中科大火灾科学国家重点实验室的学术画像

中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室(State Key Laboratory of Fire Science,SKLFS)历经30余年的发展,已成为国际知名的火灾安全科学研究中心。对SKLFS科研成果产出特征的全面分析,有助于为未来SKLFS科研规划或布局研究提供有效的信息参考。从Web of Science核心数据集中采集了SKLFS发表的3949篇论文(1995—2021年),对论文整体产出特征、科研合作状况、研究主题以及高影响力文献进行了分析。在过去30余年,SKLFS的产出增长显著,研究领域聚焦在工程材料领域和火灾燃烧相关领域。在科研合作中,与国际学术共同体建立了广泛的合作关系,并产生了广泛影响。研究主题分布广泛,聚焦于阻燃材料、火灾试验与模拟(池火、隧道火灾等)、火灾动力学、锂电池火灾安全以及人员疏散等领域。其中,阻燃材料包含的主题规模最大,锂电池火灾的研究是实验室新兴的高影响力主题群。在文献层面上,SKLFS发表的高被引论文群亦集中在阻燃材料和锂电池火灾安全的相关研究。SKLFS论文的文献共被引网络形成了该实验室研究的知识基础文献及结构,包括阻燃材料、池火、隧道火灾、人员疏散以及锂电池火灾安全的参考文献群。

基于科学知识图谱的弹药毁伤评估技术发展现状与趋势研究

为厘清弹药毁伤评估技术演进规律,展望未来发展趋势,基于中国知网(CNKI)数据库,以1993-2022年收录的911篇毁伤评估技术文献为研究样本,运用CiteSpace软件绘制弹药毁伤评估技术研究发文机构、发文作者、研究现状以及研究热点知识图谱并进行可视化计量分析.研究发现,毁伤评估技术对充分发挥武器装备的战斗性能、作战水平、火力打击方案、合理配置作战资源有着重要的支撑保障作用,通过关键词词频、聚类、时间线以及突现分析,提出弹药毁伤评估技术应在协同毁伤、毁伤评估实时性、计算机技术与毁伤评估技术融合等方面进一步研究,将更好地完善弹药毁伤评估技术的理论与实践发展体系.

复合反应破片爆炸成型与毁伤实验研究

研究爆炸成型复合反应破片的成型过程及其对目标靶的终点效应.设计了球缺形药型罩的小长径比爆炸成型复合反应破片装药结构方案,应用脉冲X光摄影系统拍摄复合反应破片的形成过程.实验结果表明,药型罩在压垮过程中成功实现对反应材料的包覆,包覆及飞行过程中反应材料性能安定;从破片侵彻靶板结果看出,复合反应破片在撞靶时发生化学反应,毁伤效果比惰性侵彻体有大幅提高,利用金属药型罩动态包覆反应材料形成复合反应破片方法可行.研究结果可为反应破片战斗部的工程应用提供参考.

含CO_2天然气燃烧爆炸特性实验研究

我国已开始开发含CO2酸性天然气气田,此类气田的开发要求同时重视天然气的火灾爆炸特性和CO2的窒息危险性,如何确定CO2含量阈值浓度,从而制订相应的防护措施具有重要现实意义。为此,运用实验手段研究了含CO2天然气的爆炸极限,得到了CH4、空气及CO2三种组分气体爆炸范围图。研究表明:当泄漏天然气与空气的混合物中CO2体积分数达到13.86%,CH4体积分数为7.48%时,CH4在此混合气体中的爆炸下限与上限重合。当泄漏天然气与周围空气的混合物中CO2体积分数超过13.86%时,应重点考虑CO2的窒息危害,而在此浓度以下时,则应着重考虑天然气的火灾爆炸危险性。同时,还针对气田安全生产的实际情况提出了相应的对策措施。

新形势下高校实验技术队伍建设的探讨与研究

通过对新形势下高校实验技术队伍发展状况和形成原因的分析,提出了从人为观念、招聘体制、职称聘任体制、管理体制以及思想认识等方面综合改进措施,为建设好一支结构合理、素质优良、比较稳定的实验技术队伍提供合理建议。

瓦斯爆炸火焰精细结构及动力学特性的实验

为揭示约束条件下瓦斯爆炸火焰结构的动力学演化过程,通过实验研究了管道内瓦斯爆炸火焰的动力学行为及其对火焰阵面结构的影响规律。实验过程中采用高速纹影摄像技术清晰捕捉到了瓦斯火焰传播过程中的细微结构特性,分析了火焰速度与压力波对火焰结构的干涉作用;研究发现火焰局部速度变化是火焰结构变化的直接因素,而流动与火焰面相互作用是火焰结构变化的内在原因;压力波直接影响火焰表观速度,而其内在作用是对流动的干涉过程导致湍流强度增大,进而使火焰阵面结构发生失稳变形。

