基于简易冲击分解模型的爆轰驱动硅橡胶数值模拟及实验解读

为了反映爆轰驱动下硅橡胶发生冲击分解反应的物理过程,提出了一种简易的硅橡胶冲击分解模型。基于该模型,对爆轰驱动含硅橡胶夹层钢板实验进行了模拟,并分析解读了钢板的自由面速度。结果表明,实验中硅橡胶发生了冲击分解反应,导致钢板的自由面速度曲线出现了首次起跳中间速度平台及首次起跳速度峰值降低的现象。受硅橡胶冲击分解影响,首次入射波压力将在临界冲击分解压力附近弛豫一段时间,再继续升高至最高压力。该压力波作用于钢板的自由面后,出现了自由面速度在中间速度平台停留一段时间,之后继续升高至速度峰值的现象。硅橡胶冲击分解后的气相物质可压缩性较高,首次加载波内较多的能量被用于压缩气体做功,导致首次波传播至自由面时能量衰减,峰值压力降低,首次起跳速度峰值降低。

基于小尺寸模型分析氢氧旋转爆轰波传播的不稳定性机制

氢氧的高反应活性给旋转爆轰波的稳定传播带来了巨大的挑战,为研究氢氧旋转爆轰波传播不稳定性,通过改变当量比对小尺寸模型下二维氢氧旋转爆轰波进行数值模拟研究,揭示了氢氧旋转爆轰波复杂多变的传播特性,并分析了典型流场结构,探讨了传播模态的不稳定性以及爆轰波湮灭和再起爆机制。结果表明:随着当量比的提高,流场内分别呈现熄爆、单波、单双波混合3种传播模态,且爆轰波的传播速度随当量比的增大几乎呈线性提高,速度亏损为5%~8%。激波的扰动使得爆燃面失稳产生明显的扭曲和褶皱,氢氧的高反应活性让爆燃面明显分层且在2个分界面上呈现不同的不稳定性,上分界面为Kelvin-Helmholtz(K-H)不稳定性,下分界面为Rayleigh-Taylor(R-T)不稳定性。单双波混合模态下爆轰波极不稳定,保持湮灭、单波、双波对撞3种状态之间循环。爆轰波有2种湮灭方式:一是双波对撞导致爆轰波湮灭,二是爆燃面燃烧加剧使得爆燃面下移导致爆轰波湮灭。再起爆的主要原因是:R-T不稳定性诱导爆轰产物与新鲜预混气在爆燃面上相互挤压产生尖峰和气泡结构,增强爆燃面上的反应放热,产生了局部热点并逐渐增强为爆轰波,实现爆燃转爆轰。

炸药爆轰环境中铝粉非等温燃烧模型

为研究铝粉在爆轰环境中的燃烧特性,基于爆轰环境中铝粉燃烧模型,综合考虑了爆轰产物气体组分和爆轰环境体系温度对铝粉燃烧释能过程的影响,建立了爆轰环境中铝粉非等温燃烧模型,提出了包括铝粉燃烧过程、爆轰产物气体组分和爆轰环境体系温度在内的爆轰环境铝粉非等温燃烧控制方程,并通过激光诱导击穿光谱实验进行了验证。结果表明,铝粉非等温燃烧模型控制方程的计算值与激光诱导击穿光谱实验值的偏差在12%以内,验证了理论模型计算的准确性,获得了铝粉粒度和铝氧比对炸药中铝粉燃烧特性的影响规律。

多元组分爆轰不稳定性定量实验研究

对两种不同碳氢比例的多元组分进行爆轰不稳定性分析。在D=80 mm圆管中进行爆轰实验,分析多元组分的爆轰速度变化特性和胞格结构变化特性。分别从三波点轨迹间距、螺距和化学反应进程角度分析氢分压对多元组分爆轰不稳定性的影响,发现多元组分#1的爆轰速度与氢气预混气类似,虽有波动但总体较为平稳,始终稳定在0.95VCJ以上;多元组分#2的爆轰速度与甲烷预混气类似,波动幅度较大。从胞格结构特性角度分析,发现爆轰螺旋头数的变化趋势与速度变化趋势相似。三种不稳定性分析方法均得到多元组分#1的稳定性比多元组分#2的稳定性大。研究结果有助于整体把握多元组分的爆轰传播机理。

