环氧丙烷-空气混合物爆轰波胞格结构的研究

对碳氢燃料云雾爆轰波胞格结构的影响因素进行了分析:比较了初始温度在25℃和100℃条件下碳氢燃料胞格尺寸,发现胞格尺寸相差不大;胞格尺寸随初始压力的降低而增大,在相对压力为负压条件下得到清晰的爆轰波胞格结构;起爆能的增大可以导致更加复杂的爆轰波次胞格结构出现。     

点火位置对氢气-空气预混气体泄爆过程的影响

利用高速纹影和压力测试系统对不同点火位置及不同破膜压力条件下氢气-空气预混气的泄爆特性进行研究。研究结果表明:在所有情况下,中心点火时火焰传播速率和面积最大,产生了最大的内部压力峰值,尾端点火时火焰传播速率和面积次之,产生的内部压力峰值也次之;前端点火时火焰传播速率和面积均最小,产生了最小的内部压力峰值。前端点火时,容器内部压力出现了3个明显的压力峰值,中心和尾端点火时,只能观察到第1个和第3个压力峰值。并且,随着破膜压力的增加,中心和尾端点火时,火焰面积均增大,产生的内部压力峰值均增大。在前端点火的条件下出现了声学振荡的现象,对内部压力产生了显著的影响。     

边界条件对甲烷预混气爆轰特性的影响

通过实验研究及数字化处理研究了边界条件对CH₄预混气体爆轰特性的影响。在内径为63.5、50.8 mm圆柱形管道及长方体管道进行爆轰实验,得到胞格结构和爆轰速度曲线。烟膜数字化处理量化了预混气体的爆轰不稳定性,并计算出胞格尺寸。3种管道内测得的平均爆轰速度与CJ速度接近,边界条件的影响不明显。分析爆轰速度曲线发现,极限压力受到边界条件的影响,?50.8和?63.5 mm管道内预混气的极限压力分别为5和4.05 kPa,即随着管径增大,爆轰极限压力降低。数字化处理所得不同管道内烟膜轨迹的不规则程度无明显差别,因此可以认为不稳定性是预混气固有的性质。在相同爆轰初始压力下,管径增大,胞格数量变多,表明爆轰传播时爆轰螺旋头数增多以维持传播。     

爆轰波在扩张管内临界传播特性的研究

由于稀疏波的作用，爆轰波在变截面扩张管内传播时会发生衰减。临界条件下，爆轰波恰能在扩张管内维持自持传播的特性，称为爆轰波的临界传播特性。针对Ｃ＿２Ｈ＿２－Ｏ＿２－Ａｒ不同的爆轰气体成份，在不同扩张半角的方形扩张管内，作者研究了临界初压ｐ＿（ｃｒ）、胞格尺寸Ｓ与扩张半角的关系，用Ｗｈｉｔｈａｍ理论与重点火准则分析了爆轰波在扩张管的传播，得到胞格尺寸的计算值与实验值基本相符。     

气相爆轰波平衡胞格稳定性实验研究

本文详细介绍了研究气体爆轰的烟迹法以及采用所提出的方法得到的爆轰波通过柔性材料壁面前后平衡胞格形成、消失和重新恢复的全过程烟迹照片。实验按初压不同分五组进行。从烟迹照片中各时期的胞格尺寸、横波的变化出发,对上述过程中横波强度变化情况及柔性壁面对横波的作用和影响进行了分析,对平衡胞格恢复的条件进行了讨论。     

液体碳氢燃料云雾爆轰特性的实验研究

采用升降法和烟迹技术在立式激波管中分别实测了液态燃料（环氧丙烷、硝酸异丙酯、己烷、C5~C6、庚烷、癸烷）与空气混合物直接起爆的临界起爆能和胞格尺寸。数据表明,气液两相云雾爆轰的临界起爆能与当量比呈U形曲线关系,这与气相爆轰得到的结论是一致的;临界起爆能的最小值并不是对应于等化学当量的混合物而是偏向于富燃料;根据三波点运动的烟迹记录,分析了云雾爆轰作用机制,认为液滴的碎解、汽化过程以及燃烧区前导是控制气液两相云雾爆轰的主要步骤。此外,还测定了无限空间下可燃气云的临界起爆能,并将激波管内得到的临界起爆能数据外推到无约束气云的临界起爆能,理论推算结果与实验值吻合较好。     

