一种约束空间内炸药爆炸温度场数值计算方法及应用

为了研究约束舱室内炸药爆炸温度场,采用五阶WENO有限差分格式,耦合求解了爆轰产物质量分数输运方程与可压缩欧拉方程;并通过理论推导建立了热容与气体内能之间的关系式;进而采用牛顿迭代法求得最终温度场,自主开发了约束舱室内炸药爆炸温度场的二维数值计算程序。采用所开发的程序开展了约束舱室内炸药爆炸温度场数值计算,初步探讨了炸药形状及泄压对温度场的影响规律。研究表明:(a)炸药形状对远场测点温度影响较小,对近场温度影响较大,方形炸药在近场区域相比圆形炸药能维持较长时间的高温区;(b)泄压能较大幅度地降低舱室内部的温度载荷强度,相比密闭舱室能够使得最终准静态温度载荷降低54.7%,从而降低毁伤程度。本文的研究可为进一步探讨考虑燃烧效应后爆炸温度场数值计算及毁伤评估提供一定的参考和指导。     

密闭空间内爆炸温度场数值计算及其特性研究

采用三阶WENO有限差分格式,耦合求解爆轰产物质量分数输运方程与可压缩欧拉方程,并通过建立内能与热容之间的关系求得瞬态温度,自主开发密闭空间内炸药爆炸温度场三维数值计算程序。基于所开发的程序开展密闭空间内炸药爆炸温度场数值计算,初步探讨内爆炸温度场演化过程及其分布规律。研究表明:密闭空间内爆炸温度载荷在爆炸初期呈现出多峰值特征,在爆炸后期,逐渐趋近于准静态平稳值,且内爆炸温度场分布具有空间上的不均匀性;数值计算准静态温度与理论计算吻合较好,相对误差控制在1%以内,初步验证了所开发程序的可靠性和正确性。本文的研究可为进一步探讨考虑后燃烧效应爆炸温度场数值计算及毁伤评估提供一定的参考和指导。     

TNT内爆炸准静态压力特性

为研究密闭空间内TNT爆炸准静态压力特性,通过理论分析得到了准静态压力计算模型,以爆炸罐和爆炸舱室为典型密闭空间环境开展了系列TNT内爆炸实验。结果表明,准静态压力的上升伴随着内爆炸冲击波的多次反射,反射结束后准静态压力到达峰值,药量-容积比是准静态压力的主要影响因素,准静态压力峰值及上升速率随着药量-容积比的增加而增加;基于实验数据拟合得到了TNT内爆炸准静态压力峰值经验公式,可用于准静态压力峰值预估及内爆炸威力评估。     

装药质量对约束空间内爆炸准静态超压载荷的影响规律研究

约束空间内爆炸载荷的深入研究是合理设计抗爆结构的重要依据。为了研究装药质量对约束空间内爆炸准静态超压载荷的影响规律,应用三阶WENO有限差分格式,编写炸药在约束空间内爆炸过程的三维数值计算程序。利用Sod激波管、双爆轰波碰撞等经典算例验证了本文数值程序的可靠性。基于验证的程序开展了带有泄压口的约束空间内爆炸载荷数值计算。采用量纲分析与数据拟合相结合方式给出了准静态超压衰减系数随装药质量的变化关系。在此基础上,提出了描述准静态超压载荷简化计算公式,该公式与数值计算结果吻合较好(超压峰值误差控制在6%以内,准静态泄压误差控制在5%以内)。本文的研究可为工程抗爆结构设计提供一定的参考和指导。     

复杂多舱室内炸药爆炸爆轰产物运动二维数值模拟研究

为了研究复杂多舱室空间内炸药爆炸后爆轰产物运动规律,采用三阶WENO有限差分格式,通过耦合求解两组分可压缩欧拉方程,自主编写了多舱室内炸药爆炸过程二维数值计算程序。利用平面激波绕射矩形台阶上的竖直平板实验与数值模拟纹影图进行了对比,图中不同时刻的波系结构和台阶、竖直平板处绕射形成的漩涡结构均证明了文中程序开发的可靠性和正确性。采用验证的程序开展了复杂多舱室内炸药爆炸过程数值计算,探讨了复杂多舱室内炸药爆炸爆轰产物的传播路径及泄压口泄压对爆轰产物运动规律的影响。研究表明:舱室泄压对复杂多舱室内爆轰产物运动的影响,在爆炸初期较小,在爆炸后期较大;爆炸舱室内部泄压能显著地降低相邻舱室超压载荷强度(40%左右),减弱爆炸对相邻舱室的毁伤效应。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爆炸毁伤评估提供一定的参考和指导。     

