干粉灭火剂和水爆炸驱动下运动特性及灭火效果对比分析

爆炸驱动的干粉灭火剂或水灭火相对于传统灭火方式具有高效、便捷等优势,可应用于森林、草原和高层建筑物等火灾扑救。为了研究干粉和水介质爆炸运动特性及其灭火效果,采用HX-3型彩色高速摄像机记录爆炸水雾、爆炸抛撒干粉灭火剂灭火的全过程,发现爆炸装置直径、介质质量对两类介质爆炸抛撒过程、抛撒半径、抛撒作用时间有着显著影响;等体积的干粉和水进行爆炸灭火,水介质到达着火区域较快,而干粉驻留时间较长。文中的实验结果与分析,对提高爆炸灭火效率、优化水基或干粉基爆炸灭火弹结构,具有一定的理论参考价值。     

平面激波加载下砂墙结构的冲击响应特性

砂墙结构在爆炸安全防护领域具有广泛应用,为了研究激波加载下砂墙结构的冲击响应特性,基于水平激波管实验装置,开展平面激波冲击砂墙结构系列实验,采用高速纹影摄像系统捕捉流场中激波波系的演化过程和砂墙结构的运动过程。入射激波马赫数为1.827~2.413,相应入射激波载荷强度为0.378~0.724 MPa。砂墙结构利用铁砂、矾土、石英砂3种实验用砂制备,所制备砂墙结构孔隙度分别为56.6%、69.3%、56.6%。高速纹影照片显示:平面激波冲击砂墙结构发生反射和透射,伴随入射激波和透射激波的传播,在百微秒内,砂墙未产生显著运动,表现出显著的类固体动力学响应特性。基于冲击理论,确定了铁砂墙、矾土砂墙、石英砂墙的线性冲击关系,冲击关系中线性常数λ值量级为100,根据凝聚介质实用状态方程推断:较低强度载荷冲击作用下,砂墙主要产生体积变形,而由冲击引起的热能效应则可以忽略。     

可压缩流向涡与反向运动激波相互作用的实验

对可压缩流向涡与反向运动激波相互作用的现象进行了实验研究．实验在９４ｍｍ×９４ｍｍ的方截面激波管中进行．在实验段上游安装了一个有限翼展平直机翼．当入射激波通过机翼后，波后２区气流在模型翼尖诱导出一条流向涡．入射激波在激波管端壁反射后，形成的反射激波在观察窗处和流向涡发生作用．实验中拍摄了激波与流向涡作用全过程的纹影照片，观察到了一些和定常激波与旋涡相互作用不同的现象，并与数值计算结果进行了初步比较     

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。     

球面激波在固壁的马赫反射

本文对金属丝电爆炸产生球面激波在固壁上的马赫反射作了研究。由高速纹影摄影系统将反射图像拍摄下来,从而测量出马赫杆在壁面的马赫数,进而得到超压以及三波点迹线,实验结果与我们的数值计算结果作了比较,二者比较吻合。     

柱形汇聚激波冲击球形重气体界面的实验研究

采用高速纹影法实验研究了柱形汇聚激波与球形重气体界面相互作用的 Richtmyer-Meshkov不稳定性问题. 激波管实验段基于激波动力学理论设计, 将马赫数为1.2 的平面激波转化为柱形汇聚激波, 气体界面由肥皂膜分隔六氟化硫(内)和空气(外)得到. 采用高速摄影机在单次实验中拍摄激波运动的全过程, 对柱形激波的形成进行了实验验证, 并进一步观测了汇聚激波与球形气体界面相互作用过程中的波系发展和气体界面变形以及反射激波同已变形界面二次作用的流场演化. 结果表明: 当柱形汇聚激波穿过气泡界面以后, 气泡左侧界面极点沿激波传播方向保持匀速运动, 气泡右侧界面发展成为射流结构, 气泡主体发展成为涡环结构; 在反射激波的二次作用下, 流场中无序运动显著增强并很快进入湍流混合阶段.     