基于定位校正指数的嘧啶类含能材料爆轰性能

为研究嘧啶类含能化合物的爆轰性能与其分子结构的构效关系,根据嘧啶类含能化合物分子中原子相互连接的空间特性,提出了一种新的分子结构指数——定位校正指数B;此外还计算了19个含能化合物分子的电拓扑态指数,并优化筛选出其中的E 13作为分子结构描述符,将E 13与定位校正指数B结合,与嘧啶类含能化合物的爆轰性能进行回归分析;将B和E 13这两种结构指数作为BP神经网络的输入变量,神经网络结构采用2-3-1的结构方式,构建了预测嘧啶类含能化合物爆轰性能好的神经网络法模型。结果表明,每个模型的总相关系数均超过0.99,达优级相关,计算得到的氧平衡、爆热、爆速和爆压的预测值与文献值的平均相对误差分别为1.59%、1.05%、0.37%和1.28%;如将指数扩展到与噁三唑稠环类含能材料分子、含氟唑类含能化合物分子的爆轰性能等进行分析预测,同样能得到令人满意的结果。说明嘧啶类含能材料分子的爆轰性能与定位校正指数、电拓扑态指数有良好的非线性关系。

旋转爆轰发动机内煤粉-氢气两相爆轰流场数值研究

旋转爆轰发动机因其较高的热循环效率在航空航天领域备受关注。为了研究气固混合燃料在空气氛围中的旋转爆轰特性,在圆柱坐标系中建立了气固混合相燃料爆轰理论模型,并基于三维守恒元与求解元方法,对圆盘形燃烧室内的爆轰过程进行三维数值模拟。计算获得了气固混合相旋转爆轰波稳定传播时的流场结构,分析了爆轰流场的热力学参数分布特征、化学反应区分布以及旋转爆轰波后的波系分布特点。研究结果表明,微米级煤粉在氢气辅助作用下可快速反应并支持旋转爆轰波的稳定传播,但因盘形燃烧室的扁平结构特征和非预混喷注方式,导致爆轰波波阵面呈现为不规则的曲面。煤粉和氢气射流穿透空气层的能力差异导致气固混合燃料的化学反应区发生分离,最终以双反应区的爆轰组织形式支持旋转爆轰波稳定传播。旋转爆轰波不规则的曲面结构使其在扁平的燃烧室中发生多次反射,进而在爆轰波后有规律地出现多道反射激波。

乙烯对煤粉-氧气爆轰波起爆特性影响机制的实验研究

为实现煤粉连续旋转爆轰发动机的可靠点火,开展乙烯对煤粉-氧气起爆特性的影响机制研究。在初始压力p 0=100 kPa下,采用高能电点火对有无0.5当量比乙烯氛围下的煤粉-氧气混合物开展直接起爆实验研究。点火能量通过测定在空气中高能电火花产生的爆炸波压强进行计算。计算后发现:采用6.3 J的有效点火能量,煤粉-氧气在不含乙烯的氛围下无法起爆;在此能量下,煤粉-氧气在0.5当量比的乙烯氛围条件下可实现直接起爆;将能量降低为3.6 J,使其低于乙烯-氧气(0.5当量比)混合物的临界起爆能量,虽然乙烯-氧气无法直接起爆,但是在加入煤粉后却可以形成稳定的自持爆轰波。研究结果表明:若要实现煤粉-氧气的直接起爆,则需要添加一定量的助爆气体(如乙烯);煤粉的加入还可以拓宽乙烯-氧气混合物的起爆极限。所得结果可以为煤粉连续旋转爆轰发动机的点火起爆提供理论依据并提供技术支撑。

不同物理性质无烟煤粉在乙烯/氧气氛围下爆轰波传播特性实验研究

粉末连续旋转爆轰发动机不仅具有爆轰循环热效率高的优势,还兼具粉末燃料体积热值高、流量可调等优点,然而发动机的工作特性会受到煤粉的物理性质影响。为了更好地研究不同物理性质煤粉对于爆轰波传播特性的影响,搭建一套定容燃烧弹,结合高能点火系统,在初始压力p 0=100 kPa下,研究多孔状5μm、多孔状40μm及片状5μm共3种无烟煤粉在不同当量比(0.7、1.0、1.3、1.5)下的爆轰波传播特性。研究结果表明:多孔状5μm无烟煤随着当量比的增加,爆轰波速度及压力持续增加,当量比为1.5时具有最大爆轰波传播速度及压力;多孔状40μm煤粉在0.7~1.3当量比下随当量比的增大,爆轰波速度持续增加,而后在当量比为1.5时由于过量的煤粉导致速度开始降低,但爆轰压力随着当量比的增加而增加;5μm多孔状煤粉爆轰波速度在相同当量比下优于40μm煤粉;片状5μm煤粉爆轰特性最差,在高当量比时会抑制爆轰。

