爆轰快速点火实验研究及机理分析

为了验证采用爆轰可迅速引燃点火药进而引燃主装药的可行性及掌握此种点火方式下的点火情况,建立了火药装药系统下直列式起爆器爆轰点火实验系统.在特定装药条件下,对点火后实验装置内压力变化情况进行了测量,得出采用爆轰点火方式可以实现点火延迟时间为0.3 ms的目标,以及得出此种点火方式下,火药燃烧特点及实际应用时的注意事项,如...     

圆柱形爆轰波的二维数值模拟

基于带化学反应的二维Euler方程,对圆柱形爆轰波的直接起爆和传播过程进行了二维数值模拟研究,拟分析起爆条件和初始压强对圆柱形爆轰波形成和传播的影响。研究发现,圆柱形爆轰波起爆成功向外传播的过程中,新的三波结构的生成标志着爆轰波进入稳定传播阶段。在起爆能量足够的情况下,起爆半径(曲率)的大小决定着三波结构初始形成时的数目和传播半径,起爆压强对其基本不产生影响;起爆半径大(曲率小)时,三波结构初始形成时的传播半径大、数目多,圆柱形爆轰波进入稳定传播阶段的传播距离长;数值模拟中,初始压强的提高,有助于圆柱形爆轰在较短的传播距离内进入稳定传播阶段。     

可燃气体中激波与障碍物作用在下游形成爆轰波的数值研究

对平面激波和单个矩形障碍物作用的过程进行了数值模拟,研究了反射产生的上行爆轰波在下游可燃气体中形成爆轰波的过程。数值结果表明,下游爆轰波形成过程主要有2种模式:爆轰波直接绕射和绕射波在上壁面反射,这和已有的实验结果是一致的。通过研究下游爆轰波的形成过程受入射激波马赫数、混合气体的压力和管道尺度的影响,分析了上游爆轰波向下游传播的波动力学过程,讨论了2种形成过程的作用规律和控制因素,阐明了下游爆轰波的形成规律。     

铝颗粒激波点火机制初探

通过对铝颗粒在激波后的高温热气流中由于温度升高产生的热应力进行分析计算 ,对铝颗粒的激波点火机制进行初步探讨。计算结果表明在激波后的气流中 ,铝颗粒的温度只要升高 70C左右 ,铝颗粒的氧化层就会产生裂纹。当铝颗粒的铝完全熔化后 ,如果这时气流对颗粒的作用使得已经产生裂纹的氧化层进一步破裂并失去对铝的保护 ,铝颗粒将被点火 ;但如果此时气流对铝颗粒的作用未能使氧化层失去保护作用 ,铝颗粒的温度需达到或接近三氧化二铝的熔点时才能被点火。     

固体非均质炸药冲击点火与起爆模型研究进展

综述了固体非均质炸药冲击点火与起爆模型研究的进展,主要探讨基于经验数据模型、微观机制模型和分子动力学理论模型这3类模型的理论基础、存在的问题和工程应用前景,认为基于微观机制点火与起爆模型具有物理概念清晰以及能够预测实验结果的优点和较好的工程应用前景,提出了后续发展的建议。     

点火准则和稀释气体对乙烯点火延时的影响

利用矩形截面激波管研究点火准则和稀释气体对乙烯点火延时的影响。采用压电传感器记录测点压力时间历程,采用光谱仪和光电倍增管记录自发光强时间历程,以压力、总自发光强与·OH和·CH自由基特定能级发射光强等信号判定是否发生自点火,给出自点火过程的时间起始点和终止点,得到了不同点火准则和稀释气体对应的乙烯/氧气/氮气和乙烯/氧气/氩气点火延时。结果表明：相同工况的乙烯点火延时测量数据相对误差约为15%,数据验证了本文实验和测量方法可靠性。针对当量比为1.0、压力为0.2 MPa,得到了温度范围为905～1 489 K,稀释气体的摩尔分数为75%氮气和75%氩气时的乙烯点火延时,给出点火延时和温度拟合的Arrhenius型表达式。不同点火准则会影响所测点火延时数据,但多次测量结果确定的点火延时和温度变化规律近似相同。不同稀释气体对激波管自点火流场的影响表现为和流场均匀性以及混合物比热相关。相同工况的乙烯/氧气/氮气点火延时大于乙烯/氧气/氩气点火延时。高温区和低温区的乙烯/氧气/氩气点火延时与温度的拟合关系不同,转折温度约为1 121 K。

     

Performance of a detonation driven shock tunnel

A detonation driven shock tunnel is useful as a ground test facility for hypersonic flow research. By attaching a convergent section ahead of the primary diaphragm in the driver section, the downstream operation mode became available to generate a high-enthalpy test flow. A 100 mm diameter shock tunnel was for the first time installed in the Laboratory of High-Temperature-Gas Dynamics (LHD), Institute of Mechanics, Chinese Academy of Sciences, and after its continuous refitments, a high performance detonation driven shock tunnel was achieved to generate high-enthalpy and high-Reynolds number test flows. A new method to burst a metal diaphragm with the downstream operation mode is discussed.Received: 13 December 2003, Accepted: 26 August 2004, Published online: 26 November 2004[/PUBLISHED]W. Zhao: Correspondence to     

