一次引爆燃料空气炸药及其爆炸效应研究

本文讨论了一次引爆燃料空气炸药分散爆轰原理,通过一次引爆燃料空气炸药爆炸空气冲击波、地震波、宏观目标毁伤及高速运动分析系统实验观测,分析了一次引爆燃料空气炸药组分在分散爆轰过程中的作用。分析和实验结果表明,液体炸药组分比例应大于某一临界值,这一临界值必须保证液体炸药组分在一次引爆燃料空气炸药混合燃料细观结构内形成通路。一次引爆燃料空气炸药的液体有机燃料组分超过临界比例在分散爆轰中不可能发挥出应有的作用。     

固态燃料小型FAE装置空中爆炸场效应分析

通过一次引爆固态复合粉尘燃料小型FAE装置与等质量TNT在自由空间的爆炸对比实验,获得了不同距离的峰值超压值,并运用粉尘爆炸下极限浓度对云雾爆轰区半径进行了估算。结果表明,固态燃料小型FAE装置空爆峰值超压分布规律不同于TNT,云雾爆轰区内的峰值超压不呈现单调减的特征,而是在有限范围内呈现波动趋势;云雾爆轰区外的峰值超压随距离增大迅速衰减,但固态燃料小型FAE装置的峰值超压大于相同距离处等质量的TNT。高速摄影观测结果显示,固态燃料小型FAE装置爆炸的化学反应持续时间大于等质量TNT。     

气云爆轰的一维模型

激波作用下，悬浮液谪在高温、高压和高速气流中变形、蒸发、剥离甚至破碎。雾化燃料经过一段延迟时间后点火燃烧释放出大量的能量。这些能量由局部爆炸波所携带，通过碰撞传递给引导微波，从而使气云爆轰波自持。文中提出的气云爆轰的一维模型考虑了上述基本过程，并从理论上推导了点火面和ＣＪ面的判据。通过计算，文中讨论了气云爆轰的松弛结构和影响ＣＪ爆速的因素，爆速的计算值与实验值基本相符。     

一次引爆型固相FAE云雾爆轰半径的研究

研究了氧平衡及爆炸下极限条件对燃料空气炸药（Fuel Air Explosive,FAE）云雾爆轰半径的影响。由固相FAE燃料的氧平衡及爆炸下极限条件,导出一次引爆型固相FAE云雾爆轰半径计算公式,并从理论上给出了FAE云雾爆轰半径的范围。通过对FAE爆炸场超压的测量及对FAE爆炸过程高速摄像分幅照片的定量分析,得到一次引爆型固相FAE的云雾爆轰半径,并将其与计算的云雾爆轰半径进行了对比,计算的云雾爆轰半径与试验值是一致的。研究结果表明,FAE燃料负氧越多,对应的云雾爆轰半径值越大;燃料爆炸下极限值越小,对应的云雾爆轰半径值越大,且固相FAE的爆轰半径不超过爆炸下极限条件爆轰半径。FAE中的高效燃料可以通过氧平衡以及爆炸下极限条件来选择,以此提高FAE的功率。     

粉尘火焰加速现象的实验研究

粉尘火焰的发生、加速及由爆燃向爆轰转捩的机理是个至今尚未弄清的问题。需要解决的技术关键之一是在实验室实现弱点火条件下的粉尘火焰加速直至达到爆轰状态。着手发展了一种球形喷粉扬尘装置，令产生的扬尘湍流在水平实验管中形成空间均匀分布和维持秒级悬浮的粉尘云状态。采用以上扬尘装置的水平实验管，在６ｇ黑火药的六点平面点火条件下获得了微细铝粉火焰经５ｍ长的传播过程加速至１０００ｍ／ｓ的实验结果。给出了扬尘湍流强度、粉尘粒度与浓度、点火能量及方式等因素对粉尘火焰加速过程中所起作用，及变截面效应（由小变大）对粉尘火焰减速的影响。     

