多孔介质中稳定泡沫的流动计算及实验研究

将多孔介质简化为一簇变截面毛管束,根据多孔介质的颗粒直径、颗粒排列方式、孔喉尺度比及束缚水饱和度,计算出变截面毛细管的喉道半径和孔隙半径. 在考虑多孔介质喉道和孔隙中单个气泡的受力和变形基础上,利用动量守恒定理,推导出单个孔隙单元内液相的压力分布和孔隙单元两端的压差计算公式,最终得到多孔介质的压力分布计算公式. 利用长U型填砂管对稳定泡沫的流动特性进行了实验研究. 研究结果表明:稳定泡沫流动时多孔介质中的压力分布呈线性下降,影响泡沫在多孔介质中流动特性的因素包括:多孔介质的孔喉结构、泡沫流体的流量和干度、气液界面张力、气泡尺寸,其中孔喉结构和泡沫干度是影响泡沫封堵能力的主要因素.关键词: 稳定泡沫;多孔介质;变截面毛管;流动;表观粘度;压力分布;实验研究      

组合型多孔材料对容器管道系统内甲烷/空气的抑爆效果

为研究多孔材料对可燃气体的抑爆效果,选取了3类6种多孔材料分别组合后进行实验研究。以甲烷/空气预混气体作为研究对象,利用自制薄型铁环将多孔材料固定在密闭容器管道系统内,对比分析了薄型铁环、单层型多孔材料、双层组合型多孔材料和三层组合型多孔材料的抑爆效果。结果表明:薄型铁环增强了气体爆炸强度,铁环后爆炸压力最大;多孔材料抑爆效果明显,双层组合型多孔材料抑爆效果相比单层型多孔材料和三层组合型多孔材料稳定;抑爆效果最佳的组合型多孔材料为Al₂O₃ 10 mm/30 PPI+SiC 20 mm/20 PPI,爆炸压力抑制效果最佳的组合型多孔材料为Al₂O₃ 10 mm/30 PPI+Fe-Ni 10 mm/90 PPI+SiC 20 mm/10 PPI。     

多孔介质中气泡的生成机理及流动特性研究

根据组成多孔介质的颗粒直径、颗粒排列方式、孔喉比、束缚水饱和度,将多孔介质简化为一簇变截面毛管组成的毛管束.利用质量守恒原理和动量定理,推导出单个孔隙单元内液相压力梯度和壁面剪切应力的计算公式,得到泡沫稳定流动状态时多孔介质中的压力分布以及泡沫当量直径的计算方法.通过对喉道处气泡的受力分析,推导了截断再生气泡的当量直径计算公式.利用长U型填砂管对多孔介质中稳定泡沫的流动特性进行了实验研究.研究结果表明:稳定泡沫流动时多孔介质中的压力分布呈线性下降,孔喉结构和泡沫干度是影响泡沫封堵能力的主要因素.     

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。     

泡沫铝防护钢筋混凝土板的抗爆性能

为研究多孔吸能材料泡沫铝板对工程结构的抗爆防护作用,开展室外爆炸破坏实验,分别对设置不同泡沫铝防护层的钢筋混凝土(reinforced concrete,RC)板在爆炸荷载下的动态响应及破坏模式进行了研究,并运用LS-DYNA软件建立了有限元模型。通过与实验对照,验证了模型的可行性,对比分析了有、无泡沫铝防护层钢筋混凝土板的损伤破坏规律,并讨论了泡沫铝密度梯度分布和纵筋配筋率的影响。结果表明:有限元模型能够有效分析含泡沫铝防护层RC板的动态响应及其破坏形态;泡沫铝防护层能够有效减小钢筋混凝土板的挠度变形,降低试件的破坏程度;泡沫铝密度由下到上递增情况对RC板的减爆效果最好;增大配筋率可以提升泡沫铝防护RC板整体抗爆性能。     

爆炸载荷下分层梯度泡沫铝夹芯板的失效模式与抗冲击性能

采用弹道冲击摆系统开展了爆炸载荷下分层梯度泡沫铝夹芯板的变形/失效模式和抗冲击性能实验研究,并配合激光位移传感器得到试件后面板中心点的挠度-时程响应曲线。研究了炸药当量和芯层组合方式对夹芯板试件变形/失效模式和抗冲击性能的影响。实验结果表明,泡沫铝夹芯板的变形/失效模式主要表现为面板的非弹性大变形,芯层压缩变形、芯层拉伸断裂以及芯层剪切失效。在研究爆炸冲量范围内,非梯度芯层夹芯板的抗冲击性能明显优越于所有分层梯度芯层夹芯板。对于分层梯度夹芯板试件,爆炸冲量较小时芯层组合形式对分层梯度芯层夹芯板的抗冲击性能的影响不大,而爆炸冲量较大时,最大相对密度芯层靠近前面板组合形式的分层梯度夹芯板试件抗冲击性能较好。研究结果可为泡沫金属夹芯结构的优化设计提供参考。     

