劈裂模型的数值模拟结果与实验结果吻合。     

爆破地震荷载作用下高密度聚乙烯波纹管动力响应试验研究

为研究爆破地震荷载作用下埋地高密度聚乙烯（high-density polyethylene,HDPE）波纹管的动力响应规律,通过现场预埋管道的爆破试验,结合爆破地震与动态应变等测试手段,分析了爆破地震荷载作用下埋地管道的动力响应特征,研究了管道振动速度及动态应变的分布特征,基于von Mises屈服准则分析评价了管道安全性,提出了爆破振动速度控制标准。试验研究结果表明：试验中管道与地表振速以及管道动态应变随爆心距的减少,随炸药量的增加而增大;爆破地震波振动主频高,管道振动主频高于地表;相同爆破工况条件下,管道上方地表振速普遍大于管道振速;管道截面背爆侧峰值轴向应变以拉应变为主,迎爆侧峰值环向应变以压应变为主;本试验管道安全控制振速可取20 cm/s,此时管道处于安全状态。

     

等泄压比条件下连通容器泄爆实验研究

通过开展单个容器和连通容器内预混气体的泄爆实验,分析连通条件下容器泄爆的压力变化和火焰传播过程。实验结果表明:连通容器内气体爆炸湍流燃烧,容器的最大泄爆压力和最大压力上升速率均超过单容器,特别是最大压力上升速率更高,差别更大;在等泄压比条件下,连通容器中传爆容器的最大泄爆压力比起爆容器高,且当传爆容器为小容器时,最大泄爆压力更高;随着管长的增加,传爆容器的最大泄爆压力增加,起爆容器的最大泄爆压力变化不大;连通容器泄爆过程,火焰在管道中加速传播。在相同管长条件时,小球容器向大球容器传爆的火焰传播速率高于大球容器向小球容器传爆的火焰速率。     

约束端面对管内甲烷爆炸特性的影响

为研究不同约束端面下甲烷的爆炸特性,利用自行搭建的实验平台完成了多种约束端面下不同浓度甲烷的爆炸实验。研究表明:约束端面的性质对甲烷的爆炸特性有显著影响,约束端面的承压强度越高,甲烷的爆炸超压越大。单层PVC薄膜作用下,薄膜破裂,不会引起火焰与超压的振荡;而纸膜破裂后,管道内外气流的高速泄放和回流则会引起超压振荡,使火焰前锋波动并发生扭曲变形;两者共同作用时,PVC薄膜会阻碍气流的泄放与回流,加速超压衰减,抑制火焰和超压的振荡。然而,随着纸膜层数增加,破膜时管道内外形成的巨大压差会使约束端面完全破裂,降低PVC薄膜的抑制作用。当破膜难度达到一定程度时,约束端面作用下的泄压峰值成为不同浓度甲烷爆炸的最大超压峰值,且泄爆压力并不随甲烷浓度的改变而改变,因此不同浓度甲烷的爆炸超压在较高的泄爆压力下相同;此时,相同约束端面下不同浓度甲烷的压力振荡曲线在压力衰减的前半个周期内完全重合,管道内外的压差成为主导超压振荡的重要因素,而不同浓度甲烷的燃烧速率对超压振荡的影响则可以忽略不计。     

管长对带弯头管道内可燃预混气体爆炸规律及薄壁动态响应的影响研究

基于气云燃爆实验平台,开展了不同长度弯曲管道内丙烷-空气预混气体燃爆实验测试与分析,探索管道长度对弯曲管道内可燃气体燃爆特性及爆炸冲击波对管道薄壁加载效应的影响。实验分别采用光电传感器、压力传感器和应变传感器对管道内爆炸参数和管道薄壁的应力应变规律进行了测试,结果表明,管道越长,弯曲段两侧壁面超压和管壁最大应变越大,压力时程曲线与管道薄壁应变时程曲线具有良好的一致性;弯管一定程度上激励了火焰加速传播,火焰传播速度在90°拐点处降至最低;管道长度对管道内火焰燃爆规律的影响是整体的,管道长度越长,管内压力和火焰速度越大,最大爆炸压力出现在管道末端,冲击波对管壁的加载属于动态加载。     

壳体约束对液体爆炸抛撒流场特性的影响

进行了不同壳体约束条件下的液体爆炸抛撒实验,讨论了壳体对起爆后早期抛撒流场特征的影响,分析了爆炸分散过程中液体的状态变化和破碎分散机理,并通过数值模拟进行了对比分析。结果表明,在爆炸反射稀疏波的作用下液体发生空化现象,壳体强度越高,空化发生的延迟越大,发生位置越靠近爆心,同时,爆炸产物气体与液体在其界面附近越早发生掺混。     

动静荷载对邻近巷道裂纹缺陷扰动的模拟实验

为了探究动静组合应力场作用下邻近巷道背爆侧裂纹缺陷的扩展规律,采用动静加载透射式动态焦散线方法进行了模拟实验,并结合裂纹尖端的动态应力强度因子和能量释放率进行了分析。实验结果表明:在动静荷载作用下,邻近巷道背爆侧裂纹缺陷处也成为巷道主要扰动区,且爆炸荷载对背爆侧预制裂纹的起裂起主导作用;p=0.2 MPa时的相同动静组合应力场中,背爆侧预制裂纹的扩展位移差异与裂纹的倾角有关,当θ=75°时,爆炸应力波无法驱动裂纹起裂;在相同爆炸荷载作用下,θ=30°时,较小竖向荷载对裂纹的扩展具有抑制作用,且抑制作用随所施加的竖向荷载增加而增大,当p=0.4 MPa时,裂纹无法起裂;裂纹最终扩展位移,与裂纹尖端动态应力强度因子在极大值上下振荡变化的持续时间,或在裂纹扩展阶段能量释放率积累量,呈正相关。     

