考虑后燃烧效应的TNT空气中爆炸的数值模拟

采用AUTODYN软件对TNT在空气中爆炸进行了数值计算,在计算模型中考虑了负氧平衡炸药的后燃烧效应,并将峰值超压、比冲量、正压作用时间计算结果与相似律公式计算值以及Baker测试数据进行了对比,指出Brode公式计算出的炸药附近空气冲击波峰值超压明显偏大,可能是将爆轰产物造成的峰值超压误认为空气冲击波峰值超压所致。

舱室密闭空间中爆炸载荷后燃烧效应数值计算研究

为准确分析梯恩梯炸药在密闭空间中的爆炸载荷,在统一设施标准模型和基于能量守恒的简化计算公式基础上,提出了一种计算爆炸产物后燃烧能量的方法。该方法应用到基于有限元分析软件ANSYS/AUTODYN平台的数值模拟中,实现负氧平衡炸药在密闭空间中爆炸过程的数值仿真计算。计算结果与试验测试结果表明:梯恩梯炸药在密闭空间中发生爆炸时,其爆轰产物的后燃烧效应不可忽视;不考虑爆炸产物的后燃烧效应,数值计算得到的准静态压力较试验值低55%以上,50 ms内冲量较试验值低49%以上;将爆轰产物的后燃烧能量计入后,爆炸压力及冲量时程的计算值与试验值吻合较好,为结构受爆炸载荷响应分析提供了准确的输入载荷。

后燃烧效应对约束空间内爆炸载荷的影响规律

[目的]为了研究后燃烧效应对约束空间内炸药爆炸载荷的影响规律,[方法]将反应率模型耦合到可压缩欧拉方程中,并以源项的方式进行后燃烧能量的添加。采用五阶WENO有限差分格式和三阶TVD-RK格式对耦合方程空间项和时间项进行离散求解,自主编写约束空间内炸药爆炸后燃烧过程的二维数值计算程序。基于自主程序开展不同工况下内爆炸后燃烧效应数值计算,探讨内爆炸过程中反应速率及后燃烧能量大小对爆炸载荷的影响规律。[结果]研究表明:在后燃烧能量大小一定的情况下,反应速率常数增大时,冲击波到达时间提前,冲击波峰值、冲量均增大,准静态超压峰值保持不变;在反应速率常数一定的情况下,随着后燃烧能量的增大,冲击波峰值、冲量及准静态超压峰值均增大;后燃烧能量的加入能显著增强爆炸载荷强度。[结论]研究成果可为抗爆结构设计及毁伤评估提供一定的参考和指导。

考虑后燃烧效应密闭空间内爆炸场数值计算研究

为了研究后燃烧效应对爆炸场参数的影响规律,提出一种考虑后燃烧效应密闭空间内爆炸场数值计算方法,将简化的反应率模型,耦合到三维两组可压缩欧拉方程中近似考虑后燃烧效应。并通过建立气体内能与热容之间的关系求得瞬态温度,根据热力学关系建立绝热指数计算公式。基于FORTRAN平台,采用五阶WENO有限差分格式,自主开发考虑后燃烧效应密闭空间内炸药爆炸场三维数值计算程序。基于所开发的程序数值探讨内爆炸场演化过程及后燃烧效应对爆炸场参数计算的影响。结果表明:(1)准静态温度、绝热指数及超压数值解与考虑后燃烧效应的理论解吻合较好,相对误差小于5%,初步验证了所开发程序的可靠性。(2)后燃烧效应在内爆炸场数值模拟中需要引起足够的重视,同一内爆炸工况下,准静态温度、绝热指数及超压数值解与不考虑后燃烧效应的理论解误差分别高达25%,6%,31%。