油气爆炸的氮气非预混抑制实验

依靠激波管可视化实验台架，完成了油气爆炸的氮气非预混抑制实验，获得了火焰前锋在氮气非预混段内衰减、熄灭过程的高速摄影照片。通过对实验数据和高速摄影照片的分析，讨论了油气爆炸氮气非预混抑制过程的超压特性和火焰行为。结果表明，采用氮气非预混手段能显著降低油气爆炸过程的超压与超压上升速率。油气爆炸的氮气非预混抑爆过程经历了惯性相持期、抑制衰减期和扩散熄灭期3个阶段。氮气分子作为第三体参与化学反应并携带走高能自由基的能量，促使链式反应向中止链大量发展，这是油气爆炸氮气非预混抑制过程的主要机理。抑制衰减期的火焰由衰减抑制区和核心区火焰构成，火焰与氮气的相互作用主要发生在衰减抑制区内。在抑制衰减期内，火焰速度的衰减可用线性公式描述。     

泡沫铝爆炸冲击特性的数值研究

基于流体弹塑性模型,建立了泡沫铝在爆炸载荷下的冲击特性方程。采用Lagrange差分格式,在 均匀网格上对方程进行了离散。编写了数值计算程序,进行了炸药在空中和水中爆炸的一维数值计算。爆炸 场中考虑了泡沫铝密度、环境介质对泡沫铝材料冲击特性的影响。结果表明:数值计算结果与理论解、实验实 测结果基本吻合,证明所建立的泡沫铝的流体弹塑性本构方程可以用来描述泡沫铝的冲击特性;泡沫铝的密 度越低,泡沫铝中的压力峰值越小;在接触爆炸条件下,泡沫铝外侧环境介质的性质对临近环境介质端泡沫铝 中的压力影响明显,其中,环境介质若为空气,则临近空气端泡沫铝中的压力呈下降趋势,若环境介质为水,则 临近水端泡沫铝中的压力呈上升趋势。     

冲击载荷下孔隙塌缩过程的数值模拟

爆炸压实过程中多孔体的孔隙闭合程度对压实效果起着决定性作用。利用LS-DYNA有限元程序,对无氧铜中的圆形孔隙塌缩过程进行了数值模拟。根据模拟结果分析得出,在6 GPa的冲击压力下,孔隙闭合时不同边界区域会发生爆炸焊接和射流侵彻,这2种结合机理可以使材料结合更牢固,提高材料的致密度和机械强度,实现高质量的爆炸压实。     

低阻抗多孔介质材料的SHPB实验技术

低阻抗多孔介质材料具有较低的密度和弹性波速，对其实施动态压缩实验具有一定的难度。本文在充分分析聚氨酯泡沫试件由于低阻抗所带来的各种影响因素后，提出了在ＳＨＰＢ装置上对低阻抗多孔介质材料进行动态测试时所应采取的半导体应变片技术及新的ＳＨＰＢ数据计算模式，初步解决了ＳＨＰＢ装置上对低阻抗多孔介质测试的难点。     

水介质对舱内爆炸抑制作用的实验研究

为探索舰船抗舱内爆炸的机理和技术手段，设计了多舱室缩比模型，开展了有水和无水介质的爆炸实验，对比了爆炸当舱水介质对爆炸反应过程、邻舱冲击波峰值、比冲量及准静态压力的影响。研究结果表明:(1)水介质对舱内爆炸邻舱冲击波峰值、比冲量和准静态压力均有明显的衰减作用；(2)在一定区间内，炸药当量越大，水介质抑制内爆炸的效果越明显；(3)水介质能有效阻碍燃烧等爆炸后续效应，影响准静态压力形成。     

非饱和多孔介质有限元分析的基本控制方程与变分原理

本文在对问题研究现状进行阐述的基础上较系统地给出了骨架可变形非饱和多孔介质的全耦合分析模型，模型中考虑了孔隙气体，水（油）流动对介质力学性能的影响，多孔介质的饱和度，渗透系数与毛吸压力的关系，由实验给出，所导出的控制方程以固体骨架的位移与孔隙流体压力为基本未知量，由于问题的非自共轭特征，文中构造了非饱和介质动力问题的参数变分形式，并在此基础上给出有限元离散方程。     

固体－气幕－液体耦合系统广义变分原理

基于驻值势能原理，本文建立了固体－气幕－液体耦合系统的广义变分原理．本文进一步根据薄气幕层的特性，将广义变分原理的相关项适当组合，得出结论，在薄气幕层情况下，固体－气幕－液体三介质耦合问题可以化为在气泡振动方程、速度与压力连续条件限制下的流－固两介质耦合问题来进行数值计算．     

