2024年 44卷 第5期
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2024, 44(5): 051001.
doi: 10.11883/bzycj-2023-0349
摘要:
为探索极限条件下矩形管道截面长宽比对于螺旋爆轰传播的影响，采用基于五阶WENO有限差分格式和两步总包反应模型的Euler方程，对三维气相螺旋爆轰波在矩形截面管道中的结构及其传播方式进行了数值研究。通过模拟不同管道截面尺寸下爆轰波的三波线运动轨迹、流场分布及高压印记结构，揭示了截面几何尺寸对气相临界爆轰波稳定传播的影响规律。结果表明：螺旋爆轰能在一定范围的小管道截面尺寸内通过横、竖两条三波线及其相互作用形成的斜三波线的运动来维持传播；随着管道截面尺寸长宽比的增加，螺旋爆轰在壁面上形成的高压印记逐渐由倾斜的条带结构变成局部点状分布结构，波阵面上的斜三波线的轨迹也由方管中沿着单一方向的圆周运动逐渐发展为具有转向机制的复杂运动轨迹；当长宽比进一步增加时，三维螺旋爆轰存在向二维结构的单头爆轰结构退化的趋势。
为探索极限条件下矩形管道截面长宽比对于螺旋爆轰传播的影响，采用基于五阶WENO有限差分格式和两步总包反应模型的Euler方程，对三维气相螺旋爆轰波在矩形截面管道中的结构及其传播方式进行了数值研究。通过模拟不同管道截面尺寸下爆轰波的三波线运动轨迹、流场分布及高压印记结构，揭示了截面几何尺寸对气相临界爆轰波稳定传播的影响规律。结果表明：螺旋爆轰能在一定范围的小管道截面尺寸内通过横、竖两条三波线及其相互作用形成的斜三波线的运动来维持传播；随着管道截面尺寸长宽比的增加，螺旋爆轰在壁面上形成的高压印记逐渐由倾斜的条带结构变成局部点状分布结构，波阵面上的斜三波线的轨迹也由方管中沿着单一方向的圆周运动逐渐发展为具有转向机制的复杂运动轨迹；当长宽比进一步增加时，三维螺旋爆轰存在向二维结构的单头爆轰结构退化的趋势。
2024, 44(5): 051101.
doi: 10.11883/bzycj-2023-0328
摘要:
工程实际中，飞机油箱、船舶液舱、油液储罐等各类蓄液结构可能面临炸药爆炸冲击波、弹丸侵彻等冲击载荷的威胁。在冲击载荷作用下，蓄液结构的动响应受载荷特性、结构形式、充液方式等多种因素影响，相应的结构防护机理涉及多相介质的流固耦合、波在不同介质中的传播、液体介质的空化、结构动态力学特性等多个科学问题。针对冲击载荷下蓄液结构的动响应及防护机理，总结了工程领域中典型的蓄液结构形式，分析了各类蓄液结构在爆炸冲击波、弹体侵彻及其联合作用等载荷下的结构动响应过程、结构破坏模式、载荷耗散过程、能量转化与吸收过程，总结了蓄液结构的冲击动响应特性，归纳了蓄液结构对各类冲击载荷的防护机理，从结构构型、结构动响应、理论研究方法、抗冲击防护技术等方面对蓄液结构抗冲击防护研究进行了展望。
工程实际中，飞机油箱、船舶液舱、油液储罐等各类蓄液结构可能面临炸药爆炸冲击波、弹丸侵彻等冲击载荷的威胁。在冲击载荷作用下，蓄液结构的动响应受载荷特性、结构形式、充液方式等多种因素影响，相应的结构防护机理涉及多相介质的流固耦合、波在不同介质中的传播、液体介质的空化、结构动态力学特性等多个科学问题。针对冲击载荷下蓄液结构的动响应及防护机理，总结了工程领域中典型的蓄液结构形式，分析了各类蓄液结构在爆炸冲击波、弹体侵彻及其联合作用等载荷下的结构动响应过程、结构破坏模式、载荷耗散过程、能量转化与吸收过程，总结了蓄液结构的冲击动响应特性，归纳了蓄液结构对各类冲击载荷的防护机理，从结构构型、结构动响应、理论研究方法、抗冲击防护技术等方面对蓄液结构抗冲击防护研究进行了展望。
2024, 44(5): 051201.