分段装药爆炸应变场与裂隙场分布规律

为探究分段装药爆炸应变场与裂隙场分布规律,采用数字图像相关分析方法与电子计算机断层扫描实验方法,分析了孔内分段装药爆炸全场应变传播规律,建立了爆后“岩石—爆炸裂隙”的三维重构模型,描述了爆炸裂纹位置与形态的空间分布情况,得到岩石材料爆炸裂隙的分形维数与损伤度。研究结果表明：分段装药改变了连续装药对介质的全场应变形态,由一次应变改变为两次应变,在满足第一段炸药对介质的破坏作用下,同时加大了第二段炸药对介质的作用效应;上分段装药占比0.4时,下分段介质受爆炸作用应变峰值更大,更好满足工程实践中下半段岩体对爆炸能量的需求;相同装药系数下,连续装药结构爆炸裂纹没有贯穿试件整体,炮孔封堵段的爆炸裂纹较少,分段装药结构下,由于提高了炸药的位置,使得上部分岩体能够更好地利用炸药爆炸的能量破碎岩石;分段装药岩石整体损伤度较连续装药提高了23.5%,其中上分段岩石损伤差异较大,分段装药上分段损伤度比连续装药提高46.4%。     

岩体加固抗爆炸性能

为进一步提升岩体的抗爆炸性能,采用相似模型实验和数值模拟的方法对采用交叉锚索进行加固的围岩进行了抗爆性能分析,对比分析了加固前后岩体的爆炸压力分布规律、应变分布规律、爆腔大小以及锚索参数对加固效果的影响。研究结果表明:无论岩体是否加固,爆心附近岩体内爆炸压力峰值、径向应变峰值、环向应变峰值与比例距离均呈负幂指数衰减,在相同的爆炸药量作用下,随着距爆点距离的增大,压力、应变峰值迅速减小;在集团装药条件下,岩体内的爆腔不呈球形而呈上细下粗的花瓶形,且无加固岩体的爆腔高度较大;交叉锚索角度变化对介质压缩半径的影响较小;随着交叉锚索密度的增大,加固介质中自由场压缩波峰值降低约20%～35%左右,介质的破坏半径小约30%左右。该研究结果可为地下防护工程设计和围岩加固提供参考。     

氮气喷出对管道瓦斯爆炸的阻爆研究

为探究喷出氮气对瓦斯爆炸火焰传播的抑制能力,设置三种氮气喷头布置方式来进行阻爆实验,采用的氮气喷出压力有0.1、0.2、0.3、0.4和0.5 MPa,爆炸开始后喷射氮气,爆炸结束后氮气立刻关闭。结果表明,单喷头距泄压口20 cm时,各压力下喷出的氮气都未能阻爆,但火焰在整个管道内的平均传播速度随氮气压力增大而减小;单喷头距泄压口35 cm时,喷气压力0.5 MPa下成功阻爆,其他喷气压力下未能阻爆;双喷头喷气时,喷气压力0.3、0.4、0.5 MPa情况下都能够阻爆,且喷气压力越大,火焰被阻止的位置越靠前。阻爆的实现,需要氮气在阻爆位置将管道截面上的预混气稀释到可燃极限以下,因而氮气量是影响稀释的重要参数。单喷头时,喷头距离泄压口远更易于实现阻爆。采用双喷头时,氮气区扩大,阻爆所需氮气压力、氮气总量比单喷头时都大为降低。

     

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。     

三种盐类超细水雾抑制管道内甲烷-空气预混气爆炸的差异性

针对管道输送可燃气体时爆炸引发的连锁安全问题,自行搭建了两节管道预混气爆炸传播及抑爆实验系统,开展了不同种类、不同盐类质量分数和不同雾通量的盐类超细水雾抑制甲烷体积分数为9.5%的甲烷-空气预混气爆炸的系列实验。基于火灾学和爆炸学理论,深入探讨了不同实验工况下爆炸超压振荡曲线、最大超压峰值、爆炸火焰阵面位置、火焰平均传播速度和火焰结构演化的差异性。研究表明:随着盐类添加剂(NaCl、NaHCO_3和MgCl_2)质量分数和雾通量的增大,最大爆炸超压峰值相对于纯水超细水雾作用时呈不同幅度下降,爆炸超压振荡曲线上升趋势缓慢,火焰平均传播速度下降趋势明显。爆炸火焰锋面在管道B内呈现不同次数的后退现象,到达管道末端的时间较无细水雾和纯水超细水雾下延迟效应明显。通过比较分析,发现含NaCl超细水雾在弱化爆炸超压、延缓火焰锋面推进、降低火焰平均传播速度以及火焰后退次数方面均优于含MgCl_2和NaHCO_3超细水雾。主要原因在于,阴离子Cl~-销毁链式爆炸反应中OH·、H·自由基的能力强于HCO_3~-,阳离子Na~+销毁爆炸反应中OH·、H·自由基的能力强于Mg~(2+)。     

应变波对岩体的损伤作用和爆生裂纹传播

给出了应变波作用下岩体损伤累积计算方法,将爆破过程中应变波的动作用和爆生气体的准静压作用结合起来,分析爆生裂纹传播的全过程,修正了以往理论,井揭示了Ｋｕｔ－ｔｅｒ等人所说的应力波对岩体预载荷作用￣［１］的力学本质。