不同风场下TNT炸药爆炸烟云的扩散模型及特性

为获取不同风场下TNT爆炸烟云扩散时空分布规律与高度变化模型,本文理论描述了爆炸烟云扩散过程与机理,开展了不同水平风速下烟云扩散的计算流体力学（computational fluid dynamics, CFD）仿真和外场时空分布实验,建立了不同水平风速下烟云高度随时间变化模型及烟云最终高度计算模型,分析了烟云扩散过程中形态、温度、密度、速度变化规律。研究结果显示：CFD方法仿真烟云分布结果与实验结果基本一致,大气稳定且无风条件下烟云高度随时间呈指数0.5的幂函数关系,最终高度与爆炸当量可拟合为指数0.47的幂函数模型;水平风会加快烟云与空气混合的速度,导致幂函数模型中指数参数随风速变大而呈线性减小规律,风速越大烟云上升速度衰减越快、上升时间越短、最终高度越低。

     

爆炸烟云中粒子运动的数值模拟

以10 kg TNT爆炸装置在开阔无风地带爆炸为背景,使用Autodyn计算得到爆炸后1 ms时的爆轰产物状态,为爆炸烟云中粒子运动的数值模拟研究提供了可靠的源项几何模型和物理参数;而后使用GAMBIT建立了双层源项模型;最后将模型网格导入Fluent软件,建立离散粒子模型,计算得出了1、10、50、100 m粒径的粒子运动轨迹,系统分析了烟云在上升过程中各粒径粒子的分布和运动趋势,给出了不同高度的粒子浓度,为源项分析提供了理论基础。     

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%。     

近场近地爆炸下建筑柱爆炸荷载分布规律及简化模型

为了快速评估近场近地爆炸荷载下建筑柱的动力响应和破坏模式,通过数值仿真方法,探究了近场近地爆炸工况下冲击波在建筑柱迎爆面的分布规律,并提供了该工况下的爆炸荷载简化模型。为此,首先利用已有实验数据验证数值模型,并建立典型近地近场爆炸工况的数值模型,然后研究比例爆距和比例爆高对建筑柱冲击波特征参数的影响规律,最后拟合出柱迎爆面反射冲量和正相超压持续时间的计算公式,将柱迎爆面各点爆炸荷载转化为等效三角形荷载模型,为工程实践中建筑柱遭受近场近地爆炸作用下的抗爆设计提供荷载输入。研究结果表明：当比例爆高小于0.3 m/kg^1/3、比例爆距在0.4～0.6 m/kg^1/3范围时,最大反射冲量沿柱高可简化为三折线分布;当比例爆距在0.6～1.4 m/kg^1/3范围时,最大反射冲量沿柱高可近似简化为双折线分布;在同一比例爆距和比例爆高工况下,随着炸药当量的增加,柱迎爆面相同比例高度处反射超压峰值保持不变而反射冲量正比于当量的立方根。     

水下爆炸冲击波的近场特性

通过求解球形一维流体动力学方程,模拟了水下爆炸冲击波的产生和传播过程。在数值模拟中,对TNT炸药采用标准的JWL状态方程,对水采用Two-phase状态方程。应用Level Set方法确定爆炸产物和水的交界面的位置。对裸药球在无限水域爆炸进行了数值计算,考察了网格大小对结果收敛性的影响,分析了水下爆炸冲击波压力和比冲量的近场特性。最后通过数值拟合得到了冲击波压力峰值、比冲量和时间衰减常数的近似回归公式。     

开敞空间液化天然气泄漏低温扩散及爆炸传播规律

低温可导致人员冻伤及物品脆裂,气体爆炸传播规律是爆炸演化过程和事故分析的基础。采用数值模拟方法,研究液化天然气大面积泄漏汽化过程、甲烷与空气混合过程及爆炸传播过程。结果表明:随着扩散距离的增大,低温区域的温度谷值升高,且升高趋势变缓;在距泄漏源中心110 m范围内,温度低于273 K;随着风速的增加,温度谷值呈线性下降;随着泄漏时间的延长,温度谷值降低,且下降趋势变缓;随着距泄漏中心距离的增加,爆炸后超压峰值先升高后降低;在距泄漏源中心200 m范围内,爆炸产生的高温会对人员造成伤害。     