T型管内流动气体中爆轰绕射过程的数值模拟

基于带化学反应的二维Euler方程,对H₂、O₂、Ar体积比为2:1:1的混合气体系统在T型管内的爆轰绕射进行了数值模拟。用二阶附加半隐的Runge-Kutta法和五阶WENO格式分别离散欧拉方程的时间和空间导数项,采用9组分48步基元反应简化模型描述爆轰波在静止系统和流动系统中的传播过程,得到了温度、压力、典型组元H质量分数的分布及数值胞格结构。结果表明:在流动系统中,迎风面上波阵面为斜爆轰结构,静止系统两侧和顺风面上的波阵面为完全解耦的前导激波;在水平管中,波阵面与上下壁面经历一系列马赫碰撞后,最终形成正爆轰;在流动系统中,胞格结构明显向下游偏移;横向爆轰波的产生对爆轰波的再生起到了关键作用。     

爆轰波平掠惰性气体界面及其解耦现象的数值研究

采用基元化学反应模型和迎风TVD格式,数值研究了爆轰波平掠惰性气体界面时的物理现象及其作用机制,并用点隐方法克服化学反应源项引起的计算刚性。数值结果显示,当爆轰波平掠过惰性气体界面时,形成了爆轰波、界面、透射激波以及稀疏波相互作用的现象。在高N2比例稀释的可燃混合气体情况下,当爆轰波平掠过特定惰性气体界面时,它与惰性气体界面相互作用产生的稀疏波可以导致爆轰波的解耦。     

用环形激波聚焦实现爆轰波直接起爆的数值模拟

利用基元反应模型和有限体积法对环形激波在可燃气体中聚焦实现爆轰波直接起爆进行了数值模拟。研究结果表明,标准状态下的氢气-空气混合气体在马赫数为3.1以上的环形激波聚焦产生的高温高压区作用下会诱发可燃气体的直接起爆形成爆轰波,爆轰波与激波和接触间断相互作用产生了复杂的波系结构;爆轰波爆点位置在对称轴上并不是固定的点,而是随着初始激波马赫数的变化而发生移动;可燃气体初始温度和压力对起爆临界马赫数都有影响,但是初始温度的影响大得多。     

Head on collision of a planar shock wave with a dusty gas layer

The head-on collision of a planar shock wave with a dust-air suspension is studied numerically. In this study the suspension is placed inside a conduit adjacent to its rigid end-wall. It is shown that as a result of this collision two different types of transmitted shock waves are possible, depending on the strength of the incident shock wave and the dust loading ratio in the suspension. One possibility is a partially dispersed shock wave, the other is a compression wave. The flow fields resulting in these two options are investigated. It is shown that in both cases, at late times after the head-on reflection of the transmitted shock wave from the conduit end-wall a negative flow (away from the end-wall) is evident. The observed flow behavior may suggest a kind of dust particle lifting mechanism that could shed new light on the complex phenomenon of dust entrainment behind sliding shock waves.      

爆轰波对碰区产物驱动金属圆管的研究

利用闪光X光照相、光学高速分幅照相实验,测得了金属圆管在两个爆轰波对碰后产物驱动外壳的膨胀、变形过程,该过程表明爆轰波对碰作用使得对碰处金属圆管相对贯穿断裂时间明显提前,对碰处金属圆管径向膨胀速度较非对碰处明显增加。利用拉格朗日二维流体动力学程序TTD2C,数值模拟了对碰驱动过程,计算结果与实验结果符合很好,且用Taylor断裂判据得到的金属圆管相对贯穿断裂时间也明显提前。     

氢气/丙烷/空气预混气体爆轰性能的实验研究

通过采用压力传感器和烟灰板两种测试设备,开展了常温常压下氢气/丙烷和空气混合气体爆轰性能的实验研究。实验过程中观察到自持爆轰波,爆轰速度比值在0.99~1之间,爆轰压力比值在0.8~1.2之间。爆轰胞格尺寸在10~50 mm范围内,建立了爆轰胞格尺寸和化学诱导长度的关系式。随着丙烷不断添加,爆轰速度减小,而爆轰压力和胞格尺寸增加。这种变化趋势起初较快,而后变缓。因为起初氢气摩尔分数较大,混合气体趋向于氢气/空气的爆轰性能;而后因丙烷摩尔质量较大,丙烷逐渐起主要作用,混合气体表现出丙烷/空气的爆轰性能。     

基于详细化学反应动力学的激光点火模型

为研究含能材料在激光作用下的点火特性,从基本守恒方程组出发,基于详细化学反应动力学模型,建立了含能材料激光点火的气相模型.利用所建立的模型对RDX在激光辐照下的点火过程进行了数值模拟,得到了点火过程中的瞬时温度分布和组分分布,对点火特性进行了分析.计算得到的不同激光功率密度下的RDX点火延迟时间与文献结果一致.     