可燃云雾中的激波特性

可燃云雾中激波特性的研究是近三十年来发展的一个新领域。其特点是在激波的传播过程中存在着激波及波后流动与液滴之间的相互作用。其中包含着多种复杂的力学、物理和化学过程,例如液滴在激波后高速气流作用下发生变形,液体微雾从母液滴剥离及其迅速蒸发,燃料路与氧化气体混合以及混合气体的点火和发生快速的化学反应等。由于上述过程的复杂性及其相互耦合使得人们对这一激波现象的了解还很不充分。与单纯气相,液相或因相相比,这种混合相反应介质中的激波还是一块未开垦的处女地。     

激波驱动下固体颗粒抛撒的实验研究

本文使用阴影照相技术、高速摄像技术及压力测试手段,实验记录和研究了激波与固体颗粒群的作用及激波作用后固体颗粒群的抛撒和云团的形成过程.结果表明:在激波与固体颗粒群作用过程中,存在着清晰的激波透射、反射及绕射现象,同时激波强度在作用后有明显的下降趋势;在固体颗粒抛撒及云团形成过程中,实验发现对同一粒径的颗粒抛撒来说,抛撒的颗粒群质量越大,云团形成的均匀性及稳定性越好,而对不同粒径的颗粒群来说,粒径越大,形成的云.团集中性越强.     

绕射激波和反射激波作用下N_2/SF_6界面R-M不稳定性实验研究

利用高速纹影测试实验研究低马赫数入射激波绕圆柱体后冲击N2/SF6平面界面,以及来自固壁的反射激波再冲击过程的(Richmyer--Meshkov,R--M)不稳定性特征.与平面激波作用不同的是,绕射后的激波会在界面处生成局部扰动.实验结果显示,入射激波作用下界面宽度增长缓慢,而反射激波再冲击后,局部扰动会产生大的"尖钉"和"气泡"结构;以及反射激波与边界层相互作用产生壁面涡,它们会加剧湍流混合区的增长;实验中反射激波过后混合区增长率不十分依赖于波前状态,增长规律同Mikaelian模型较吻合;来自尾部固壁的反射稀疏波会再次加剧湍流混合区的增长.     

激波喷出过程和在林带中的传播

运用激波管技术研究了激波从管口喷出和在林带中传播这两个基本问题。给出了三方面的结果 :揭示了激波从管口喷出时的复杂流场 ,显示了主激波弯曲和衰减 ,二次激波的形成和合拢 ,涡环的长大和发展 ,以及涡环前缘出现正激波等基本物理现象 ;显示了激波在林带中的传播过程 ,取得了激波遇林地的反射 ,马赫杆形成 ,激波与林冠的相遇 ,林冠对涡环的阻滞效应等纹影照片 ;沿激波在林地的传播方向测量了地面压力 ,证实林带有明显的消波效应。     

Experimental study of planar shock wave interactions with dense packed sand wall

A dense packed sand wall is impacted by a planar shock wave in a horizontal shock tube to study the shock-sand wall interaction. The incident shock Mach number ranges from 2.18 to 2.38. A novel device for actively rupturing diaphragm is designed for the driver section of the shock tube. An apparatus for loading particles is machined by the electrical discharge cutting technique to create a dense packed particle wall. High-speed schlieren imaging system and synchronized pressure measurement system are used together to capture the wave structures and particle cloud velocity. The dynamic evolution model from dense packed particles to dense gas–solid cloud at the initial driving stage is established. The blockage and permeation effects of the sand wall work together and influence each other. The high pressure gas behind the incident shock wave blocked by the sand wall pushes the upstream front of the wall forward like a piston. Meanwhile, the high speed gas permeating through the sand wall drags the sands of the most downstream layer forward. The incident shock strength, initial sand wall thickness and particle diameter are varied respectively to investigate the shock attenuation and the wall acceleration. Increasing the sands diameter or mixing in small diameter sands can significantly attenuate the incident shock. The smaller particles or the particles in thinner wall can be dispersed into a larger range in the process of transform from dense packed particles to dense gas–solid cloud. Moreover, the stronger incident shock can disperse the particles into a larger region.     