doi: 10.11883/bzycj-2023-0218
摘要:
冲击波在靶板自由面反射导致靶板材料内部产生动态拉伸层裂损伤是材料的典型损伤破坏形式之一，材料的初始微结构、冲击加载的强度和应变率、温度等因素直接影响材料内部的损伤演化过程。靶板自由面速度曲线变化间接反映材料内部损伤的演化过程，在层裂损伤物理模型研究方面，目前采用适宜的层裂损伤模型较好地模拟不同冲击加载波形下靶板自由面速度曲线的相关文献很少，主要借助实验手段探讨加载波形与自由面速度曲线变化以及层裂损伤演化过程之间的关联。对于孔洞增长层裂损伤模型，通过解析加载应变率与层裂强度以及损伤模型初始损伤参数之间的相互关系，给出了模型初始损伤参数的计算方法，有效地将损伤模型初始损伤参数与加载应变率关联在一起。该计算方法不仅可以较好地模拟方波、三角波以及泰勒波冲击加载铝材料层裂实验的自由面速度曲线，同时，计算得到的层裂强度和层裂片厚度也与实验结果符合。此外，还进一步分析了靶板内部不同位置的初始损伤、层裂强度的分布与应变率之间的关联，以及其对自由面速度曲线的影响。
冲击波在靶板自由面反射导致靶板材料内部产生动态拉伸层裂损伤是材料的典型损伤破坏形式之一，材料的初始微结构、冲击加载的强度和应变率、温度等因素直接影响材料内部的损伤演化过程。靶板自由面速度曲线变化间接反映材料内部损伤的演化过程，在层裂损伤物理模型研究方面，目前采用适宜的层裂损伤模型较好地模拟不同冲击加载波形下靶板自由面速度曲线的相关文献很少，主要借助实验手段探讨加载波形与自由面速度曲线变化以及层裂损伤演化过程之间的关联。对于孔洞增长层裂损伤模型，通过解析加载应变率与层裂强度以及损伤模型初始损伤参数之间的相互关系，给出了模型初始损伤参数的计算方法，有效地将损伤模型初始损伤参数与加载应变率关联在一起。该计算方法不仅可以较好地模拟方波、三角波以及泰勒波冲击加载铝材料层裂实验的自由面速度曲线，同时，计算得到的层裂强度和层裂片厚度也与实验结果符合。此外，还进一步分析了靶板内部不同位置的初始损伤、层裂强度的分布与应变率之间的关联，以及其对自由面速度曲线的影响。
2024, 44(5): 052101.
doi: 10.11883/bzycj-2023-0220
摘要:
为研究入口当量比的不均匀分布对旋转爆震燃烧室性能的影响，建立了当量比在入口环缝的径向或周向的函数模型，将模型公式代入组分质量分数与当量比的关系式，得到组分质量分数在径向或周向的分布函数。通过Fluent软件中的自定义函数工具，构造入口边界组分的分布函数，利用三维瞬态欧拉方程模拟了C10H22/air旋转爆震燃烧室中爆震波的传播过程及流场特性，对比了不同当量比分布下爆震波及旋转爆震燃烧室性能参数的变化特征。结果表明：入口当量比的不均匀分布会影响爆震波的传播特性；当量比为0.4~1.6且沿径向非均匀分布时，随着入口面中线位置当量比的增大，爆震波的高度减小；当量比为0.4~1.6且沿周向非均匀分布时，随着变化周期数的增加，爆震波的高度几乎不受影响；当量比的不均匀分布会削弱旋转爆震燃烧室的增压效果和温升效果，沿径向不均匀分布的情况相较于沿周向不均匀分布的情况，影响更明显；旋转爆震燃烧室内，爆震波的诱导和反应区并非严格位于前导激波的正后方，而是位于前导激波的斜后方，且在曲率的影响下，在靠近燃烧室外壁面的区域，前导激波沿中径圆柱面的圆周线传播。
为研究入口当量比的不均匀分布对旋转爆震燃烧室性能的影响，建立了当量比在入口环缝的径向或周向的函数模型，将模型公式代入组分质量分数与当量比的关系式，得到组分质量分数在径向或周向的分布函数。通过Fluent软件中的自定义函数工具，构造入口边界组分的分布函数，利用三维瞬态欧拉方程模拟了C10H22/air旋转爆震燃烧室中爆震波的传播过程及流场特性，对比了不同当量比分布下爆震波及旋转爆震燃烧室性能参数的变化特征。结果表明：入口当量比的不均匀分布会影响爆震波的传播特性；当量比为0.4~1.6且沿径向非均匀分布时，随着入口面中线位置当量比的增大，爆震波的高度减小；当量比为0.4~1.6且沿周向非均匀分布时，随着变化周期数的增加，爆震波的高度几乎不受影响；当量比的不均匀分布会削弱旋转爆震燃烧室的增压效果和温升效果，沿径向不均匀分布的情况相较于沿周向不均匀分布的情况，影响更明显；旋转爆震燃烧室内，爆震波的诱导和反应区并非严格位于前导激波的正后方，而是位于前导激波的斜后方，且在曲率的影响下，在靠近燃烧室外壁面的区域，前导激波沿中径圆柱面的圆周线传播。
2024, 44(5): 052201.