Numerical investigation on evolution of cylindrical cellular detonation

Cylindrical cellular detonation is numerically investigated by solving two- dimensional reactive Euler equations with a finite volume method on a two-dimensional self-adaptive unstructured mesh. The one-step reversible chemical reaction model is applied to simplify the control parameters of chemical reaction. Numerical results demonstrate the evolution of cellular cell splitting of cylindrical cellular detonation explored in experimentas. Split of cellular structures shows different features in the near-field and far-field from the initiation zone. Variation of the local curvature is a key factor in the behavior of cell split of cylindrical cellular detonation in propagation. Numerical results show that split of cellular structures comes from the self-organization of transverse waves corresponding to the development of small disturbances along the detonation front related to detonation instability.     

激波聚焦诱导点火和爆轰的数值研究

以二维轴对称多组分Euler方程为基础,采用非正交结构化网格和改进的波传播算法,模拟了激波在抛物形反射壁面聚焦反射诱导点火和爆轰的过程,描述了其流场形态。讨论了预混气组成、入射激波强度及反射壁面形状对点火和爆轰的影响。结果表明,激波在抛物形反射壁面顶点处聚焦反射可形成局部高温高压区域,该区域在一定条件下可点燃预混气甚至形成爆轰,其中低稀释剂浓度的预混气、较大的入射激波Mach数和较深的反射壁面有利于可燃预混气形成爆轰。     

带隔板装药爆轰波马赫反射理论研究和数值模拟

基于三波理论和Whitham方法对带隔板装药爆轰波相互作用后发生的正规反射和非正规反射进行了理论分析,给出了爆轰波发生马赫反射时临界入射角和马赫杆增长角等参数的变化规律,提出了马赫杆高度的计算模型。基于凝聚炸药爆轰Jones-Wilkins-Lee(JWL)模型和冲击起爆的Lee-Tarver模型,利用有限元计算软件对带隔板装药爆轰波的传播过程进行了数值模拟。结果表明,发生马赫反射后,随着爆轰波的传播,马赫杆的高度不断增加。数值模拟结果与理论计算结果吻合较好,说明本文中采用的理论模型和数值模拟方法能够较准确地描述带隔板装药爆轰波马赫反射的传播过程。     

固、液相FAE一次引爆实验研究

基于离散爆轰思想,进行了小药量无约束空间固、液相燃料空气炸药(fuelairexplosive,简称FAE)弹体的野外一次引爆实验。实验结果表明,固、液相FAE弹体的爆炸效果均明显优于等质量的TNT装药;固相FAE弹体一次引爆后的云雾分散规律和爆炸压力场分布不同于液相FAE弹体。在本实验装置条件下,固相FAE弹体的远场超压增长峰值虽未超过等质量的液相FAE弹体,但其火焰持续时间却比等质量液相FAE弹体的长。若仅考察弹体云雾最大半径,固相FAE弹体并不比等质量的液相FAE弹体优越太多,但固相FAE弹体的爆炸作用体积增大较多。     

快速热点火熔奥梯铝炸药燃烧转爆轰实验研究

以熔铸型含铝混合炸药熔奥梯铝为对象,研究铸装含铝混合炸药快速热点火后的燃烧转爆轰特性。建立了快速热点火燃烧转爆轰实验平台,由实验装置(加热装置、约束钢管、炸药)、压力测试系统、光纤测速系统组成;加热装置加热15 mm厚45钢钢板,峰值温度大于1 100℃,温升速率为85～95℃/s。开展了快速热点火带壳熔奥梯铝炸药燃烧转爆轰实验,由加热装置加热约束钢管内熔奥梯铝炸药,炸药化学反应阵面压力和传播速度分别由压电性高压压力传感器和光纤探针测定;实测阵面压力约1 GPa,传播速度最大约2 600 m/s。由光纤数据获得炸药化学反应阵面传播轨迹,通过特征线方法获得冲击形成点,半定量给出冲击形成距离大于850 mm;并比较了管体破片质量实测值与炸药完全爆轰时破片平均质量计算值,实测值远小于计算值。综合实测化学反应阵面传播速度和压力、冲击形成距离分析、破片质量比较,可确定熔奥梯铝炸药没有发生完全爆轰,其化学反应状态为爆燃。另外,采用Adams和Pack模型、CJ燃烧模型,都能够半定量的预估冲击形成距离和燃烧波后压力,为实验设计提供依据,但CJ燃烧模型的计算结果更接近于实测值。     

铝颗粒在激波后气流作用下的点火

对铝颗粒在激波后气流作用下的点火进行了理论分析 ,用三个不同的判据得到铝颗粒点火的延时曲线并与实验进行了比较。理论分析结果表明 ,铝颗粒可以在远低于Al2 O3 的熔点被点火 ,甚至只要在铝的熔点时就被点火。提出的铝颗粒在温度达到铝的熔点且铝完全熔化时被点火这个判据在一些条件下与实验符合很好。如果铝颗粒表面的氧化层较厚 ,则点火温度为氧化铝的熔点。