固体—气幕—液体耦合系统广义变分原理

基于驻值势能原理，本文建立了固体－气幕－液体耦合系统的广义变分原理。本文进一步根据薄气幕层的特性，将广义变分原理的相关项适当组合，得出结论：在薄气幕层情况下，固体－气幕－液体三介质耦合问题可以化为在气泡振动方程、速度与压力连续条件限制下的流－固两介质耦合问题来进行数值计算。     

瓦斯爆炸过程中激波的诱导条件及其分析

在实验的基础上，研究了瓦斯爆炸过程中激波的产生条件．研究结果表明，障碍物和薄膜的存在对瓦斯爆炸过程中激波的产生具有重要影响．当有障碍物存在时，瓦斯爆炸过程中火焰的传播速度将迅速提高，并可诱导激波的产生；同样，在瓦斯爆炸破膜过程中也将产生激波现象．因此，为了减轻瓦斯爆炸的破坏作用，应尽量减少矿井巷道中的障碍物并加固好风门与密闭墙，以防发生破膜现象，导致激波的产生．研究结果对指导现场如何防治瓦斯爆炸，减轻瓦斯爆炸的威力具有重要作用．     

铜箔和铜网格的电爆炸参数

本文给出了在爆炸电流密度为2.3——10.0×10’A/cm~2的范围内,几种铜箔和铜网格电爆炸参数的实验结果。结果表明,铜箔和铜网格爆炸时刻的比作用量g_b、相对电阻R_b/R_o和比能量e_b都是爆炸电流密度的函数,周围介质对电爆炸参数也有明显的影响。实验结果还表明,可以用爆炸时刻的比能量e_b作为电爆炸金属导体的一个特征参数。     

多孔材料下气体爆炸转扩散燃烧的特性研究

为分析多孔材料对预混气体爆炸特性参数的影响效果,采用自主搭建的爆炸实验平台,探究不同孔隙度和厚度的多孔材料对当量比为1的甲烷/空气预混气体爆炸的作用行为。实验研究表明,不同孔隙度的多孔材料对爆炸火焰和超压具有促进或抑制两种不同的影响。孔隙度较小时,爆燃火焰传播速度随着材料厚度的增大而降低,并在厚度较大时,火焰有短暂的传播延时现象。孔隙度较大时,预混火焰冲击多孔材料时发生淬熄,但随后一段时间内,由于负压抽吸作用,在已爆区域一侧的材料表面产生扩散燃烧现象,且扩散燃烧程度与材料厚度成反比关系。多孔材料的固相结构能降低压力的泄放效率,同时可吸收能量,进而提高爆炸超压的上升速率,降低超压峰值。当每英寸长度孔数δ=10的多孔材料促进火焰传播时,与当量比为1的预混气体爆炸相比,超压峰值最大可提高约2倍,造成更严重的后果。火焰冲击δ=20的多孔材料时发生淬熄,最大超压衰减可达47.17%,δ=30时最大超压衰减了24.62%。     

渗流气体滑脱现象与渗透率变化的关系

气体在致密多孔介质中低速渗流时存在着因气体分子碰撞岩壁而引起的滑脱现象，它由介质的孔隙结构和气体分子的平均自由程共同决定。该现象使气测渗透率大于孔隙介质的绝对渗透率。介质中气体的低速渗流为黏滞流与滑脱流组成，各自所占比例与气体分子按自由程的分布有关。理论计算得到了低速气体渗流的气测渗透率Kg与绝对渗透率K0比值的关系式，实验结果与理论分析吻合。     

瓦斯爆炸过程中火焰厚度测定及其温度场数值模拟分析

本文通过实验的方法，探讨了瓦斯爆炸过程中火焰厚度变化特性及其影响因素，并对瓦斯爆炸过程中的温度场变化进行了数值模拟。研究结果表明，障碍物存在时，瓦斯爆炸过程中产生的火焰厚度常常会小于无障碍物存在时所产生的火焰厚度；膜片所处位置对瓦斯爆炸过程中火焰厚度也有重要影响，膜片距离爆炸源较近时，火焰厚度明显增大，瓦斯爆炸后，火焰阵面着附近区域与管封闭端附近区域温度变化较为陡峭，而火焰阵面后一段区域的温度变化较平缓，且火焰阵面附近温度较高，在障碍物附近温度很快上升到最大值，然后温度开始下降。研究结果对指导现场防治瓦斯爆炸，减轻瓦斯爆炸灾害具有一定的指导意义。     

定量开采条件下径向渗流的液固耦合问题

考虑到多孔介质渗透率随孔隙度变化的特点，建立了力学模型，研究定量抽放问题；对于广义平面应力状态下的非线性渗流耦合问题，提出了解的构造方法和解耦方法；求出了耦合条件下的孔隙压力，多孔介质总应力、总应变和总位移的解析解；进行了实例计算，并与Biot理论进行了对比，结果表明两种理论的差别很大。因此在渗透系数有较明显变化的场舍下不能采用Biot理论进行分析。