不同分支坑道分布形式及分布位置对油气爆炸超压特性的影响

为探索洞库支坑道不同分布形式及分布位置对坑道内油气爆炸超压特性的影响,在控制容积、初始油气浓度以及点火能不变的情况下,开展了不同支坑道分布形式及分布位置条件下油气的爆炸超压特性实验,重点对最大超压、最大超压时间、超压上升速率、爆炸强度指数等主要超压特性参数进行了分析。结果表明：密闭容器内坑道的分布形式及分布位置对容器内油气爆炸超压特性有显著影响。相对布置形式下最大超压、最大超压上升速率、爆炸强度指数均小于一字排开和交错布置,达到最大超压和最大超压上升速率的时间也有所延后。3种不同分支坑道分布位置下,最大爆炸超压上升速率和爆炸强度指数由大到小依次为：远离点火端、靠近点火端、沿主坑道均匀分布。分支坑道距离点火端越远,爆炸强度指数越大, 分支坑道距离点火端越近,达到最大爆炸超压上升速率的时间越提前。

     

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。     

液体火箭爆炸地面有害气体生成与扩散分析

建立了自燃液体推进剂运载火箭爆炸时地面残余推进剂蒸发模型和产生的有害气体在大气中的扩散模型,给出了N2O4/UDMH液体推进剂爆炸产生的地面推进剂残留量、推进剂污染区直径、大气环境中地面残余N2O4和UDMH推进剂蒸发速率等参数的实验结果。利用该理论模型对大型运载火箭发生意外爆炸事故产生的地面残余推进剂蒸发时间和形成的有害气体危害范围进行了估算。该理论模型可为航天发射场制定安全防护措施提供有用的评估方法。     

锆金属粉尘云的爆炸特性

采用20 L近球形爆炸实验系统对锆粉尘云的爆炸特性开展了实验研究,分别分析了初始点火能量、点火延迟时间、粉尘云浓度3种因素对锆粉尘云爆炸强度的影响,揭示了锆粉尘云在密闭容器中的爆炸特性。在本实验条件下,结果表明:初始点火能量对锆粉尘云最大爆炸压力有显著影响,锆粉尘云最大爆炸压力随初始点火能量的增大而增大;随点火延迟时间的增加,锆粉尘云最大爆炸压力先增大后减小,存在最佳点火延迟时间;随粉尘云浓度的增大,锆粉尘云最大爆炸压力先增大后减小,存在最佳锆粉尘云浓度,得到锆粉尘云的爆炸下限为18~20 g/m3。     

防护模型在接触爆炸作用下的破坏

根据大型舰船的多层防护结构,制作了具有多层隔舱的模型,在外层板中心分别进行了3种药量的接触爆炸。通过分析破口的形状、破坏程度来研究舰船多层防护的作用。通过试验得出,多层防护的空舱对爆轰产物和爆炸冲击波具有良好的膨胀衰减作用,液舱则对粒子流、爆轰产物和冲击波的衰减作用明显。舰船的多层防护体系对减小爆炸冲击的损伤具有重要作用。     

烟幕初始云团半径变化规律理论模型及实验研究

为了评估烟幕的遮蔽效能,需要对烟幕云团初始参数进行计算,即烟幕云团在爆炸能量下形成的最大半径。本文中基于一种简单烟幕发生装置,把云团的膨胀过程分为2个阶段,分别为等熵膨胀阶段和自由膨胀阶段,建立了烟幕云团膨胀的理论模型,对模型进行分析建立了烟幕云团膨胀过程微分方程组。采用四阶龙格-库塔方法求解得到烟幕云团的半径变化规律。通过实验结果分析可知,该理论模型能够描述给定装置烟幕云团膨胀的基本规律。通过缩比效应,可将其用于爆炸发烟装置初始云团参数的计算。     