管道中煤尘爆炸特性实验

在长度为32.4m、内径为199mm的圆形管道中采用强点火方式对甲烷-空气混合物及甲烷-煤尘-空气混合物爆炸超压传播规律及爆速进行了研究。研究结果表明:强点火条件下甲烷-空气混合物的最大爆压和爆速分别为4MPa、1766m/s,在标准状态瓦斯爆炸极限浓度外2.5%、4.1%、15.2%时也出现稳定爆轰。相同浓度甲烷-煤尘-空气混合物爆炸超压及爆速要大于甲烷-空气、煤尘-空气混合物,甲烷-煤尘-空气混合物在爆炸当量浓度时,随着煤尘浓度越大,瓦斯浓度越小,爆炸超压和爆速越小。

爆炸成型弹丸对含水复合装甲侵彻的实验研究

对用于反舰(潜)复合式鱼雷战斗部的前级聚能装药爆炸成型弹丸进行了成型实验及其对多层含水复合装甲的侵彻实验,利用脉冲X光高速摄影技术和电探针测试技术得到了爆炸成型弹丸的飞行特性和对含水复合装甲的侵彻规律.实验结果表明,采用变壁厚球缺罩聚能装药战斗部有利于侵彻大间隔含水复合装甲防护结构,为复合式鱼雷战斗部的优化设计提供参考.

金属桥箔电爆炸等离子体流场实验研究

为了研究金属桥箔电爆炸等离子体流场特征,进行了金属桥箔电爆炸实验.利用基于纹影摄影技术的双脉冲光源等离子体流场结构测量系统,对桥箔电爆炸等离子体流场进行了照相观测,获得了不同时刻等离子射流和冲击波的物理图像.分析了等离子体流场变化规律,得到了等离子体及冲击波的特性参数.

不同厚度壳体装药在混凝土中爆炸的实验研究

为研究装药壳体厚度对混凝土毁伤效果的影响,设计了不同厚度壳体装药和无边界效应的混凝土靶板,并进行了实验.实验结果表明,在壳体厚度较小时,爆坑体积比裸装药炸药时的爆坑体积大;当壳体厚度增大时,爆坑体积呈下降趋势.随着壳体厚度的增加,壳体破碎性下降.通过空气冲击波超压测试,并结合经验公式计算了形成空气冲击波的能量占炸药爆炸总能量的比例.

爆炸成型弹丸对Al_2O_3装甲陶瓷材料的侵彻实验研究

用爆炸成型弹丸(explosively formed projectile,EFP)对Al2O3装甲陶瓷材料进行了侵彻(depth ofpenetration,DOP)实验,得到了99Al2O3装甲陶瓷对模拟EFP的质量防护因数和差分防护因数及他们随陶瓷块厚度的变化规律,初步评估了99Al2O3装甲陶瓷对EFP的抗侵彻性能,解释了装甲陶瓷对EFP的抗侵彻过程和机理。研究结果表明,增加约束可以提高陶瓷的抗侵彻性能。

不同铝氧比六硝基六氮杂异伍兹烷基含铝炸药水下爆炸实验研究

为研究六硝基六氮杂异伍兹烷(CL-20)基浇注含铝炸药水下爆炸输出特性,对1.2 kg左右不同铝氧比的5种炸药配方进行水下爆炸实验。通过实验数据对冲击波超压和能量输出进行了分析。实验结果表明:配方1的冲击波峰值压力在不同距离下均最大,满足相似律关系;随着铝氧比的增加,衰减速率不断增加,而时间常数、冲击波能不满足相似律关系;在不同距离处同一配方的气泡能几乎没有变化,冲击波能和总能量在3~4 m处基本相同(4 m处最大),随后随距离增加逐渐减少;铝氧比在0.23~1.31时,冲击波能随着铝氧比增加逐渐减少,气泡能先增加后减少,在铝氧比为0.94时达到最大,总能量先增加后减少,在铝氧比为0.47时达到最大,且铝氧比在0.47~0.58时总能量维持平台值。在保证总能量最大的情况下调节铝氧比,可在一定程度上改变含铝炸药的能量输出结构,这对水下武器弹药的炸药配方设计有重要意义。

爆炸聚能作用下混凝土试件劈裂的高速3D DIC实验

为探寻非钻孔条件下露天爆破大块二次破碎形态的控制方法,应用线性聚能射流对圆柱混凝土模型试件进行侵彻实验,使用High-speed 3DDIC(高速三维数字图像相关方法)方法分析试件劈裂发展过程的全场三维形变特征。研究结果表明,数据分析区内劈裂裂纹扩展速度在4个区间内呈阶梯式变化趋势,峰值速度为235.52m/s,平均速度为140.89m/s;线性聚能射流侵彻对劈裂裂纹扩展有明显导向作用,应力集中作用使得劈裂裂纹围绕线性射流侵彻对称轴扩展,扩展方向变化幅度较小;在劈裂裂纹扩展速度突变的3个时刻,劈裂裂纹路径产生了3处明显拐点,在拐点处伴随有支裂纹的产生,支裂纹的扩展距离均未超过5cm;主应变集中带形状及分布位置决定了裂纹扩展路径及趋势,拉应变集中先于裂纹出现,试件呈现准静态劈裂形态,劈裂面平整度较高。