固态燃料空气炸药空爆实验研究

通过四组无约束固态燃料空气炸药(FAE)装置与等质量的TNT在野外开放空间的一次起爆对比实验,测得了不同配方组份FAE装置在不同距离的爆炸超压分布,FAE装置峰值超压比相同距离的TNT高1.14~1.6倍;并运用空气冲击波峰值超压公式计算出了FAE的等效爆炸TNT当量随距离的变化关系,在爆炸场边缘区,FAE装置爆炸当量达到了3.88倍TNT当量;通过高速摄影的图片得到了爆炸产生火球的持续时间和最大作用范围,与等质量TNT爆炸火球相比,FAE的优势明显;运用粉尘爆炸下极限浓度估算了云雾爆轰区半径,并分析了测量到的固态FAE爆炸场的压力分布单调衰减的原因;建议在保持超压不变的情况下,把提高爆温作为提高FAE爆炸性能的主要途径。     

多元固相FAE的离散与爆轰的协调研究

一次起爆技术使FAE的两个主要研究方向,即燃料选择与云爆技术,更加紧密地结合在一起,导致对燃料的离散与爆轰的自协调要求更加严格。根据燃料的离散与爆轰的自协调的各制约因素对燃料组分进行选择,再改变燃料组分的质量配比以反馈研究燃料的离散与爆轰的协调性。实验证明所选择的混合燃料的离散与爆轰的协调性决定了超压峰值、正压作用时间、火球覆盖体积等参数,故可根据实际需要通过改变燃料组分配比来调节其协调性以研制不同特点的一次起爆型FAE。另外,基于VB.net平台自编的图像批处理程序,对由高速摄影拍摄到的FAE离散爆轰过程的图像进行处理,效率高、精度高,而且能和Excel、Origin等数据处理软件对接。     

爆轰快速点火实验研究及机理分析

为了验证采用爆轰可迅速引燃点火药进而引燃主装药的可行性及掌握此种点火方式下的点火情况,建立了火药装药系统下直列式起爆器爆轰点火实验系统.在特定装药条件下,对点火后实验装置内压力变化情况进行了测量,得出采用爆轰点火方式可以实现点火延迟时间为0.3 ms的目标,以及得出此种点火方式下,火药燃烧特点及实际应用时的注意事项,如...     

调控燃烧室燃料初始分布建立稳定旋转爆轰波的方法

旋转爆轰发动机具有比传统航空航天发动机更高的燃烧效率,近年来引起人们的关注。其中,点火启动过程尤为重要。为达到一次点火就能在燃烧室内建立稳定旋转爆轰波的目的,本文提出通过控制点火前燃料初始分布来建立稳定旋转爆轰波的方法,并基于纳维-斯托克斯方程与10组分27可逆反应基元化学反应模型的数值模拟验证了该方法的可行性。对旋转爆轰波传播特性的研究表明,燃料在发动机燃烧室中的分布是影响旋转爆轰波建立的关键。在燃料喷注压力较低时此影响尤为明显,它决定了爆轰波发展第一周期内波前燃料层厚度。而波前燃料层与波的稳定传播密切相关。基于该方法,本文对燃烧室初始流速为360 m/s,喷注总压0.4 MPa的旋转爆轰发动机实现了点火至稳定爆轰,得到的爆轰波传播平均速度为1 604 m/s,频率为5 347.6 Hz。此外,燃料初始填充率作为燃料初始分布的量化指标,文中给出了它建立稳定旋转爆轰时的临界范围。     

井喷失控气云爆炸的3维数值模拟

基于K- 模型和改进的EBU 模型,考虑甲烷-空气混合气云形成过程,建立了井喷失控甲烷喷射 流扩散及混合气云爆炸的理论模型,选用SIMPLE方法求解差分方程,模拟甲烷-空气混合气云形成过程,分 析了不同点火点对混合气云爆炸影响程度。结果表明,点火点方位及点火点所在气体体积分数对气云爆炸都 有明显的影响,点火点越靠近气云中心和所在甲烷体积分数越高爆炸效果越强,最后为井喷失控人工点火提 出了合适的点火方位。     