基于地震波触发的战斗部动爆冲击波试验研究

提出了一种基于地震波触发的战斗部爆炸冲击波超压测试方法,该测试方法能可靠获取战斗部动爆冲击波超压峰值。采用提出的测试方法对着靶速度为0、535和980 m/s的战斗部空中爆炸冲击波分别进行了测试,并对战斗部动爆冲击波超压峰值测试结果和经验公式计算值进行了对比,定量分析了战斗部速度对冲击波压力场分布的影响。最后,在实测数据的基础上采用薄板样条插值方法重建了战斗部动爆冲击波超压三维可视化模型,为实战复杂环境下基于实测数据研究动爆冲击波特性提供了依据。     

High-speed time-resolved color schlieren visualization of shock wave phenomena

A newly developed high-speed color video camera, which can record 103 frames at rates of up to 1 million frames per second, has been used to obtain time-resolved color schlieren visualizations of shock wave phenomena. These trials constitute the first successful time-resolved application of the direction-indicating color schlieren method with frame rates up to 125 kHz. The instabilities of a supersonic flow over a double cone were made visible in unprecedented clarity, and the potential of the camera for schlieren visualizations was further demonstrated in experiments showing the explosion of a small firecracker and the bursting of a helium-filled toy balloon.     

基于LS-DYNA的液电效应冲击波数值模拟

液电效应机理复杂,鲜有成熟的商用数值模拟软件能够描述等离子体通道内部特性,为了将液电效应产生的冲击波运用于已有的数值模拟软件中,以满足工程需要,介绍了两种基于显式动力学软件LS-DYNA间接模拟液电效应产生冲击波的方法:水下爆炸等效（分为爆炸能量等效与冲击波能量等效）和理想气体等效,并进行了比较与改进,分析了不同沉积能量下采用不同等效方法得到的峰压计算结果的差异。结果显示,在沉积能量相同的条件下,基于爆炸能量等效方法得到的冲击波峰值压力最高,基于冲击波能量等效方法得到的冲击波峰值压力次之,基于理想气体等效方法得到的冲击波峰值压力最低,理想气体等效模拟的峰压相较于前两种等效方法小1～2个数量级;爆炸能量等效与冲击波能量等效的冲击波波速相等,且高于理想气体等效的冲击波波速;沉积能量减小会使得3种等效方法模拟的峰压均有不同程度的减小,但大小顺序不发生变化;改进后的等效爆炸方法能够适应沉积能量的变化,与Touya经验公式拟合较好;基于LS-DYNA对液电效应冲击波峰值压力进行准确模拟,除了选取适合的等效方法,还应结合具体的放电条件,建立适当的数值模型,在满足计算要求的条件下实现冲击波峰值压力的快速计算。     

A multiphase shock tube for shock wave interactions with dense particle fields

Currently there is a substantial lack of data for interactions of shock waves with particle fields having volume fractions residing between the dilute and granular regimes. To close this gap, a novel multiphase shock tube has been constructed to drive a planar shock wave into a dense gas–solid field of particles. A nearly spatially isotropic field of particles is generated in the test section by a gravity-fed method that results in a spanwise curtain of spherical 100-micron particles having a volume fraction of about 20%. Interactions with incident shock Mach numbers of 1.66, 1.92, and 2.02 are reported. High-speed schlieren imaging simultaneous with high-frequency wall pressure measurements are used to reveal the complex wave structure associated with the interaction. Following incident shock impingement, transmitted and reflected shocks are observed, which lead to differences in particle drag across the streamwise dimension of the curtain. Shortly thereafter, the particle field begins to propagate downstream and spread. For all three Mach numbers tested, the energy and momentum fluxes in the induced flow far downstream are reduced about 30–40% by the presence of the particle field.     