doi: 10.11883/bzycj-2023-0094
摘要:
基于高压气体驱动的爆炸波模拟激波管，一般采用驱动段、喉部、膨胀段的结构形式，可产生特征与爆炸波接近的模拟冲击波，是实验室中开展长正压作用时间爆炸毁伤效应研究的理想平台。通过调整激波管的变截面结构和驱动段形状，实现冲击波超压衰减历程的控制，是此类爆炸波模拟激波管设计面临的核心问题之一。基于实验室现有的爆炸波模拟激波管结构，建立了激波管内一维流动数值计算模型；参考统计学理论，提出了基于决定系数的激波管模拟冲击波与标准爆炸波相似度评价方法；进而以变截面激波管的流动特性为基础，研究了驱动段形状对冲击波衰减历程的影响机理。研究结果表明：采用距离喉部越远、截面直径越小的驱动段形状，以决定系数为量化标准、优化驱动段形状，控制稀疏波、压缩波在激波管内的运动过程，可以获得接近于爆炸波指数衰减特征的模拟冲击波。
基于高压气体驱动的爆炸波模拟激波管，一般采用驱动段、喉部、膨胀段的结构形式，可产生特征与爆炸波接近的模拟冲击波，是实验室中开展长正压作用时间爆炸毁伤效应研究的理想平台。通过调整激波管的变截面结构和驱动段形状，实现冲击波超压衰减历程的控制，是此类爆炸波模拟激波管设计面临的核心问题之一。基于实验室现有的爆炸波模拟激波管结构，建立了激波管内一维流动数值计算模型；参考统计学理论，提出了基于决定系数的激波管模拟冲击波与标准爆炸波相似度评价方法；进而以变截面激波管的流动特性为基础，研究了驱动段形状对冲击波衰减历程的影响机理。研究结果表明：采用距离喉部越远、截面直径越小的驱动段形状，以决定系数为量化标准、优化驱动段形状，控制稀疏波、压缩波在激波管内的运动过程，可以获得接近于爆炸波指数衰减特征的模拟冲击波。
2024, 44(5): 052901.
doi: 10.11883/bzycj-2023-0259
摘要:
针对传统单轨火箭橇系统零部件附加质量过高的问题，提出了一种由发动机和滑靴组成的箭橇一体化结构，采用三维欧拉-伯努利梁单元对火箭橇系统进行离散，对滑靴位置做寻优计算，发现中滑靴处于前后滑靴的中间位置时，系统振动量最小，位置分布最优。设计了3种滑靴与发动机壳体连接的方案：(1) 滑靴通过锯齿形焊缝与发动机壳体包覆连接，(2) 发动机壳体直接堆放在滑靴靴体上，(3) 滑靴通过支撑板过渡件与发动机壳体连接。采用橇-轨耦合动力学方法计算方案2和方案3的在轨安全性，方案3的火箭橇系统力学环境更优，其系统附加质量比传统单轨橇降低了73%。最后，开展了箭橇一体化验证试验，验证了箭橇一体化设计方案的合理性。
针对传统单轨火箭橇系统零部件附加质量过高的问题，提出了一种由发动机和滑靴组成的箭橇一体化结构，采用三维欧拉-伯努利梁单元对火箭橇系统进行离散，对滑靴位置做寻优计算，发现中滑靴处于前后滑靴的中间位置时，系统振动量最小，位置分布最优。设计了3种滑靴与发动机壳体连接的方案：(1) 滑靴通过锯齿形焊缝与发动机壳体包覆连接，(2) 发动机壳体直接堆放在滑靴靴体上，(3) 滑靴通过支撑板过渡件与发动机壳体连接。采用橇-轨耦合动力学方法计算方案2和方案3的在轨安全性，方案3的火箭橇系统力学环境更优，其系统附加质量比传统单轨橇降低了73%。最后，开展了箭橇一体化验证试验，验证了箭橇一体化设计方案的合理性。
2024, 44(5): 053101.