爆炸下球壳变形空间周期分布的理论计算方法

早期研究提出了对振动叠加应变增长现象的解剖式分析方法,进而发现爆炸加载下带扰动源球壳上的弯曲波和壳体变形呈空间周期分布的规律。参考Timoshenko梁的弯曲理论,基于平截面假定和壳体发生较小的弯曲变形的假设,推导出球壳上弯曲波波速和波长的关系,计算得到最短弯曲波和与膜振动频率相近的弯曲波的波速,还结合早期研究提出的壳体变形分布周期与弯曲波波速的关系,计算得到了壳体变形空间分布的周期。结果表明：（1）理论计算结果与数值仿真结果基本吻合,其中弯曲波波速的计算结果与数值仿真结果相差在15%以内,壳体变形空间分布周期的计算结果与数值仿真结果相差在12%以内;（2）弯曲波波长越短,波速越快,当波长无限短时,波速趋于极限值,约为声速的0.574倍。本计算方法为解剖式分析方法提供了一定的理论依据。

     

航空油料在舱室内燃爆危害的数值分析

不同舱室结构内航空油料的燃爆参数存在差异,为了解和掌握不同结构舱室内航空油料的燃爆危害性,运用计算流体动力学（computational fluid dynamics,CFD）方法对不同结构航空油料舱室内的航空油料蒸汽燃爆问题进行了数值模拟。结果表明：密闭航空油料舱中的航空油料蒸汽预混燃爆时,油舱各处压力分布较均匀,无隔板密闭舱室和含不完全分割隔板密闭舱室内航空油料的最大燃爆压力分别为0.76、0.74 MPa,即舱室内的不完全分割隔板对航空油料燃爆时所产生的最大压力无显著影响;隔板等特殊结构的存在使舱室内部产生了气流漩涡,增大了燃料消耗的速率,导致火焰面传播速度及压力上升速率增大,舱室内各处燃料的质量分数由火焰面决定。

     

Effects of serial and parallel pore nonuniformities: Results from two models of the porous structure

The effects of parallel-type and serial-type pore nonuniformities on the effective diffusivity and the permeability of a porous material were evaluated, constant porosity and constant specific surface area being assumed. Two structural models were considered. In the first model, the porous structure was described as a bundle of cylindrical capillaries penetrating the whole thickness of the material and in the other it was described instead as a collection of randomly distributed obstacles hindering transport. Both models predicted that parallel-type pore nonuniformities produce an increase in permeability compared with uniform structures having the same porosity and specific surface area. Both models also predicted that the increase in permeability due to parallel-type pore nonuniformities would be larger than the increase in effective diffusivity. Regarding serial-type pore nonuniformities, both models predicted a decrease in permeability and that this decrease would be greater than the decrease in effective diffusivity. The predicted changes in effective diffusivity due to nonuniformities of the sample differed for the two structural models.     

电火工品桥丝与药剂升温模型及在可靠性设计中的应用

介绍了桥丝式电火工品的电容放电和直流输入方式的桥丝升温模型、药剂升温模型及其数值求解算法 ,提出了估算感度的能量平衡方程和用于输入可靠性设计的理论计算方法。给出了一个算例 ,并与实际产品作了比较 ,结果表明 ,将该模型用于可靠性设计的理论计算是可行的。     

某调距导管桨系泊工况水力性能和流激直发声预报

采用经验证的计算流体力学方法,对某艏辅推调距导管桨设计螺距和系泊工况螺距的水动力性能进行了有效预报,并对系泊工况装船桨流激噪声进行了分析。系泊工况下,由于导管桨的抽吸作用在导管外壁近壁面区域存在与导管内部流动方向相反的逆向流动,且导管桨尾流场速度梯度分布不均匀、流动紊乱,此时桨叶与导管的推力之比约为1.2∶1。系泊工况船+桨的瞬态流场脉动信息表明,导管桨各部件噪声源强度均表现出从1倍到4倍叶频依次下降的规律,最强幅值集中在桨叶导边和导管内壁;在远场声源级频谱曲线中轴向测点线谱较高峰值位置体现出导管桨进流流场的流动特性。对比分析该艏辅推整体和各部件宽带声源级指向性,可知旋转部件(桨叶、桨榖)对总噪声级的贡献较大,静止部件是径向测点噪声的主要贡献源。