考虑木材燃烧效应的大空间体育馆木结构建筑火场升温模型研究

木结构建筑因具有美观环保的特点被越来越多的建筑设计师所采用,更多建筑形式优雅、结构受力可靠的大空间木结构建筑被设计出来。然而,木材作为一种易燃材料,在经历火场高温后会发生复杂的物理化学反应,热解会导致其力学性能的退化,且大空间火灾的升温情况与普通室内火灾有所不同,这阻碍了木结构建筑的推广应用。参考大空间建筑火灾的经验公式形式,建立了适合大空间木结构建筑的多点火源燃烧火场升温分析模型。基于火灾模拟软件FDS进行有限元建模,分析在木材燃烧效应下大空间木结构建筑内火场升温状态,研究建筑面积、建筑高度、火源功率等因素对于大空间火场升温的影响。研究结果表明,当建筑面积越大、建筑高度越高、火源功率越大时,火场的最高升温就越大,且大空间建筑内的顶棚区域是火灾最为严重的区域。经对比,所提出的大空间木结构建筑火灾升温曲线可满足结构设计过程中的安全性、经济性和适用性要求,为今后大空间木结构建筑的防火研究打下坚实的基础,并为后期木构件建筑温度场的分析提供理论依据。

舱室内爆载荷燃烧增强效应试验及仿真研究

[目的]TNT炸药在密闭空间中发生爆炸时,其爆轰产物的燃烧效应不可忽视,为准确分析TNT炸药在密闭空间中的爆炸载荷,需要探究爆轰产物燃烧释放的能量与药量体积比的关系。[方法]首先开展5种不同质量的TNT分别在空气和氦气环境密闭空间中的爆炸试验,然后基于化学反应分析、能量守恒、等熵假设3种不同的方法计算5种不同药量体积比对应的爆轰产物燃烧能量,并基于有限元分析软件ANSYS/AUTODYN开展考虑燃烧效应的密闭空间内爆炸数值计算。[结果]准静态压力仿真结果与试验结果的对比表明:3种方法中,通过化学反应计算得到的燃烧能量理论值可作为上限值,能量守恒法的准确性依赖爆炸后混合气体的绝热指数,等熵假设法仿真值与试验值误差稳定在4%~7%之间;不同的燃烧能量释放历程会影响反射冲击波压力,但不改变最终的准静态压力。[结论]研究结果可为舰船抗爆结构设计及毁伤评估提供更精确的输入载荷。

舱室密闭空间中爆炸载荷燃烧增强效应试验研究

为研究梯恩梯(TNT)爆炸产物的燃烧释放能量对密闭空间中的爆炸载荷增强效应,开展7.50 g、11.25 g、15.00 g、22.50 g、30.00 g 5种不同质量的TNT分别在空气和氦气环境(抑制燃烧)密闭空间中的爆炸试验。通过压力、温度传感器及三维数字图像相关技术,得到爆炸载荷历程、准静态压力、封闭空间内气体温度、金属板试件的动态响应和最终变形等试验数据。对试验结果的分析和对比发现:TNT爆炸产物的燃烧效应对封闭舱室内的爆炸载荷与结构响应影响显著,5种不同质量TNT在氦气环境中爆炸的准静态压力、温度峰值相较对应的空气工况中的降幅分别在38.81%~46.85%和57.53%~76.35%;试件最终变形较空气工况的降幅在19.1%~48.9%;建议在结构内爆响应的计算评估中应考虑爆炸载荷燃烧增强效应的影响。

钨系延期药燃烧温度效应研究

为降低钨系延期药的燃烧温度效应，开展了相关的试验研究。结果表明：在一定的温度范围内（-50～50℃），钨系延期药燃速与环境温度属非简单的线性关系；在钨系延期药中添加少量导热率低、具有良好隔热性能的硅藻土可以降低其燃烧温度效应，提高延期药的延期精度。

基于结构响应的舱室内爆TNT等效方法

[目的]旨在揭示爆轰产物后燃烧效应对封闭空间中爆炸载荷的影响规律。[方法]通过往封闭舱室中充入氮气来抑制爆轰产物燃烧,开展在空气和氮气两种不同气体环境下封闭舱室内TNT爆炸响应试验,记录温度、压力变化历程和靶板中心点残余挠度,建立基于无量纲载荷参数的靶板变形与炸药释放能量之间的关系,并提出考虑后燃烧效应的封闭空间TNT等效方法。[结果]结果发现,由于爆轰产物燃烧能量释放量不同,在氮气环境中,封闭空间内爆炸压力、温度和靶板动态响应明显低于空气环境。内爆载荷分析需计入TNT爆炸产物燃烧释放的能量及其增强效应。[结论]与现有基于准静态压力的TNT当量计算方法进行的比较表明,所提基于结构响应的舱室内爆TNT等效方法具有合理性和良好的适用性。