用于爆炸流场与结构间相互作用分析的Euler-Lagrange耦合模拟技术

介绍了1种把Eulerian计算过程和Lagrangian计算过程耦合起来的数值技术,编写了计算程序,把爆炸流场作用过程和结构动力学响应过程的计算结合起来,实现了爆炸流场对结构加载和结构动力响应及对爆炸流场反作用过程的模拟。利用Eulerian过程的流体弹塑性有限差分计算程序MMIC(multi-materials in cell)模拟爆炸流场发展过程,利用Lagrangian过程的结构动力学有限元计算程序模拟结构响应。应用Euler-Lagrange耦合技术分析了爆炸作用下飞片的变形、破坏和对靶体的侵彻过程,计算结果表明,本文的方法可以较好地反映流场与结构各自的运动发展及相互间作用过程。

大型水平管道中玉米淀粉/空气混合物爆炸过程的实验研究

在长为32.4m、内径为0.199m的大型长直水平管道中对玉米淀粉空气两相流的爆炸过程进行了研究。实验采用40J电火花引燃点火端4.2m范围的铝粉空气混合物所产生的爆炸波进行点火,对其燃烧转爆轰过程(DDT)进行了分析,并对不同浓度时混合物的燃爆情况进行了比较。浓度为689g/m3的玉米淀粉/空气混合物能在管道中完成燃烧向爆轰的转变,此浓度为本实验系统下的玉米淀粉的爆炸临界浓度上限,下限浓度为459g/m3。

水下爆炸环肋圆筒损伤特性实验及数值模拟

根据鱼雷舱段壳体的特点提出一种内部带有环肋、两端连接配重的缩比圆筒结构模型,针对模型的损伤特性进行水下爆炸实验,并利用Autodyn软件对实验进行数值模拟计算.结果表明,圆筒在不同爆距下产生塑性变形和破裂的损伤形式;气泡上浮会改变二次压力波的初始方位,造成水平方位圆筒的非对称损伤形态;当爆距较小时,冲击波造成壳体局部凹坑或破裂,而二次压力波则造成迎爆面整体变形.比较数值模拟与实验结果可知,计算模型能够描述冲击波对圆筒的作用特性.

空中爆炸冲击波作用下薄壁铝球壳体大变形响应的实验研究

对炸药空中爆炸冲击载荷作用薄壁铝球壳体在典型作用距离下的动态响应进行试验研究.采用空中爆炸理论设计试验参数,测试薄壁铝球壳体的变形量,得到了作用距离、装药质量与中心变形量的对应关系,进行了弹性、刚塑性假设下球壳体动态响应的理论分析对比.结果表明,试验结果与刚塑性理论分析结果吻合较好.

爆炸去磁脉冲功率发生器的实验和理论计算

设计了两种结构的爆炸去磁脉冲功率发生器:炸药透镜平面波冲击加载圆柱形磁体和中心装药冲击加载圆环形磁体,磁体材料都采用Nd2Fe14B永磁体。进行了爆炸冲击加载实验,测量了爆炸去磁脉冲发生器的输出电流、电压以及Nd2Fe14B永磁体中的冲击波速度。通过对爆炸去磁脉冲功率发生器基本原理的分析,建立了感生电动势的理论计算方法。用Maxwell 3D电磁场分析软件,对Nd2Fe14B永磁体进行了静磁场分析,给出了Nd2Fe14B永磁体的磁场强度分布规律。实验结果表明:爆炸去磁脉冲功率发生器每匝线圈能够产生约67 V的感生电动势,对于0.56μH的电感负载能够输出脉宽78.3μs、峰值1 212 A的脉冲电流。

温压炸药爆炸性能实验与数值模拟

设计了一种5kg级HMX基温压炸药,并与等质量的TNT炸药进行了自由场静爆试验对比研究。冲击波数据显示,温压炸药相比TNT炸药,最大处ΔP和I分别提高了53.6%和35.6%;红外测温和高速摄像显示,温压炸药相比TNT,高温作用的时间更长,火球尺寸更大。另外用Autody2D软件对温压炸药的爆炸性能进行了数值模拟,结果与实验值符合较好,可以为后续温压炸药的研究提供参考。

准球形爆炸成形弹丸形成过程的仿真计算与实验验证

利用仿真计算和脉冲X光摄影实验相结合的方法研究了准球形爆炸成形弹丸的形成过程。通过对不同药型罩外曲率半径、壁厚参数的正交仿真计算,获得了形成准球形爆炸成形弹丸的结构参数,并根据动能最大准则确定了准球形爆炸成形弹丸的优化方案。数值仿真结果与实验结果吻合较好。研究结果对准球形爆炸成形弹丸的应用和工程设计有一定的指导意义。