doi: 10.11883/bzycj-2023-0228
摘要:
利用分离式霍普金森压杆对TC11钛合金平板帽形试样进行动态加载，基于高频红外点阵测温技术捕捉了剪切区温升随加载时间变化的历程，结合热传导理论分析和动态剪切数值模拟，分析了动态剪切过程中剪切区温升随时间和空间的分布规律。研究结果表明，在动态剪切加载下，TC11钛合金表现出脆性的变形行为，剪切区最高温升为430 ℃，且在实验所覆盖的加载速率范围内，加载速率对动态剪切温升影响不明显；显著的温升主要集中在剪切区中心附近100 μm量级区域内，温升区具有高度局部化的特征，且剪切区维持较高温度所持续的时间在10 μs量级。理论研究和数值模拟发现，动态加载下剪切区内最高温度可达751 ℃，剪切区温度时空分布规律与实验结果保持一致。实验和数值模拟结果均显示，剪切区最高温升发生在材料断裂时刻，表明剪切区显著温升应来源于剪切变形造成的应变高度集中发展。
利用分离式霍普金森压杆对TC11钛合金平板帽形试样进行动态加载，基于高频红外点阵测温技术捕捉了剪切区温升随加载时间变化的历程，结合热传导理论分析和动态剪切数值模拟，分析了动态剪切过程中剪切区温升随时间和空间的分布规律。研究结果表明，在动态剪切加载下，TC11钛合金表现出脆性的变形行为，剪切区最高温升为430 ℃，且在实验所覆盖的加载速率范围内，加载速率对动态剪切温升影响不明显；显著的温升主要集中在剪切区中心附近100 μm量级区域内，温升区具有高度局部化的特征，且剪切区维持较高温度所持续的时间在10 μs量级。理论研究和数值模拟发现，动态加载下剪切区内最高温度可达751 ℃，剪切区温度时空分布规律与实验结果保持一致。实验和数值模拟结果均显示，剪切区最高温升发生在材料断裂时刻，表明剪切区显著温升应来源于剪切变形造成的应变高度集中发展。
2024, 44(5): 053102.
doi: 10.11883/bzycj-2023-0257
摘要:
为获得高应变率下不同初始相变温度NiTi合金的屈服应力等基本物理特性和力学响应规律，采用10−3 s−1应变率下准静态压缩与拉伸、105 s−1应变率下准等熵压缩及107 s−1应变率下冲击加载实现跨量级的不同应变率加载，高应变率加载实验中通过控制样品初始温度实现不同初始相态NiTi合金的力学响应测量。结果显示，初始马氏体相和初始奥氏体相NiTi合金的准静态加载应力-应变曲线中均出现2次模量变化，初始马氏体相中的模量变化由晶体重定向和马氏体相塑性变形引起，初始奥氏体相中的模量变化由马氏体相变和相变后塑性变形引起。准等熵加载下，初始马氏体相NiTi合金的Lagrangian声速随粒子速度增大而增大，未观察到间断等非线性变化；而初始奥氏体相中声速曲线存在间断，声速由初始横波值间断减小至体波声速后再随粒子速度线性增大。冲击实验中，初始马氏体相NiTi合金后自由面速度约34 m/s处出现双波结构，而将样品初始温度升至402 K后再冲击加载，则在约100 m/s处出现双波结构，二者速度曲线拐点分别由马氏体相弹塑性屈服和奥氏体相塑性屈服引起；在初始奥氏体相NiTi合金冲击实验中，在样品后自由面速度达到220~260 m/s时才出现显著的奥氏体相弹塑性转变。随着应变率从约105 s−1升高至107 s−1，相同组分奥氏体相NiTi合金的弹性极限由约2 GPa增大至约4 GPa，107 s−1应变率下，随着初始样品温度升至402 K，弹性极限降至1.7 GPa，表明NiTi合金的弹性极限存在显著的温度和应变率效应。