封闭空间内爆载荷下结构响应试验及仿真研究

TNT在封闭空间内爆炸会发生燃烧反应并释放大量的能量,这些附加能量会对内爆载荷起到增强作用,为分析封闭空间内爆炸载荷作用下的结构动态响应。开展封闭空间爆炸试验,通过试验数据对称性验证,说明试验中压力测试结果准确可靠;然后开展数值计算研究,并探讨板厚、屈服应力和边界约束3个因素对靶板结构动态响应的影响。数值计算与试验结果的准静态压力吻合较好,靶板中心点初始峰值位移和最终位移的误差均小于5%,验证数值计算方法的可靠性;靶板中心点初始峰值位移和最终位移增大比例与板厚减小比例相当;靶板中心点初始峰值位移减小比例约为屈服应力增大比例的0.2倍,而最终位移的减小比例约为屈服应力增大比例的0.4倍。所采用的数值计算方法能够很好地模拟结构在封闭空间爆炸载荷作用下的响应,可为舰船抗爆结构设计提供一定参考。

钾盐消焰剂对微烟推进剂燃烧性能影响研究的进展

为了抑制固体火箭发动机羽流的二次燃烧,最好的方法是在推进剂配方中添加钾盐作为抑制剂。介绍了无机钾盐如KNO_(3)、K_(2)SO_(4)、K_(3)AlF_(6)、KA、含能硝基配合物、含能亚硝酸复合钾盐KE和有机钾盐KD等对固体推进剂的分解动力学、羽流电子密度、火焰结构和温度、燃烧速率、燃烧波结构、熄火表面及平台燃烧效应的影响。还介绍了一些新型有机含能与不含能的钾盐。对目前固体推进剂消焰剂的研究中存在的问题及未来发展方向进行了展望,可为相关领域的研究提供借鉴。

内爆炸后燃烧反应率时间历程理论预估及能量释放常数确定方法

[目的]约束空间内爆炸后燃烧效应涉及复杂的多组分化学反应燃烧过程,采用简化的反应率模型近似描述后燃烧效应具有一定的合理性和工程应用价值。然而,如何预估模型中的反应率时间历程及确定能量释放常数,仍是需要进一步解决的问题。为此,[方法]提出一种后燃烧反应率时间历程的理论预估方法,在此基础上采用化学反应动力学方法确定内爆炸化学反应时间,进而确定能量释放常数。[结果]研究表明:虽然在爆炸初期和爆炸后期理论预估公式与数值计算结果存在一定的差异,但总体趋势吻合较好;按照化学反应动力学分析方法近似确定化学反应结束时刻具有一定的合理性和可靠性。[结论]研究结果可为抗爆结构设计及毁伤评估提供一定的参考和指导。

贫铀弹损伤,该这么防

贫铀弹是以贫铀为主要原料制成的炸弹、炮弹或枪弹,其穿透性极强,击中目标时可产生大量金属碎片,同时产生2000℃~3000℃高温,可形成纵火燃烧效应,具有多种杀伤作用,造成弹片伤、烧伤、放射损伤、重金属化学毒性损伤等各类伤害。那么,在未来战场上该如何防护贫铀弹伤害?

一种烟火型反鱼雷用声纳诱饵剂技术

根据烟火药的脉动燃烧效应提出了采用烟火药作为反鱼雷声纳诱饵的设想,并详细论述了烟火型反鱼雷诱饵技术与现役反鱼雷软杀伤技术相比存在的优势,分析了烟火药的脉动燃烧及声纳诱饵的原理,提出了该诱饵剂研制需解决的关键技术。

密闭空间内爆炸准静态压力理论计算研究

[目的]密闭空间内爆炸过程不仅涉及冲击波的传播和反射,还包含复杂的后燃烧效应。后燃烧效应既增强了冲击波强度,还会对最终准静态压力产生较大影响。为对约束空间内爆炸准静态超压进行预测,[方法]基于化学反应分析及能量守恒定律,推导给出一种考虑后燃烧效应内爆炸准静态超压峰值的计算模型,并将模型计算得到的准静态超压与相关文献的实验测量结果及经验公式的结果进行对比分析,以验证所提理论模型的可靠性和准确性。[结果]结果表明:理论模型计算的准静态超压峰值与文献的实验测量及经验公式的结果吻合较好;Anderson经验公式在药量体积比小于0.5 kg/m^3的爆炸工况下并不适用,文献[8]的拟合公式不能外推至药量体积比大于8.87 kg/m^3的爆炸工况下使用。[结论]研究结果可为更好地了解内爆炸后燃烧效应对准静态压力贡献的物理机制,以及为抗爆结构设计及毁伤评估提供一定的参考和指导。