密闭空间内爆炸载荷抑制效应实验研究

炸药在密闭空间内爆炸时的爆炸载荷与在敞开环境中有很大差异,在密闭空间内,TNT炸药的爆炸产物能够与周围空气充分混合并发生燃烧反应进而释放额外的能量,使密闭空间内的反射冲击波及准静态压力均明显增加。为探究不同气体环境对密闭空间内爆炸载荷的抑制效应,开展了3种不同药量的TNT分别在空气、水雾和氮气环境密闭空间内的爆炸实验研究,通过理论计算和实验对比分析了密闭空间内的爆炸载荷压力、温度及受载钢板试件响应特性。结果表明,水雾和氮气均能有效降低空间内的准静态压力和温度,对准静态压力的平均降幅分别为36.0%和51.7%,对温度的平均降幅分别为42.6%和40.3%;在水雾和氮气环境中的爆炸载荷作用下,钢板试件动态响应较空气环境中显著降低,其中160 g药量下,水雾和氮气环境中钢板试件的最终变形分别减少了15.9%和23.5%,氮气的减弱效果优于水雾;水雾和氮气均能及时有效地抑制封闭空间内的爆炸载荷,降低结构的损伤程度。     

内爆炸爆轰产物运动过程二维数值模拟研究(二)——泄压空间

为了研究泄压空间内爆炸爆轰产物运动及能量演化规律,采用五阶WENO有限差分格式,通过耦合求解两组分可压缩欧拉方程,自主编写了泄压空间内炸药爆炸过程二维数值计算程序。采用验证的程序数值探讨了泄压口大小、泄压口位置、炸药爆炸位置对爆轰产物运动及能量演化的影响规律。研究表明:上述因素不仅改变了爆轰产物的运动形态,同时改变了产物的泄出过程;泄压口的存在主要加快气体内能的泄出过程。本文研究可为舱室内爆炸毁伤评估提供一定的参考和依据。     

考虑约束爆炸后产物发生化学反应的约束空间内准静态温度计算

考虑爆炸产物发生化学反应产生的影响,对约束爆炸后约束空间内准静态温度的计算进行了研究。以能量守恒定律为基础,考虑爆炸产物的化学反应动力学过程,推导得到约束空间准静态温度的计算公式和方法,使用C++语言编写了计算程序,并对TNT炸药约束爆炸的情况进行了计算。计算结果表明,对于约束爆炸,爆炸产物发生的化学反应对约束空间内温度的变化有明显影响,且不同的药量体积比条件下,准静态温度的变化趋势不同。研究结果可为更准确的计算约束爆炸后的准静态温度及其他爆炸参数提供有效的方法。     

城市地下浅埋管沟可燃气体爆炸的灾害效应 (Ⅰ):冲击波在地面的传播

城市地下浅埋管沟燃气爆炸事故会造成严重的灾害后果,然而目前针对长直空间内的爆炸荷载通过泄爆口向外传播规律的研究较少。以此类事故为基础,基于前期进行的长直泄爆空间可燃气体爆炸试验,利用FLACS软件,对城市地下浅埋管沟内可燃气体爆炸冲击波超压通过泄爆口到达地面后的分布进行了数值模拟,揭示了管沟内燃气爆炸冲击波在地面的传播规律。结果表明:传播到地面的爆炸冲击波会产生2个特征超压峰值Δp₁和Δp₂;Δp₁较小,主要由压缩波引起,Δp₂为最大超压峰值,主要由火焰波引起;Δp₂随着与泄爆口之间的距离d的增大而逐渐减小,且各方向上数值的差异性较大,其中在沿管沟截面的短边方向上,呈对称衰减的趋势;Δp₂与d大致满足指数函数关系,且拟合度均高于98.8%。     

等压假设下考虑化学反应动力学影响的约束爆炸准静态压力的计算

为研究约束爆炸后爆炸产物与约束空间内的氧气发生化学反应对约束爆炸准静态压力的影响,从能量守恒和理想气体状态方程出发,基于爆炸后产物膨胀过程的等压假设模型,建立了约束爆炸准静态压力计算公式,并对TNT炸药爆炸后发生的化学反应与约束空间内准静态压力大小的关系进行分析。计算得到不同药量体积比下,TNT炸药约束爆炸后的准静态压力,计算结果与实验结果符合较好,可应用于其他类型炸药,并为预测约束爆炸后的准静态压力提供理论依据和估算方法。     

水下舷侧多层防护隔舱接触爆炸毁伤载荷特性分析

为探讨水下多层防护隔舱结构设计,以典型三舱式结构为对象,利用Dytran软件分析了水下接触爆炸下舷侧多层防护隔舱中膨胀空舱内的毁伤载荷特性,得到了载荷的简化模型,并拟合出膨胀舱压力载荷脉动平稳阶段准静态气压值的计算公式。结果表明,膨胀空舱内的毁伤载荷特性在时间尺度上可分为气团膨胀扩散阶段和脉动平稳两个阶段;在空间分布上,主要分为正反射区和马赫反射区,正反射区作用载荷由初始瞬态脉冲载荷和后续逐渐衰减的准静态气压载荷叠加而成,马赫反射区作用载荷则以准静态气压为主。     

