狭长受限空间油气爆炸实验研究

为研究狭长受限空间中油气爆炸超压和火焰传播规律,搭建了狭长受限空间油气爆炸实验系统,并在狭长受限密闭管道中进行了油气爆炸实验。通过采集爆炸超压值、火焰强度值以及对燃烧产物成分进行分析,得到以下结论:距离点火端越远,最大爆炸超压值越大,但由于管壁的耗散效应以及油气体积分数的减小,导致靠近管道末端的压力有所下降;随着初始油气体积分数的增大,最大爆炸超压值和火焰传播速度先增大再减小;管道末端发生二次爆炸,在前驱冲击波过后,由于未燃气体压缩以及一次爆炸产物活性高等原因压力出现第2个峰值;在前驱冲击波的反射波以及水的不断冷凝、蒸发作用下,压力出现往复振荡现象;高油气体积分数下,燃烧反应不完全,产物更多以低碳烃类和CO为主。     

油料洞库支坑道对爆炸传播影响的数值模拟研究

油料洞库是典型的狭长受限空间,湍流强度是这种复杂受限空间中爆炸燃烧波发展的主要影响因素之一,爆炸波在主坑道的传播过程中,经分支坑道扰动后会发生跃升。针对这种复杂的跃变过程建立了基于多控机理的油气爆炸燃烧模型,对该过程中涉及的湍流强度经旁接分支通道扰动后的变化以及爆炸压力波的发展进行了数值模拟研究,并将数值模拟结果与实验结果进行了对比和综合理论分析。得到了一些与洞库安全相关的重要结论,对洞库受限空间爆炸发展的进一步研究以及爆炸灾害的防治具有重要的参考价值。     

油料洞库油气爆炸抑制数值模拟

根据受限空间油气爆炸及抑爆过程的发展规律和机理以及爆炸燃烧和抑爆的特点,建立了基于分步反应控制机理的爆炸燃烧及抑爆模型,解决了爆炸及抑爆发展过程中火焰和压力波相互耦合机制,克服了化学反应与多相流动耦合时计算和存储方面的困难,缓解了控制方程求解时的"刚性",数值仿真结果与实验吻合较好。研究显示,火焰在传播过程中,由于受到湍流和气体流动影响,形状不断发生变化,不是一直加速传播的,而是呈一定波动范围加速传播的;在狭长受限空间内,油气混合物的爆炸压力和火焰速度会大幅升高,不加以抑制将导致严重的破坏后果;在抑爆区由于抑爆剂强烈的物理、化学抑制作用以及两相间进行的能量和动量交换,充满抑爆区的抑爆剂云(雾)能很好地阻断爆炸燃烧火焰的持续传播,从而使爆炸压力失去油气持续燃烧所提供能量的补充而迅速衰减,爆炸传播迅速得到抑制。     

狭长密闭空间油气爆炸燃烧数值研究

基于不同控制机理制约不同反应步骤的分步反应燃烧机理,建立了RNG k-ε湍流模型和层流有限速率/涡耗散燃烧模型直接耦合的燃烧模型,采用TVD有限体积法,对充满等体积油气预混气的狭长密闭空间油气爆炸燃烧发生与发展过程进行了数值模拟.为了验证模型的正确性,根据计算结果分析了爆炸流场出现的火焰、压力波和化学反应等特征.所得计...     

非均匀容积式受限空间油气爆炸超压与火焰特征

设计了20 L非均匀容积式受限空间油气爆炸实验系统,完成了油气在其中的爆炸参数测试实验,获得了超压和火焰参数的变化规律。研究结果表明,超压随时间的变化可分为6个阶段,最大超压为791 k Pa;与20 L标准球形容器相比,非均匀受限空间油气爆炸过程中出现强压力振荡,振荡波峰值随时间的变化可用指数函数描述。火焰强度随时间的变化可分为4个阶段,各阶段火焰形态的变化为:球状蓝色层流火焰→亮黄色火焰→暗红色火焰→火焰熄灭。随着油气初始体积分数的增大,最大超压和平均升压速率呈现出先增大后减小的趋势,最大超压峰值(791 k Pa)和最大平均升压速率(7.4 MPa/s)对应的油气初始体积分数均为1.74%,且最大超压和平均升压速率随油气初始体积分数的变化可分别用二次多项式和三次多项式描述。随着油气初始体积分数的增大,火焰强度也呈现出先增大后减小再增大的变化规律,最大火焰强度为7 300 lux,火焰持续时间呈现出先减小后增大的变化规律,最短持续时间为0.317 s,最大火焰强度和最短持续时间对应的油气初始体积分数均为1.74%。     

受限空间可燃气体爆炸抑爆实验系统研究

针对狭长受限空间可燃气体爆炸抑制模拟实验研究的需要,采用超细冷气溶胶抑爆技术设计了一套操作方便、组装灵活、结构合理的复合式气体爆炸抑制系统.完成气体爆炸和抑爆实验.实验表明该抑爆实验系统能满足受限空间不同工况气体爆炸抑爆实验研究的需要;同时也表明可燃气体浓度、抑爆剂性能、信号采集及控制系统响应速度等是影响抑爆效果的主要因素.文中的研究为进一步研制抑爆装置奠定了实验和理论基础.     