燃烧室结构对煤油预燃裂解气旋转爆轰特性的影响

在固定来流条件下,改变旋转爆轰燃烧室宽度和出口阻塞比,实验研究上述结构对煤油预燃裂解气与空气旋转爆轰传播特性的影响。实验结果表明:适宜的燃烧室宽度和出口宽度能够促进旋转爆轰波(Rotating Detonation Wave,RDW)的稳定自持传播,当燃烧室宽度为20 mm和26 mm,燃烧室出口宽度为4~8 mm时,煤油预燃裂解气和空气能够成功起爆并能稳定传播,增加燃烧室的宽度,RDW传播速度和稳定性均有提升;随着出口阻塞比增加,RDW传播模态经历了稳定单波模态、间断单波模态和双波同向模态,阻塞比的增加能提升燃烧室末端反射激波的强度,促进多波头的产生,RDW传播速度和压力随着阻塞比的增加,经历了升高后降低的变化。

预混煤油/空气两相旋转爆轰传播特性数值研究

为研究预混煤油/空气两相旋转爆轰波的传播特性,以煤油蒸气/液滴为燃料,空气为氧化剂,开展了二维旋转爆轰过程的数值模拟计算,研究了气态燃料当量比和液滴直径对气液两相旋转爆轰过程中流场结构、胞格形状和数目、爆轰分数以及传播速度等特征的影响。结果表明:较高的气态燃料当量比和较小的液滴直径有利于旋转爆轰波的成功传播。气态燃料当量比为0.83时,可起爆的液滴直径增大至40μm。研究发现,爆轰波成功起爆的前提下,提高气态燃料当量比或减小液滴直径均利于胞格数目的增多和平均尺寸的减小,胞格数目为5.0~6.7,低于5.0爆轰波将无法维持传播;燃料的爆轰分数与气态燃料当量比和液滴直径有关,提高气态燃料当量比或减小液滴直径均促进燃料的爆轰分数以及爆轰波传播速度的提高,爆轰分数最高可达94.9%,爆轰波的传播速度为1 638.34~1 777.62 m/s,速度亏损在13%以内。

基于人工神经网络算法的多相云雾爆轰毁伤效应预测模型

云雾爆轰毁伤范围的预测是云爆武器造成大规模毁伤的研究基础,但云雾爆轰后超压场分布规律与燃料浓度的依赖关系未知,制约了对于云爆毁伤范围的预测。因此,针对2种最为常用的多相云雾燃料,采用最小自由能法计算得到了液相燃料完全以液滴或蒸汽形式存在的多相云雾发生理想爆轰的CJ参数,并通过拟合,得到体JWL状态方程参数。在此基础上计算得到了不同浓度和状态的多相云雾理想爆轰造成的超压场,并借助人工神经网络获得了浓度范围在0.03~0.30 kg/m 3的气固两相和气液固三相云雾场爆轰峰值超压随比例距离衰减规律的代理模型并预测不同毁伤等级对应的毁伤比例半径随燃料浓度的变化,得到毁伤比例半径最大的最优浓度。研究结果表明:云雾区中液相燃料以液滴或蒸汽形式存在对云雾爆轰参数,产物JWL状态方程参数,与云爆爆轰后超压场分布规律的影响都比较微弱(<1.5%);在0.03~0.18 kg/m 3的燃料浓度范围内,Ⅰ级~Ⅲ级毁伤比例半径的最大和最小值分别相差21%、19%、6%,因此大装药结构形成的云雾场爆轰后,Ⅰ级和Ⅱ级毁伤半径与燃料浓度的依赖性更强。

刚性和柔性多孔材料作用下氢气爆轰胞格结构的演化规律

多孔材料作为高效吸波耗能介质,广泛应用于爆轰衰减研究中。为进一步揭示多孔材料的抑爆机理,系统研究了柔性(海绵)和刚性(金属丝网)2种典型多孔材料对氢氧爆轰胞格结构的影响,以及海绵和金属丝网厚度、孔隙率对爆轰胞格结构、尺寸等参数的影响。采用烟熏板技术记录爆轰波的胞格图案,并计算得到爆轰胞格尺寸;采用压力传感器记录爆轰波到达时间,进而计算得到爆轰波的平均传播速度。结果表明,爆轰胞格结构与海绵和金属丝网的厚度、孔隙率密切相关,此外研究发现了多个爆轰传播阶段,包括爆轰失效、加速和再起爆。爆轰胞格尺寸也与海绵和金属丝网的厚度、孔隙率密切相关,增大多孔材料厚度和减小孔隙率均能显著增大爆轰胞格尺寸。通过对比分析海绵与金属丝网对爆轰胞格尺寸的影响发现,在相同条件下,刚性多孔材料对爆轰的抑制作用更强,但这种差距会随着多孔材料厚度的增加而减小。最后,通过引入无量纲参数D_(H)/λ量化分析爆轰传播极限。对于柔性和刚性多孔材料而言,其爆轰传播极限可分别近似量化为D_(H)/λ≈3.0和D_(H)/λ≈3.1。