一种确定侵蚀函数的新方法

在已知实验压力曲线的基础上，采用逐点校正技术和最小二乘拟合法确定推进剂的侵蚀函数，可以显著提高侵蚀函数在理论运算中的准确度。拟合得到的侵蚀函数对同类推进剂在不同发动机下，考虑其尺寸效应和燃速效应，具有很强的通用性，这对于减少实验次数及缩比发动机实验研究和相关实验的处理方法等都有重要的实际意义。

热喷干扰气体模型对飞行器气动特性影响分析

针对不同气体模型对高超声速飞行器喷流反作用控制系统(RCS)热喷干扰流场模拟的计算效率和准确性问题,基于喷流燃气物理化学模型,通过数值求解含化学反应源项的三维N-S方程,建立了飞行器RCS热喷干扰流场数值模拟方法,分别采用化学反应流、反应冻结流、二元异质流以及空气喷流四种气体模型开展了典型外形热喷干扰流场的数值模拟,研究了不同气体模型对热喷干扰流场结构、飞行器气动力热特性的影响,分析了不同马赫数、飞行高度下的变化规律.研究表明:化学反应流模型计算精度较高,计算与风洞试验数据的吻合程度优于其他三种简化模型;在本文的低空条件下,采用简化模型进行热喷干扰流场数值模拟,会低估分离区大小,使飞行器气动力特性预测出现偏差,同时也会低估表面热环境,对防热系统设计不利,随着马赫数增加,简化模型对气动力热特性预估的误差进一步增大,同时不同简化模型之间的差异也进一步增大;飞行高度较高时,模型之间的差异减小,此时可采用简化模型进行计算以提高计算效率.本文的研究结果可为飞行器热喷干扰流场数值模拟及喷流反作用控制系统设计提供参考.

高超声速飞行器热喷高温燃气红外辐射特性数值模拟

喷流反作用控制系统(Reaction Control System,RCS)热喷高温燃气辐射效应对飞行器光学探测跟踪具有重要影响。基于谱带辐射模型,通过求解带化学反应源项的三维Navier-Stokes方程和辐射传输方程,对高超声速飞行器喷流反作用控制系统热喷干扰流场及其红外辐射特性进行了数值模拟,分析了二次燃烧效应、不同飞行条件以及不同观测角度对流场红外辐射特性的影响。研究表明:典型状态喷流辐射计算与实验测量结果一致,流场与红外辐射数值方法具有较好的适应性;飞行器RCS工作所形成热喷干扰流场的红外辐射,主要由喷流燃气中的CO_(2)和H_(2)O组分贡献,其中CO_(2)对辐射的贡献更大,流场中二次燃烧效应对流场辐射强度有显著影响,在20 km高度下可使流场辐射强度提高一倍以上;随着马赫数/高度的增加,流场辐射强度均呈现先略有减小,后增大的趋势,随着高度增加,二次燃烧效应对流场辐射强度的影响明显减弱;由飞行器RCS工作引起的辐射增量十分显著,俯视观测以及3~5μm波段的目标辐射强度最大。文中的研究结果可为飞行器探测跟踪提供参考。

基于密闭空间内爆的核爆冲击波载荷模拟试验和数值计算方法

为探索核爆载荷的模拟试验与数值计算方法,通过在密闭爆坑内均匀布置导爆索,利用小药量导爆索爆炸形成均匀的内爆炸压力载荷(平面波)模拟远距爆炸的核爆冲击波载荷,测量了爆坑底面对称布置的4个测点的压力载荷,分析了其载荷特征,并在考虑装药后燃烧效应影响的基础上,采用有限元方法对试验进行了数值计算分析。研究结果表明:试验与数值计算结果吻合良好,冲击波峰值超压偏差在10%以内,准静态压力峰值最大偏差5.7%;密闭爆坑内小当量U型导爆索爆炸下各测点压力载荷呈现较好的一致性,且能有效形成平面长脉宽冲击载荷,与核爆载荷特性相近。