水下接触爆炸下防雷舱舷侧空舱的内压载荷特性

采用模型实验方法,研究了近自由面水下接触爆炸下防雷舱舷侧空舱的内压载荷特性。根据实验模型的破坏结果和压力测试结果,分析了水下爆炸产物与防雷舱舷侧空舱的相互作用过程以及水下爆炸产物的压力变化规律。研究表明:防雷舱舷侧空舱的载荷可分为冲击波载荷、准静态压力载荷和负压载荷3种,防雷舱舷侧空舱的破坏主要由冲击波载荷和准静态压力载荷造成,并且准静态压力载荷的比冲量是冲击波载荷的数倍,而负压载荷对防雷舱舷侧空舱破坏的影响可忽略不计。     

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。     

建筑物内气体爆炸效应简化计算研究综述

根据当前受限空间内气体爆炸效应的研究成果,综述了建筑物内气体爆炸事故发生时室内压力、结构荷载及动力响应的简化计算方法,内容包括室内气体爆燃压力及结构荷载特点、爆燃压力和结构响应计算模型等。重点阐述了基于实验数据的泄爆压力关联式和反映燃气爆燃主要物理过程的压力简化计算模型,并分析了各类计算模型的适用性、存在问题以及爆燃荷载特征对结构响应的影响;探讨了考虑建筑功能特点影响的工程简化计算模型,对建筑物内爆燃压力计算应重点考虑点火位置、爆室几何特征、火焰燃烧速率、湍流效应以及泄爆结构开启过程等因素;对爆燃事故中结构响应的计算,应考虑爆燃荷载时程、结构初始静载与动载耦合、结构支座边界受载变化等因素。     

气体泄爆压力分步计算模型及其湍流修正

通过将密闭空间内爆燃泄放过程进行微分,假设各微分时段内爆燃泄放过程均按照先燃烧、再泄放、最后压力平衡的过程独立分步进行,最终得到泄爆压力分步计算模型。同时,在尺寸为2 m×1.2 m×0.6 m的爆炸腔体一端安装击穿压力相同、泄放面积不同的泄爆构件进行泄爆实验,对分步压力计算模型进行验证。对比发现:大面积泄放条件下,2个传感器测得的压力曲线基本重合,均为单峰值曲线,此时模型计算值与实验结果吻合较好;小面积泄放条件下,腔体内压力曲线均为双峰值曲线,由于泄放截面改变加剧口部湍流扰动,使得腔体内部产生压力梯度,近泄爆口处传感器测得的第2个压力峰值要大于腔体内部传感器相应的测量值,经湍流速度修正后的压力计算模型可以较好地描述近泄爆口处的压力变化情况。     

快速烤燃条件下B炸药战斗部的临界泄压面积

为了确定战斗部装药在快速烤燃条件下能稳定燃烧的临界泄压面积,基于质量守恒定律和气体状态方程,建立了战斗部壳体内考虑炸药初始温度和排气孔排气的气体压力增长模型。以B炸药圆柱战斗部为研究对象,研究了炸药意外点火后能稳定燃烧的A_V0/S_B(临界泄压面积/炸药外表面积)确定方法,并与实验值进行了比较。结果表明,本文建立的模型能够很好地预测B炸药战斗部的临界泄压面积。研究了战斗部炸药装药表面积、炸药初始温度、空气体积占比和炸药燃速对A_V0/S_B的影响,并将不同温度的模型预测值与实验值进行了比较。结果表明：炸药装药表面积对A_V0/S_B基本没有影响;A_V0/S_B与温度和炸药燃速成正相关,与空气体积占比成负相关;不同温度的模型预测值A_V0/S_B与实验值吻合较好。     

环境温度对瓦斯爆炸压力及压力上升速率的影响

针对不同环境温度对瓦斯爆炸压力及最大压力上升速率的影响进行实验。研究表明,在其他条件不变的情况下,随着环境温度的增加最大爆炸压力逐渐减小,且最大爆炸压力与环境温度的倒数呈现线性衰减规律;随着环境温度的升高,化学反应速率增加,爆炸压力达到峰值所需的时间减少;瓦斯气体的最大压力上升速率随环境温度的升高呈非线性变化规律,在环境温度为298~473 K的范围内,最大压力上升速率基本不变。这些规律性的结论可为防治矿井瓦斯爆炸事故和煤层气的安全利用提供理论基础。