近地空中气云爆炸波遇地面反射的研究

从非定常Ｅｕｌｅｒ方程出发，用高精度、高分辨率的ＴＶＤ格式，对近地空中轴对称气云爆炸波遇地面反射进行了数值模拟，得到了冲击波在地面由规则反射到马赫反射的爆炸场波系结构、沿地面的压力分布与地面指定点的压力时间曲线。比较了同体积不同初始形状气云爆炸效应。本文方法可预测爆炸场参数并对改进弹体结构设计以控制气云形状提供参考。     

多相燃料空气炸药爆炸压力场研究

采用高速运动分析系统对固态燃料FAE（Fuel Air Explosive）分散、爆轰过程进行光学测量,用压电传感器等组成的压力测试系统对FAE爆炸压力场进行测量,对固态燃料FAE燃料分散、爆轰波及冲击波进行了研究。分析了气-固-液多相爆轰的特征和压力波形的特点,研究了其冲击波峰值超压及比冲量随传播距离变化的规律。在云雾区内,多相爆轰波压力波形具有多峰结构,爆炸波峰值超压及冲量为一恒定值;爆轰区外,爆轰波转变成爆炸冲击波,峰值压力和比冲量迅速衰减,得到了峰值超压、比冲量随传播距离的变化规律。     

竖直下抛液体燃料爆炸抛撒的初步数值研究

对具有轴向初始速度即竖直下抛液体燃料的爆炸抛撒云雾形成过程进行了数值研究。近场的数据来自丁珏等的工作,以此数据作为远场初始参数。远场是燃料液滴与空气、燃料蒸汽、不同尺寸的液滴颗粒组成的多相体系之间的相互作用的过程。液滴的直径比较小,把液滴看成连续介质,且相互作用只考虑液滴的蒸发、破碎、碰撞聚合。轴向初速为0(静爆)时计算结果与实验结果相吻合。这说明本模型可以模拟爆炸抛撒云雾的形成过程,进而可以预估高速运动下云雾的形成过程。用以上模型计算了竖直下抛初速为100m/s、装填5kgPO的FAE装置的爆炸抛撒过程。所得的结果表明,100m/s的初速将影响云雾的最终形状及云雾内部的浓度分布。     

柴油爆炸性能外场实验研究

通过?30 mm杀爆燃弹外场炮击实验,模拟车辆、装备油箱被炮火击中后二次爆炸场景,采用高速照相机、红外热成像仪分别记录引爆柴油过程和爆炸火球的温度场,对比评估普通柴油、含水型柴油和抑爆型柴油的爆炸特性。实验结果显示:炮弹射击油箱瞬间,柴油液滴被抛撒出油箱,与空气快速混合形成气溶胶,并在炸药能量作用下引发爆炸,形成爆炸火球;不同类型柴油的爆炸火球均经历3个发展阶段,但其尺寸、扩展速率和表面温度等有较大差别,普通柴油和含水型柴油的火球这3个参数比较接近,都大于抑爆型柴油;含水型柴油的油箱毁伤容积为108.00 dm3,远高于普通柴油的57.65 dm3和抑爆型柴油的38.15 dm3。研究表明,抑爆柴油中的高分子聚合物能起到较好的抑爆作用。     

爆炸烟云扩散的时空分布模型及特性

针对爆炸烟云扩散的时空分布问题,在严格限定实验条件的前提下,设计并开展了不同当量、不同地面条件、不同炸药装置壳体厚度的3组TNT爆炸烟云扩散外场实验,获得了不同实验条件下烟云扩散时空分布数据,运用计算流体力学(computational fluid dynamics, CFD)对爆炸烟云的扩散过程进行了数值模拟。通过分析实验和数值模拟获取的烟云时空分布数据,得到了烟云扩散形态演变过程及浮力流场信息,确定了厚水泥地面条件和硬质地面条件下不同的爆炸烟云扩散高度分布模型。研究结果表明:采用实验与数值模拟相结合的方法来表征烟云时空分布模型是科学可行的,爆炸烟云高度随时间呈1/2次幂函数增长,烟云宽度短时间内几乎呈线性扩展,烟云温度随时间呈反比例函数衰减,爆轰地面条件和炸药装置壳体厚度对烟云扩散高度均有不同程度的影响。     