射流声阻抗差异对爆轰管口流场结构影响的数值模拟研究

为研究射流环境中声阻抗差异对爆轰管口流场结构的影响规律,建立爆轰管内外流场的轴对称模型,采用OpenFoam平台的rhoReactingCentralFoam求解器进行耦合求解。通过在管口处构建氩气、氢气和空气混合物、氦气3种自由射流区域,结合管口处是静止空气时的仿真结果,分析了管内外介质声阻抗差异对爆轰流场结构的影响。结果表明:氩气射流和静止空气会使爆轰波溢出管外时,在声阻抗间断面处形成反射激波;氦气射流会使爆轰波溢出管外时,在声阻抗间断面处形成反射稀疏波;氢气和空气混合物射流则对该过程无影响。在氩气射流和静止空气中形成的马赫盘减小到基本消失,滑移线和其后的超音速区域在马赫盘附近相遇;氢气和空气混合物射流和氦气射流中的马赫盘减小后仍保持一定大小,滑移线和其后的超音速区会在离马赫盘较远的地方相遇。自由射流与可爆混合物的声阻抗差异会使前导激波波阵面发生变形并改变其指向性。氩气射流中的前导激波阵面在靠近中心轴线处弯曲程度减小,静止空气中的前导激波大致呈现球面波的形态,氢气和空气混合物射流与氦气射流中的前导激波阵面发生凸起。

气固两相粉末燃料爆轰及其推进应用研究进展

粉末燃料因其能量密度高、稳定性好等优势,作为爆轰推进动力系统的燃料或添加剂,具有广阔的应用前景。根据气固两相粉末爆轰的燃料种类进行分类,并以指导粉末爆轰推进技术应用为导向,回顾粉末燃料在氧化剂氛围以及气体燃料/氧化剂氛围中起爆特性和传播特性的国内外研究进展,并对二者进行理论和工程技术的研究归纳,概括影响气固两相爆轰起爆和传播特性的因素以及重要的研究结论。从应用前景、推进性能、难点与挑战等角度对两相爆轰发动机研究进行综述,在总结发动机数值和实验研究现状的基础上,对未来需要开展的研究工作进行展望。

气相爆轰合成碳纳米材料的研究进展

气相爆轰合成是一种新型的碳纳米材料制备方法,相对于其他碳纳米材料制备方法而言具有反应速度快、产物种类多、产量大、纯度高、操作简单和经济性高等优点,有利于促进碳纳米材料的工业化生产。为深入阐明气相爆轰法合成碳纳米材料的研究与发展状况,介绍了气相爆轰法合成所需仪器设备、实验流程、理论计算以及产物的表征方法等,整理归纳了气相爆轰法合成碳包覆纳米金属粒子、碳纳米球、碳纳米管、碳点和碳纳米胶囊等技术与方法,分析了合成产物的形貌、结构及性能特征,展望了气相爆轰下各种新型碳纳米材料的应用潜力与技术发展趋势,以期为合理设计、针对性优化、规模化合成纳米材料奠定理论基础。研究表明:爆轰合成应结合宏观的爆轰理论和微细观的粒子生长。当前借助爆轰波发动机与爆轰胞格结构研究热点,使宏观爆轰胞格与纳米材料微观合成过程构成联系是重点研究方向。然而,在研究爆轰合成粒子的生长机理时,聚集在微细尺度上的纳米粒子生长仍然也是一种跨尺度问题,有必要引入分子动力学和格子波尔兹曼计算方法加以解决。

一种新爆轰产物状态方程及其在炸药爆轰性能预测上的应用

为准确描述爆轰产物在高温高压下的热力学关系,拓展应用范围,实现CHNO单质/混合炸药与含能金属盐爆轰性能的可靠预测,基于Exp⁃6势的维里系数理论值建立了新气态爆轰产物状态方程Virial⁃Peng⁃Long(VPL),并基于更准确的“冷压”项与考虑金属高压热运动变化的“晶格振动”项建立了新凝聚态金属产物三项式状态方程Wu⁃Chen⁃Peng(WCP)。应用VPL计算了几种典型CHNO单质/混合炸药的爆轰参数,应用VPL与WCP评价了几种典型含能金属盐的爆轰CJ参数与驱动做功能力。结果表明,相比VLW和BKW,基于VPL能够更准确评价CHNO单质/混合炸药的爆轰性能,对太安(PETN)爆速预测偏差在±2.1%以内,最高不超过2.5%;对RHT⁃901驱动圆筒稳定速度预测误差绝对值<1%。而VPL与WCP能够准确预测含能金属盐爆轰性能,其中对叠氮化铅爆轰CJ参数计算相对误差不超过±4%;对铜叠氮化物驱动飞片速度预测相对误差绝对值小于1%。