为获得高应变率下不同初始相变温度NiTi合金的屈服应力等基本物理特性和力学响应规律，采用10−3 s−1应变率下准静态压缩与拉伸、105 s−1应变率下准等熵压缩及107 s−1应变率下冲击加载实现跨量级的不同应变率加载，高应变率加载实验中通过控制样品初始温度实现不同初始相态NiTi合金的力学响应测量。结果显示，初始马氏体相和初始奥氏体相NiTi合金的准静态加载应力-应变曲线中均出现2次模量变化，初始马氏体相中的模量变化由晶体重定向和马氏体相塑性变形引起，初始奥氏体相中的模量变化由马氏体相变和相变后塑性变形引起。准等熵加载下，初始马氏体相NiTi合金的Lagrangian声速随粒子速度增大而增大，未观察到间断等非线性变化；而初始奥氏体相中声速曲线存在间断，声速由初始横波值间断减小至体波声速后再随粒子速度线性增大。冲击实验中，初始马氏体相NiTi合金后自由面速度约34 m/s处出现双波结构，而将样品初始温度升至402 K后再冲击加载，则在约100 m/s处出现双波结构，二者速度曲线拐点分别由马氏体相弹塑性屈服和奥氏体相塑性屈服引起；在初始奥氏体相NiTi合金冲击实验中，在样品后自由面速度达到220~260 m/s时才出现显著的奥氏体相弹塑性转变。随着应变率从约105 s−1升高至107 s−1，相同组分奥氏体相NiTi合金的弹性极限由约2 GPa增大至约4 GPa，107 s−1应变率下，随着初始样品温度升至402 K，弹性极限降至1.7 GPa，表明NiTi合金的弹性极限存在显著的温度和应变率效应。
2024, 44(5): 053201.
doi: 10.11883/bzycj-2023-0241
摘要:
为研究质量参数对空爆荷载梁构件振动位移的影响，以等效单自由度法为基本方法，理论推导了柔性及刚性2类梁构件含质量参数在弹性、塑性各阶段的振动位移解，选择矩形截面、圆截面为梁构件典型截面，设计并计算了质量参数在1.00~1.20范围内的13种典型工况。结果表明：对于空爆荷载柔性及刚性2类梁构件，增大其截面面积后，仅考虑质量参数计算振动位移时误差较大，应按质量参数及产生的附加刚度参数耦合效应分析；对于矩形截面梁构件，采用质量参数与刚度参数耦合计算时，其最大弹性位移、最大弹塑性位移和残余变形降低幅度分别约为仅采用质量参数计算结果的4.75、3.28和2.96倍；对于圆截面梁构件，则分别为3.57、2.56和2.32倍；该结论在柔性梁构件及刚性梁构件均适用且无明显差异。
为研究质量参数对空爆荷载梁构件振动位移的影响，以等效单自由度法为基本方法，理论推导了柔性及刚性2类梁构件含质量参数在弹性、塑性各阶段的振动位移解，选择矩形截面、圆截面为梁构件典型截面，设计并计算了质量参数在1.00~1.20范围内的13种典型工况。结果表明：对于空爆荷载柔性及刚性2类梁构件，增大其截面面积后，仅考虑质量参数计算振动位移时误差较大，应按质量参数及产生的附加刚度参数耦合效应分析；对于矩形截面梁构件，采用质量参数与刚度参数耦合计算时，其最大弹性位移、最大弹塑性位移和残余变形降低幅度分别约为仅采用质量参数计算结果的4.75、3.28和2.96倍；对于圆截面梁构件，则分别为3.57、2.56和2.32倍；该结论在柔性梁构件及刚性梁构件均适用且无明显差异。
2024, 44(5): 053202.