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。     

扩张管内爆轰波临界传播特性的研究

假设重点火位置沿扩张管内扰动区的最后一道特征线，结合描述爆轰波绕射后重点火产生的特征量Ｍ／ｙｓ与沿胞格长度方向诱导激波与化学反应区分离时爆轰波阵面衰减的速度梯度△ＭＣＪ／Ｌｃ，本文得到了临界条件下扩张管内爆轰波维持传播而不熄灭的重点火准则。利用Ｗｈｉｔｈａｍ的激波线射理论，由重点火准则导出了任意扩张管角度下爆轰波胞格尺寸的计算公式。计算结果与实验结果相比，二者不仅趋势一致，而且量值也很接近。     

直管内胞格爆轰的基元反应数值研究

基于基元反应和二维欧拉方程,对直管内胞格爆轰进行了数值模拟。采用5阶WENO(weighted essentially nonoscillatory scheme)求解对流项,采用2阶附加半隐的龙格-库塔法处理化学反应源相引起的刚性。获得了密度、压力、温度和典型组元质量分数流场及数值胞格结构等。结果表明：网格精度的差异明显影响胞格的规则性和爆轰的平衡模数,随着网格尺度的减小,胞格由不规则变为规则。预混气组成、初压、初温及管道宽度给定,三波点数收敛为确定值。足够强度的初始扰动可再现胞格爆轰,最终形成的自持胞格爆轰模数与初始扰动的形状、大小、位置均无关。沿胞格中心线,爆轰波速度变化范围为0.88DCJ~1.5DCJ,爆轰波平均速度与CJ爆轰速度仅偏差0.88％。峰值压力与初压之比为14~50。计算爆轰波平均速度、胞格宽长比与实验值基本一致,但计算胞格宽度比实验值略小。数值模拟加深了对横波的产生和发展、未反应气囊、爆轰胞格的二次起爆等胞格爆轰特性的认识。     

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。

     

掺氢比对甲烷-氧气爆轰特性的影响

含氢多组分燃料由于其优良的燃烧特性逐渐成为研究关注的重点。为了对掺氢燃料的爆轰特性作进一步的研究,设计了长3 000 mm、管径30 mm的圆柱形半封闭燃烧室,对不同初压下的CH₄-2O₂、6CH₄-H₂-12.5O₂、3CH₄-H₂-6.5O₂（掺氢比分别为0%、5.1%、9.5%）3种预混合气的爆轰特性进行了实验研究,并采用烟熏膜、离子探针和压力传感器分别探测胞格结构、火焰位置和内部压力。结果表明,甲烷/氧气掺氢后可以有效提高爆轰波的传播速度,且掺氢浓度越高,传播速度越快;同时,氢气的掺入可减少管道出口处的速度亏损并在初始压力较低时加速火焰和激波的耦合,降低胞格尺寸,提高爆轰敏感性。

     

液体燃料云雾爆轰参数实验

为深入了解液体燃料云雾爆轰机理,借助自行设计和建造的立式爆轰管,并采用升降法和烟迹技术,对环氧丙烷等液体燃料云雾爆轰参数(爆速、爆压、临界起爆能和爆轰胞格尺寸)与当量比的关系进行了实验研究。结果表明,环氧丙烷的爆速和爆压随当量比的增加先增大后平缓减小;碳氢液体燃料云雾爆轰的临界起爆能与当量比呈U型关系,最佳值点偏向富燃料一侧;临界起爆能的大小与燃料的分子结构和挥发性有密切关系,IPN和PO 临界起爆能相当,而烷烃类临界起爆能均较大。环氧丙烷在25和50 ℃时的爆轰胞格宽度与当量比皆呈U型关系,最小值点偏向富燃料一侧;气相爆轰胞格宽度比云雾爆轰略小。常温下环氧丙烷云雾爆轰主要由气相反应所控制。     

氢气定容燃烧的实验研究

利用定容燃烧弹和高速数据采集系统对氢气定容燃烧进行实验研究,得出氢气定容燃烧压力变化过程、燃烧爆压及爆炸常数的变化规律。研究结果表明:中心点火定容燃烧的压力变化过程为:从开始的火花跳火干扰到平稳的等压燃烧,再到压力的慢速和快速增加,在燃烧的中后期会出现压力振荡;在非燃烧极限工况下,随着燃空当量比的增加燃烧爆压先增加后减小,随着初始压力的升高燃烧爆压几乎线性增加,随着温度的增加燃烧爆压和最大燃烧爆压都减小;随着燃空当量比的增加爆炸常数先增加后减小,在燃空当量比小于4.0的工况,燃烧爆炸常数随初始压力的升高而增加,而燃空当量比大于4.0的工况随着初始压力的升高而下降;在燃空当量比小于2.5时,燃烧爆炸常数随温度升高而减小,在燃空当量比大于2.5时,则正好相反。     