模拟油罐油气混合物爆炸实验与数值仿真研究

对模拟油罐内油气混合物爆炸冲击波特性进行了研究.在直径为1 m的模拟油罐中进行了油气混合物爆炸模拟实验,建立了模拟油罐油气混合物爆炸的数值仿真模型,并借助大型商业软件Fluent6.2完成了数值仿真研究.数值仿真结果与实验值较为吻合.模拟实验和数值仿真研究的结果表明:油气体积分数、罐内初始温度等决定模拟油罐油气混合物爆炸压力的大小.油罐内爆炸压力波的振荡特性对金属油罐结构来说是有害的.     

受限空间雾化射流降温与加湿作用数值分析

以雾化射流预防、控制受限空间内油气热安全事故为工程背景,综合可压缩流场控制方程、k-ε湍流模型、粒子动力学模型与相变传热模型,构建了描述受限空间内雾化射流降温与加湿作用的数值分析模型。借助Fluent流体动力学仿真软件,以1 600 mm×200 mm二维狭长受限空间中不同工况的雾化射流为算例,对雾化射流降温与加湿过程进行了数值模拟,并探讨了雾化射流流量与粒径的不同对上述作用的影响。所得结果为进一步探究雾化射流降温与加湿行为,推进雾化射流在热安全防护领域的工程应用提供借鉴和参考。     

瓦斯爆炸波自激励效应的实验研究

基于爆炸波的发展机理在气体爆炸防护技术研究中的重要性,通过实验对密闭通道中瓦斯爆炸波的传播特征及规律进行了研究。结果表明,瓦斯爆炸传播过程中,压力波对火焰波既有促进作用又有抑制作用,不同阶段的主导作用不同;而火焰波对压力波也会产生影响,不但会加强压力波的超压和振幅,而且会使压力波上升段压缩、下降段拉伸,最终可能发展为爆震波,对巷道内的建筑、设备造成极大的破坏。     

管道端部无约束条件下油气爆燃的数值模拟

基于具有多种控制机理的油气爆燃理论,建立了RNG k-ε湍流模型和有限速率/涡耗散化学反应速率模型直接耦合的油气爆燃二步反应模型,模拟了管道端部无约束条件下体积分数为1.4%的油气爆燃,通过对比实验研究了油气超压-时间特性以及火焰传播特性。结果表明:在一端开口的管道中油气超压-时间变化规律呈现出典型的Helmholtz振荡,超压出现多峰值现象,原因可能是Helmholtz振荡、Ray-leith-Taylor不稳定性和斜压效应共同作用的结果。对实验和数值模拟的超压-时间曲线和火焰形态进行对比,验证了本文数值模拟模型具有较高的精确度。     

狭长受限空间火灾临界可燃距离实验研究

油料洞库的安全一直是各级主管部门非常关心的问题。狭长受限空间是地下建筑及地下油料洞库的关键结构,针对狭长受限空间发生火灾能否持续燃烧问题,在公称直径分别为50mm、100mm、150mm和250mm的模拟狭长受限空间上,以柴油作为燃烧工质,置于尺寸、形状各异的3种油盘中,进行了系统实验研究与分析,证实了狭长受限空间临界可燃距离的存在,并在此基础上,提出了计算方法,得出一些有益的结论,对研究油料洞库消防新技术有一定的价值。     

Mitigation effects on the reflected overpressure of blast shock with water surrounding an explosive in a confined space

The mitigation of blast shock with water has broad application prospects. Understanding the mitigation effects on the reflected overpressure of the explosion shock with water surrounding an explosive in a confined space is of great significance for military explosives safety applications. To estimate the effects of the parameters on the reflected overpressure of blasted shock wave, a series of experiments were carried out in confined containers with spherical explosives immersed in a certain thickness of water, and numerical simulations were conducted to explore the corresponding mechanisms. The results reveal that the reflected overpressure is abnormally aggravated at a small scaled distance. This aggravation is due to the high impulse of the bulk accelerated water shell converted from the explosion. With increasing scaled distance, the energy will be gradually dissipated. The mitigation effects will appear with the dispersed water phase front impacting at a larger scaled distance, except in the case of a dense water phase state. A critical scaled distance range of 0.7—0.8 m/kg1/3 for effective mitigation was found. It is suggested that the scaled distance of space walls should be larger than the critical value for a certain water-to-explosive weight ratio range (5—20).     