一种水下爆炸冲击波压力调控方法

起爆位置和装药形状对水下爆炸冲击波压力有较为显著的影响,这使得利用小当量装药在局部方向形成与大当量装药一定程度等效的冲击波成为可能。为了能够在小当量装药条件下开展舰船结构及设备抗水下爆炸冲击实验,基于细长装药结构和参数优化设计,设计了一种冲击波压力幅值和持续时间可调的装药方法。首先,基于简单波理论给出了水下爆炸冲击波压力调控的原理,以及装药参数优化设计的目标函数和约束条件;然后,采用自主数值模拟软件研究了细长装药的水下爆炸能量输出规律,通过实验验证了数值模拟的置信度,研究发现起爆位置和装药形状对水下爆炸冲击波压力峰值和持续时间的影响是显著的,在炸药爆速一定的情况下,长药柱水下爆炸冲击波压力的持续时间可通过几何近似确定;最后,为了进一步考察该方法的有效性,以1 000 kg TNT和100 m爆距的水下爆炸冲击波压力-时间曲线作为原型,设计了2种与该原型冲击波压力等效的装药方案,并通过数值模拟进行了验证。研究结果表明:设计的装药能够在预定的持续时间内,在装药起爆端一侧形成与原型等效的冲击波压力-时间曲线。由于没有考虑对气泡载荷的等效,因此该调控方法仅适用于中远场爆炸冲击问题。     

装药动爆冲击波特性研究

导弹、炮弹等战斗部爆炸时具有一定的速度,较大的运动速度会使爆炸冲击波场分布发生变化,进而对弹药的毁伤威力产生影响。本文中采用AUTODYN软件对速度分别为0、272、340、680、1 020和1 700 m/s的TNT球形裸装药在空气中爆炸的冲击波场进行了仿真计算,定量研究装药在动爆条件下的峰值超压、比冲量和正压作用时间等威力参数特性。结果表明,方位角小于90°时装药速度与冲击波超压、比冲量成正相关,与正压作用时间成负相关;方位角大于90°时装药速度与冲击波超压、比冲量成负相关,与正压作用时间成正相关。超压峰值大小沿方位角成正弦变化。最后,分析了冲击波峰值超压数据,建立了动爆冲击波超压的计算模型,该模型计算结果与仿真和实验结果吻合较好。     

石灰岩中核爆冲击震动效应的化爆模拟

根据爆炸能量相似律,提出了采用化爆模拟核爆在石灰岩中爆炸的冲击震动效应的方法。通过对核爆和化爆分别在石灰岩中爆炸的冲击震动效应的分析,建立了化爆与核爆之间自由场峰值应力和峰值速度的模拟关系式,并利用最小二乘法,拟合出了最终的模拟表达式。经过对关系式的计算表明:拟合出的关系式较可靠,在已知化爆的基础上可近似计算核爆的峰值应力及峰值速度。     

Dense particle cloud dispersion by a shock wave

A dense particle flow is generated by the interaction of a shock wave with an initially stationary packed granular bed. High-speed particle dispersion research is motivated by the energy release enhancement of explosives containing solid particles. The initial packed granular bed is produced by compressing loose powder into a wafer with a particle volume fraction of $\phi _\mathrm{p} = 0.48$ . The wafer is positioned inside the shock tube, uniformly filling the entire cross-section. This results in a clean experiment where no flow obstructing support structures are present. Through high-speed shadowgraph imaging and pressure measurements along the length of the channel, detailed information about the particle shock interaction was obtained. Due to the limited strength of the incident shock wave, no transmitted shock wave is produced. The initial solid-like response of the particle wafer acceleration forms a series of compression waves that eventually coalesce to form a shock wave. Breakup is initiated along the periphery of the wafer as the result of shear that forms due to the fixed boundary condition. Particle breakup is initiated by local failure sites that result in the formation of particle jets that extend ahead of the accelerating, largely intact, wafer core. In a circular tube, the failure sites are uniformly distributed along the wafer circumference. In a square channel, the failure sites, and the subsequent particle jets, initially form at the corners due to the enhanced shear. The wafer breakup subsequently spreads to the edges forming a highly non-uniform particle cloud.     

外爆条件下冲击波与组合壳结构的相互作用

为研究冲击波与组合壳结构的相互作用,针对带防护墙的地面直立钢筋混凝土组合壳结构,考虑结构安置于地面和周边围土2种工况,开展结构爆炸实验,分析了结构外表面冲击波荷载分布及振动特性。实验结果表明:冲击波作用下,结构外表面爆炸荷载主要产生在冲击波绕射过程,确定荷载时应考虑冲击波压力在绕射传播过程中的自然衰减;整个结构中与冲击波最早接触的构件先产生振动,而后由于结构整体参与使得振动频率降低,振动幅值减小;结构周边围土可降低防护墙迎爆部分构件的振动频率,减小防护墙和组合壳的振动幅值。