圆柱装药在偏心定向起爆时水中近场压力特性

对UHL-5装药在侧向9点偏心定向起爆和几何中心点起爆时的水下爆炸近场峰值压力分布特性进行实验研究和数值模拟,得到2种起爆条件下不同距离与方位角测点处冲击波峰值压力和侧向9点起爆时的定向增益区域.结果表明,对于5 kg圆柱形UHL-5装药,采用侧向9点偏心定向起爆方式时,在爆距750 mm、方位角90°范围内的流场区域...     

环形方管道中爆轰胞格的三维研究

通过实验和三维数值模拟研究了爆轰波在环形管道内的传播。实验采用烟迹板记录了爆轰波的胞格结构。数值模拟基于带化学反应的三维Euler方程,采用五阶精度的WENO格式捕捉激波,采用具有TVD性质的三阶Runge-Kutta法处理时间项,并结合并行技术,对爆轰波的传播进行了数值研究。结果表明,环形管道外壁为收敛壁面,由于其对流场的压缩效应,外壁面及附近的胞格较小,且较均匀。而内壁为发散壁面,其对流场起稀疏效应,内壁面及附近的胞格较大,且呈周期性变化。同时, 不同壁面的胞格结构均出现了拍波(slapping wave),其形状呈弯曲的折线。     

HMX粒度与爆轰波传播性能的关系研究

采用楔形装药,用临界截面厚度来表征爆轰波传播特性,分别对两种密度条件下HMX粒度对其自身和以HMX为主体的混合炸药HMX/F2641（wHMX/wF2641=95∶5）爆轰波传播性能的影响作了实验研究。结果表明:HMX粒度对爆轰波传播特性有显著的影响,随着HMX粒度的减小,临界截面厚度变小,即爆轰波传播性能增强;同一HMX粒度下, HMX/F2641爆轰波传播性能优于HMX;装药密度的增加有利于爆轰波传递。     

Experimental study on detonation parameters and cellular structures of fuel cloud

In this paper,detonation parameters of fuel cloud,such as propylene oxide(PO),isopropyl nitrate(IPN),hexane,90 # oil and decane were measured in a self-designed and constructed vertical shock tube.Results show that the detonation pressure and velocity of PO increase to a peak value and then decrease smoothly with increasing equivalence ratio.Several nitrate sensitizers were added into PO to make fuel mixtures,and test results indicated that the additives can efficiently enhance detonation velocity and pressure of fuel cloud and one type of additive n-propyl nitrate(NPN) played the best in the improvement.The critical initiation energy that directly initiated detonation of all the test liquid fuel clouds showed a U-shape curve relationship with equivalence ratios.The optimum concentration lies on the rich-fuel side(φ > 1).The critical initiation energy is closely related to molecular structure and volatility of fuels.IPN and PO have similar critical values while that of alkanes are larger.Detonation cell sizes of PO were respectively investigated at 25 C,35 C and 50 C with smoked foil technique.The cell width shows a U-shape curve relationship with equivalence ratios at all temperatures.The minimal cell width also lies on the rich-fuel side(φ > 1).The cell width of PO vapor is slightly larger than that of PO cloud.Therefore,the detonation reaction of PO at normal temperature is controlled by gas phase reaction.     

爆轰波拐角传播三维数值模拟

为了研究爆轰波在拐角中的传播特性以及拐角爆轰低压流场现象,用LSDYNA 3D程序对三种常见的拐角装药的爆轰波传播特性进行了数值模拟,清晰显示了爆轰波因拐角处爆轰波传播面积的变化而产生的衰减 增长过程,讨论了侧向三通中爆速的变化情况,并得到了拐角处低压爆轰区的尺寸。     

强爆轰驱动飞片的数值模拟研究

在一维流体动力学程序中,使用了JWLT状态方程,对强爆轰驱动飞片的实验模型进行了数值模拟研究,得到了炸药爆轰产物的压力和密度分布,验证了强爆轰的存在,同时得到了二级飞片自由面的速度曲线,与实验测量结果符合较好,为解释实验结果和设计新的强爆轰实验提供了计算依据,同时验证了程序的正确性。