Numerical investigation of the shockwave overpressure fields of multi-sources FAE explosions

Shockwaves from fuel-air explosive (FAE) cloud explosions may cause significant casualties. The ground overpressure field is usually used to evaluate the damage range of explosion shockwaves. In this paper, a finite element model of multi-sources FAE explosion is established to simulate the process of multiple shockwaves propagation and interaction. The model is verified with the experimental data of a fourfold-source FAE explosion, with the total fuel mass of 340 kg. Simulation results show that the overpressure fields of multi-sources FAE explosions are different from that of the single-source. In the case of multi-sources, the overpressure fields are influenced significantly by source scattering distance and source number. Subsequently, damage ranges of overpressure under three different levels are calculated. Within a suitable source scattering distance, the damage range of multi-sources situation is greater than that of the single-source, under the same amount of total fuel mass. This research provides a basis for personnel shockwave protection from multi-sources FAE explosion.     

Effect of particle gradation of aluminum on the explosion field pressure and temperature of RDX-based explosives in vacuum and air atmosphere

To optimize the energy output and improve the energy utilization efficiency of an aluminized explosive, an explosion device was developed and used to investigate the detonation pressure and temperature of R1 (Al6) aluminum powder and the aluminum powder particle gradation of R2 (Al6+Al13), R3 (Al6+Al24) and R4 (Al6+Al flake) in a confined space. By using gas chromatography, quantitative analysis and calculations were carried out to analyze the gaseous detonation products. Finally, the reaction ratios of the aluminum powder and the explosion reaction equations were calculated. The results show that in a confined space, the quasi-static pressures and equilibrium temperature of the aluminum powder in air are higher than in vacuum. In vacuum, the quasi-static pressures and equilibrium temperatures of the samples in descending order are R1>R3>R4>R2 and R3>R4>R1>R2, respectively. In air, the quasi-static pressures and equilibrium temperatures of the samples in descending order are R1>R2>R4>R3 and R1>R4>R2>R3, respectively. R4 (Al6+Al flake) and R3 (Al6+Al24) have relatively higher temperatures after detonation, which shows that the particle gradation method can enhance the reaction energy output of aluminum during the initial reaction stage of the explosion and increase the reaction ratio by 10.6% and 8.0%, respectively. In air, the reaction ratio of Al6 aluminum powder can reach as high as 78.16%, and the reaction ratio is slightly reduced after particle gradation. Finally, the reaction equations of the explosives in vacuum and in air were calculated by quantitative analysis of the explosion products, which provides a powerful basis for the study of RDX-based explosive reactions.     

基于超细冷气溶胶的油气爆炸抑爆剂研究

为了有效抑制油气爆炸传播,根据抑制爆炸的特殊需要,研究了冷气溶胶抑爆剂新配方,解决了超细冷气溶胶易于团聚这一技术难题。首先采用超音速气流粉碎新技术成功研制了超细冷气溶胶抑爆剂,平均粒度小于5μm。其次通过表面复合改性显著提高了超细粉体的稳定性和分散性,表面改性剂用量的临界质量分数为0.5%。参数测试和灭火实验表明新型冷气溶胶对火焰有强抑制、强窒息作用和对热辐射的遮隔、冷却作用,具有较强的油气抑爆灭火效能;中/小型油料火的灭火时间小于1.6s,抑爆剂用量低于60g/m^3。     

封闭式爆炸容器小药量爆炸振动效应研究

为评估炸药在封闭容器内爆炸产生的振动效应对周围环境的影响,对封闭式爆炸容器小药量TNT炸药爆炸产生的爆炸振动效应进行了爆源邻近实地监测和测试。结果表明:小药量炸药爆炸引起的爆炸振动效应对距爆源100 m以外的普通砖结构民用住宅产生的速度强度远低于其临界峰值速度,不会对其结构产生明显影响。     

信号时序逻辑约束下基于终点回溯的高效规划

在信号时序逻辑约束下规划路径是一项具有挑战性的任务,其计算量非常高。提出了一种终点回溯的规划方法,它是一种适用于连续时间系统的抽象化方法。该规划方法分为离线构建阶段和在线规划阶段。离线构建阶段在Transducer理论的指导下,从能够完成任务的合理的终点构造一棵快速随机搜索树,向初始状态空间进行回溯。当采样点足够多时,在线规划阶段使用模型预测控制将机器人驱动到快速随机搜索树的叶子节点。通过所提出的规划方法,避免了环境的有限转移系统与信号时序逻辑对应的自动机乘积引起的状态空间爆炸问题。所提出的方法将在线路径规划所需时间降低到1s以下,充分说明了本方法的有效性。与混合整数线性规划以及贝叶斯优化方法相比较,所提出的终点回溯规划方法在线求解效率更优,且更加易于扩展至多机器人协同工作场景。