电爆炸法制备Fe3O4纳米颗粒及其物相研究

搭建了电爆炸金属丝实验平台,在空气中电爆炸铁丝来制备纳米金属颗粒。利用电阻分压器与Rogowski线圈来测量电爆炸过程中铁丝上的负载电压与电流。将负载电压与电流之积进行时间积分来估算沉积在铁丝上的能量。使用光电探测器对电爆炸过程中产生的等离子体发光信号进行探测。对铁丝电爆炸后形成的产物使用高倍显微镜、扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）、能谱分析仪（EDS）以及X射线衍射仪（XRD）进行观测,来研究其物相特性。实验结果表明:电爆炸过程中,当铁丝由液相变为气相时,其电阻急剧增加,因此电流几乎不能流过铁丝,同时铁丝上的负载电压会趋近于电容器的初始充电电压。随着能量的持续积累,等离子体在爆炸腔中形成。由于原本被阻断的电流能够从低电阻等离子体中流过,因此电压电流波形变为欠阻尼波形。电爆炸铁丝所得的产物为Fe3O4纳米颗粒,其中大部分呈规则的球形。Fe3O4纳米颗粒的粒径主要分布在30~60 nm之间,并且符合对数正态分布。     

强约束球形装药反应裂纹传播和反应烈度表征实验

炸药燃烧的高温高压气体产物可以进入基体裂纹中引发炸药表面热传导燃烧,形成所谓的对流燃烧。在一定约束条件下,不断上升的气体压力反过来又使炸药基体产生更多的裂纹,为对流燃烧提供更多的通道和燃烧表面积,快速生成大量产物气体导致高烈度反应现象的产生。本文中设计了一种新型强约束球形装药中心点火实验,针对一种HMX为基的PBX炸药,对高烈度反应条件下燃烧裂纹传播和反应增长过程进行了观测,实验中采用测得的反应压力和壳体速度历程对反应烈度进行了量化表征。在带窗口结构中,早期炸药中的燃烧裂纹不可见;中期燃烧裂纹扩展到药球表面时,先形成4条沿经线方向近似对称的主裂纹,随后环向贯通并扩展到整个药球表面;最后的剧烈反应造成强烈发光。上述反应演化经历低压增长阶段约为100 μs,之后伴随着壳体变形膨胀产生剧烈的反应,此时产物压力在约10 μs时间内超过1 GPa,并形成约20%相对于裸炸药爆轰的超压输出。在全钢结构中,20 mm厚的壳体膨胀速度最大可达到500 m/s,此时壳体完全破裂。

     

受限空间内甲醇喷雾液滴形成及其爆炸特性

为防控工业喷雾爆炸和完善喷雾爆炸测试方法,在20 L球形喷雾爆炸测试系统内,实验研究了不同环境压力、喷射压力及浓度下的甲醇喷雾液滴形成及爆炸特性规律。结果表明:增大喷射压力更易致使甲醇破碎成微小液滴,甲醇喷雾液滴爆炸极限范围变宽;环境压力的增大导致甲醇喷雾液滴粒径变大,喷雾液滴爆炸极限范围变窄,一定程度上可以有效抑制甲醇泄露可能导致的次生衍生事故发生。当爆炸容器内环境压力为0.1 MPa、喷射压力为2.1 MPa、甲醇喷雾浓度为356.4 g/m³、甲醇液滴索太尔平均直径为2.5μm时,爆炸特性参数(最大爆炸压力、最大爆炸压力上升速率及层流燃烧速度)在上述拐点处取得最大值;小粒径(1～15μm)的液滴在外界能量作用下,更易被点燃,且爆炸过程中瞬态物理化学反应更为迅速和剧烈;较大粒径(22μm以上)的液滴会出现点火困难现象,然而点火成功后,爆炸特性参数均随甲醇喷雾浓度增加而增加,呈现近似线性规律,此时液滴粒径对上述爆炸特性参数的影响可以忽略。研究结果有助于理解喷雾液滴爆炸规律、完善相应测试方法和安全设计。     

密闭空间可燃气体爆炸超压预测

为避免密闭空间内可燃预混气体爆炸事故造成的伤害,对其进行较为准确的爆炸超压预测是抗爆设计和日常安全管理的关键。结合已有文献实验数据,利用光滑层流火焰传播理论模型建立了爆炸超压模型;对比发现,当体积较大时,光滑层流火焰传播理论模型存在较大的误差。较大体积密闭空间爆炸火焰传播过程中的不稳定性造成火焰前锋面褶皱并引起湍流燃烧,导致火焰前锋面表面积大幅增加,且在火焰传播过程中表现出自相似分形特征。依据褶皱及湍流火焰传播过程中的自相似分形特征,基于分形燃烧理论和相关经验数据,进一步建立了考虑可燃预混气体爆炸火焰褶皱及湍流火焰传播的爆炸超压预测模型,并与实验所得结果进行了对比。结果表明：当密闭空间体积较大时,利用褶皱及湍流火焰传播理论建立的爆炸超压模型进行峰值压力估算时,两种工况下实验所得和理论计算所得相对误差分别为10.4%和11.1%,较光滑层流火焰传播理论爆炸超压模型相比,误差分别减少了72.3%和50.6%。本文所建立理论模型与实验所得结果具有较好的一致性,在一定程度上可满足结构抗爆设计或日常安全管理的需要。

     