不同燃烧室结构下的碳/空气两相旋转爆轰发动机数值研究

气固两相旋转爆轰发动机的研究有望提高固体冲压发动机的推进性能。由于实验的局限性,燃烧室内的颗粒分布和流场结构等在很大程度都是未知的。本文以常温条件的碳/空气作为推进剂,对不同当量比下的环形和空心燃烧室进行了三维数值模拟研究。气相化学反应模型采用层流有限速率模型,碳燃烧采用多表面反应模型,颗粒直径为1μm。结果表明:空心燃烧室内未完全燃烧的颗粒数量增加,接触面发生褶皱且波后无低温条带;在环形燃烧室中,爆轰波与燃烧室壁面的相互碰撞产生新的爆轰波,而空心燃烧室的新爆轰波是由燃烧室下游激波对撞后形成的高压区产生的。相比于环形燃烧室,空心燃烧室内爆轰波的压力偏低,颗粒的燃烧效率降低,相同燃料与空气流量条件下发动机的推力下降且更加不稳定。

多孔材料抑制氢气爆轰实验装置研究

由于氢气具有点火能低、燃烧范围宽的特性,因此其爆轰产生的破坏力巨大,在氢气输送管道中安装多孔材料,可阻碍氢气爆轰产生的爆轰波的传播。该文搭建了预混气爆轰实验系统,在圆形光滑管道中改变初始压力、多孔材料的孔隙度及材料类型,研究多孔材料抑制氢气爆轰的性能。使用压力传感器、烟膜和数据采集系统采集爆轰波数据,分析爆轰波的传播速度、侧壁烟膜结果、胞格线与传播方向的夹角以及胞格结构等,得到了多孔材料对氢气爆轰抑制作用的规律,对减轻氢气爆炸事故造成的危害具有理论意义和工程应用价值,有助于推动氢能源的大规模利用。

基于弯型预爆管的煤油燃料旋转爆轰发动机起爆实验研究

为了研究采用弯型预爆管的预爆轰式连续旋转爆轰发动机点火起爆过程和旋转爆轰波的传播特性,设计了H 2/O 2弯型预爆轰管的预爆轰点火装置,进行了预爆轰点火实验,并研究了应用该预爆轰管的煤油/富氧空气旋转爆轰发动机的起爆特性。借助高频动态压力传感器和高速摄影,分别记录了实验过程中的压力信号与流场动态变化过程,分析了旋转爆轰波的起爆过程以及传播特性。实验结果表明:初始爆轰波在到达燃烧室入口后迅速膨胀解耦,形成两个沿相反方向传播的压力波,并且压力峰值迅速衰减;成功起爆后,爆轰波在燃烧室内以双波对撞模态自持传播,每一周期内双波发生对撞的位置不断变化;当煤油质量流量增加时,燃烧室内形成稳定旋转爆轰的时间间隔增加;在稳定工作范围内,提高当量比可以增加爆轰波的平均传播速度。该实验验证了将该弯型预爆管应用于煤油/富氧空气旋转爆轰发动机点火的可行性,进一步揭示了煤油/富氧空气旋转爆轰发动机的起爆过程。

爆轰加载下TATB基钝感炸药的冲击-卸载-再冲击实验装置设计与模拟

在一些特殊的工程应用和意外事故中,炸药内部可能会受到多次冲击压缩和卸载作用从而使其起爆性能发生变化,因此,需要一种可以模拟多次冲击和卸载的实验加载装置,用以研究炸药在复杂载荷下的起爆响应。基于爆轰加载原理,提出并设计了一种可以实现完全卸载的冲击-卸载-再冲击的爆轰加载实验装置,利用数值模拟对该装置进行了仿真设计和参数优化,并通过实验验证了数值模拟的准确性和装置设计的可行性。结果表明:利用所设计的爆轰加载装置驱动钨镁双层飞片撞击TATB基钝感炸药,通过调整装置中的间隙宽度,可以对炸药实现完全卸载的冲击-卸载-再冲击加载,为后续研究炸药在复杂载荷多次冲击下的起爆响应提供了一种新的实验技术。