温度压力对瓦斯爆炸危险性影响的实验研究

为了研究瓦斯的爆炸危险性,选取对其影响较大的初始温度和初始压力进行实验研究。运用特殊环境20 L爆炸特性测试系统,对不同初始温度(25~200 ℃)和初始压力(0.1~1.0 MPa)条件下瓦斯的爆炸极限、最大爆炸压力和点火延迟时间进行实验研究。结果表明:高温高压条件使瓦斯的爆炸上限升高、下限降低,爆炸极限范围扩大;随着初始温度升高,瓦斯爆炸的最大爆炸压力逐渐减小;初始温度越高,点火延迟时间越短。通过对实验结果的分析,运用安全原理知识和危险度定义,给出初步评估瓦斯爆炸危险性的方法。     

内设半球条栅形障碍物的可燃气云爆炸实验研究

以混合比为13.3%的乙炔 空气混合物为介质进行了内设半球条栅形障碍物的可燃气云爆燃实验研究。通过对实验数据进行曲线回归,并经方差分析检验,得到了描述可燃气云爆燃压力场的拟合关系式。应用多能模型构想对半球形可燃气云内设半球条栅形障碍物的爆燃实验结果进行分析,得到综合考虑边界条件、混合物活性和尺度比例因子的爆燃超压关系式,为其它可燃气云在其它形式障碍物约束下的爆燃超压提出估算方法。     

高压泄爆导致的二次爆炸

基于计算结果和相关实验结果，通过理论分析，对高压泄爆导致的二次爆炸机理进行了系统的阐述。泄爆后，泄出的高压可燃气体在泄爆口附近形成可燃云团，由于欠膨胀，云团内存在稀疏波低压区和Mach干高压区。火焰射流泄出后，在一定条件下，可使Mach干高压区内的可燃云团爆炸式燃烧，压力迅速上升，以致产生二次爆炸。     

温压炸药爆炸性能实验研究

为研究温压炸药的爆炸特性,将25 g温压炸药在5.8 L的密闭爆炸罐中引爆,测试了真空和空气环境下的爆炸压力和爆炸温度,并通过气相色谱分析了爆炸后的气体产物。实验结果表明,温压炸药在空气环境下的平衡压力和平衡温度明显高于真空环境,并且空气中的氧气参与了炸药中铝粉的氧化反应,说明温压炸药在空气环境下存在后燃效应。     

爆炸容器内冲击波系演化及壳体响应的数值研究

对中心装药爆炸后冲击波的产生、传播和壳体动态响应全过程进行了数值研究。认为RDX瞬时爆炸 ,爆炸近场采用自相似解 ;冲击波传播和波系演化采用PPM (the Piecewise Parabolic Method)格式求解Eu ler方程 ;壳体响应采用有限元方法求解拉氏坐标系下由虚功原理得到的动力学方程。壳体内壁面边界条件分别采用强耦合和弱耦合方法处理。结果表明 :(1)当装药量相同时 ,薄壁壳体振型比厚壁壳体复杂得多 ,振幅也大 ;(2 )当装药量不同 ,壳体厚度相同时 ,爆炸场冲击波的演化过程不同 ;(3)对少量装药 ,产生的冲击波强度低 ,壳体变形小 ,是否考虑内边界运动 ,对计算结果的影响不大 ;(4 )在本文条件下 ,爆炸容器封头顶点所受的载荷最大 ,是最易发生破坏的地方 ,侧壁与爆点所在横截面的交线 ,也易破坏。