爆炸荷载作用下钢筋混凝土梁的动力响应及破坏形态分析

对基于Timoshenko梁理论建立的非线性动力有限元法作了改进。根据压区理论得到混凝土的平均剪应力和平均剪应变关系,建立了能反映箍筋的抗剪作用的材料模型;此外,对结构在爆炸荷载作用下可能出现的各种响应现象进行了描述,以准确地预测梁破坏时不同位置截面上钢筋和混凝土的受力、变形及破坏情况。应用改进的材料模型,对爆炸荷载作用下的五个钢筋混凝土试验梁的动力响应和破坏形态进行了数值模拟,结果表明,该数值方法能较好地模拟钢筋混凝土梁的弯曲、弯剪和剪切等破坏形态。     

多层金属爆炸焊接复板飞行姿态的计算方法

在两层金属爆炸焊接复板飞行姿态的理论计算基础上，运用质量守恒、动量守恒定理和契特公式推导了多层金属爆炸接复板飞行姿态的理论计算模型，经过实验验证，该计算模型和实验相符合，对于多层金属爆炸焊接工艺参数的设计具有很高的使用价值。     

爆炸荷载下沉箱重力式码头模型毁伤效应

在野外条件下开展了不同爆炸荷载条件下沉箱重力式码头模型毁伤效应实验,得到了沉箱重力式码头模型在1 kg TNT当量空中爆炸、水下爆炸以及结构内部爆炸后的毁伤模式,并针对不同毁伤模式给出了相应的抢修建议。实验结果表明：空中爆炸荷载下码头仅面板局部破坏形成爆坑;水下爆炸荷载下码头迎爆面及相近区域形成大量裂缝;结构内部爆炸荷载下码头仓格大变形破坏且中间面板被掀飞;从横向对比来看,在相同爆炸当量下空中爆炸荷载下码头毁伤程度最小,结构内部爆炸荷载下码头毁伤程度最大。

     

柱状含铝炸药水下爆炸近场的特征线法研究

基于之前提出的一种含熵变项的特征线法,通过控制非等熵流中的能量释放来刻画铝粉燃烧的影响,结合简单Chapman-Jouguet模型和JWL-Miller状态方程,计算了柱形含铝炸药水下爆炸的近场参数。对比模拟结果与实验数据,发现这种特征线法可以较好地预测近场冲击波的传播迹线、爆轰产物的膨胀轨迹以及内部压缩波的反射过程。结果表明,这种特征线法可用于含铝炸药水下爆炸的近场计算,进一步可用于评估含铝炸药性能或计算水下能量输出。     

预点火湍流对正戊烷云雾爆炸参数的影响

以正戊烷云雾为研究对象,进行预点火湍流对云雾爆炸参数影响规律的实验研究。首先通过不同气动压力进行喷雾,获得平均特征直径（SMD）分别为 21.21、14.51 和 8.64 μm 的正戊烷云雾,并得到不同气动压力预点火的湍流均方根速度;随后在 20 L 云雾爆炸参数测量系统中实验获得预点火湍流对正戊烷云雾蒸发速率、爆炸超压峰值、压力上升速率和火焰传播延迟时间的影响。结果表明：(1) 对于圆柱形罐体对称式双喷头分散系统,流场环境可近似认定为零平均速率湍流场;在0.4、0.6和0.8 MPa的气动压力喷雾50 ms的分散作用下,在100～250 ms内,湍流均方根速度在1.0～6.2 m/s范围内,平均湍流积分尺度在40～72 mm范围内,湍流最大湍流尺度的雷诺数在8 000～15 000范围内,柯尔莫哥洛夫微尺度在0.03～0.1 mm范围内;(2) 对于较小的液滴群,随湍流强度的增加,液滴群的蒸发速率有更为明显的提升;(3) 对比云雾三种SMD,粒径8.64 μm的超压峰值与最大压力上升速率随湍流强度增长趋势更显著,并发生爆炸强度显著提升现象,即存在“转变区域”（transition range）现象;(4) 对于SMD在8～22 μm范围内,湍流均方根速度处于1.0～4.0 m/s时为火焰传播延迟时间的低增长阶段,湍流均方根速度处于4.0～6.2 m/s时为火焰传播延迟时间的高增长阶段,湍流强度与火焰传播延迟时间在相应的两个湍流强度阶段范围内呈线性增长。

     

新型微乳化柴油抛撒和云雾爆炸实验及其抑爆性能评估

为掌握新型微乳化柴油的抑爆性能和机理,开展了-10#柴油、普通微乳化柴油和新型微乳化柴油抛撒和云雾爆炸实验。采用灰色关联分析法,对柴油样品云雾爆炸火球的表面最高温度时的平均温度、高温(高于1 273.15 K)持续时间、火球最大截面积、火球辐射度等特征参数进行定量计算并评估其爆炸威力,又运用液体燃料抛撒和成像系统,研究柴油样品在激波及其高速气流作用下的抛撒雾化现象及其抑爆机理。结果表明:新型微乳化柴油的抛撒云雾径向扩展半径和云雾爆炸火球特征参数均明显小于-10#柴油、普通微乳化柴油,如在含水质量分数为5%的乳化柴油中分别添加质量分数为0.2%和0.4%的高分子聚合物防雾剂,形成的新型微乳化柴油的火球表面最高平均温度比-10#柴油分别低296.90和336.90 K,高温持续时间比-10#柴油分别少94和234 ms;火球最大截面积也分别只有-10#柴油的60.10%、53.53%;新型微乳化柴油的爆炸威力最小,抑爆性能最好,其次是普通微乳化柴油和-10#柴油;微乳化柴油的水分质量分数在15%以下时,多增加10%的水与添加0.2%防雾剂的抑爆效果相当;新型微乳化柴油抑爆性能较好的主要原因是柴油中添加防雾剂使其液滴黏弹性增大,在高速气流剪切作用不易破碎、雾化,液滴分散效果差。