doi: 10.11883/bzycj-2023-0255
摘要:
为了研究隧道结构在水中爆炸冲击下的荷载分布和动力响应，设计并制作了1/10缩尺隧道模型，进行了3次水下爆炸试验，对隧道模型的压力、冲量和位移进行了研究。研究结果表明：冲击波在浅水区会产生明显的水面截断效应，该效应会使近水面的冲量减小；自由场冲击波峰值压力的试验值与理论值吻合良好，误差在20%以内；圆形截面隧道迎爆面峰值压力为自由场峰值压力的1.626~1.716倍，顶面峰值压力为自由场峰值压力的54.3%~65.2%，背爆面峰值压力为自由场峰值压力的25.5%~31.3%；水中爆炸作用下的冲量时程曲线呈明显的阶梯状，每一次的气泡脉动都伴随着相应的冲量增加；水下爆炸会引起隧道结构产生振动，其振动过程可分为结构急速变形、结构大幅振动和结构颤振3个阶段，隧道结构的最大位移发生在结构大幅振动阶段。
为了研究隧道结构在水中爆炸冲击下的荷载分布和动力响应，设计并制作了1/10缩尺隧道模型，进行了3次水下爆炸试验，对隧道模型的压力、冲量和位移进行了研究。研究结果表明：冲击波在浅水区会产生明显的水面截断效应，该效应会使近水面的冲量减小；自由场冲击波峰值压力的试验值与理论值吻合良好，误差在20%以内；圆形截面隧道迎爆面峰值压力为自由场峰值压力的1.626~1.716倍，顶面峰值压力为自由场峰值压力的54.3%~65.2%，背爆面峰值压力为自由场峰值压力的25.5%~31.3%；水中爆炸作用下的冲量时程曲线呈明显的阶梯状，每一次的气泡脉动都伴随着相应的冲量增加；水下爆炸会引起隧道结构产生振动，其振动过程可分为结构急速变形、结构大幅振动和结构颤振3个阶段，隧道结构的最大位移发生在结构大幅振动阶段。
2024, 44(5): 054101.
doi: 10.11883/bzycj-2023-0187
摘要:
针对爆炸用激波管缺乏相应的经验公式和数值模拟时效性差的问题，同时为了快速得到激波管内的峰值压力，建立预测爆炸用激波管试验段峰值压力的四层反向传播（back propagation，BP）神经网络。采用数值模拟方法计算激波管试验段峰值压力，计算结果与激波管爆炸试验结果进行对比，平均相对误差为2.69%。证明激波管数值模型的准确性后，将数值模拟得到的195组激波管测得的峰值压力作为输出层，激波管驱动段TNT的药量、药柱的长径比以及爆炸比例距离作为神经网络的输入层。为了加快神经网络迭代速度和提高预测精度，使用自适应矩估计（adaptive moment estimation，ADAM）算法作为神经网络误差梯度下降的优化算法。结果表明，训练好的神经网络得到的预测结果与模拟值基本吻合，预测结果与数值模拟结果的平均相对误差为3.26%。BP神经网络模型能够反映激波管爆炸的峰值压力与影响因素之间的映射关系，采用BP 神经网络模型计算时比数值模拟节约了大量运算时间。
针对爆炸用激波管缺乏相应的经验公式和数值模拟时效性差的问题，同时为了快速得到激波管内的峰值压力，建立预测爆炸用激波管试验段峰值压力的四层反向传播（back propagation，BP）神经网络。采用数值模拟方法计算激波管试验段峰值压力，计算结果与激波管爆炸试验结果进行对比，平均相对误差为2.69%。证明激波管数值模型的准确性后，将数值模拟得到的195组激波管测得的峰值压力作为输出层，激波管驱动段TNT的药量、药柱的长径比以及爆炸比例距离作为神经网络的输入层。为了加快神经网络迭代速度和提高预测精度，使用自适应矩估计（adaptive moment estimation，ADAM）算法作为神经网络误差梯度下降的优化算法。结果表明，训练好的神经网络得到的预测结果与模拟值基本吻合，预测结果与数值模拟结果的平均相对误差为3.26%。BP神经网络模型能够反映激波管爆炸的峰值压力与影响因素之间的映射关系，采用BP 神经网络模型计算时比数值模拟节约了大量运算时间。
2024, 44(5): 055201.
doi: 10.11883/bzycj-2023-0258
摘要:
为探究冻结岩体的冲击力学性能，并提出寒区爆破开挖工程中合理的爆破炸药单耗，针对寒区典型分布的砂岩，采用室内分离式霍普金森压杆试验与理论分析相结合的方法，开展了冻结砂岩冲击力学性能及爆破破岩能量耗散特性研究。结果表明：(1) 冻结状态砂岩的动态抗压强度和动态弹性模量相比常温状态整体有所提升，而应变峰值整体有所下降。对比静载与动载试验结果，相同物理参数下，砂岩的抗压强度差距不大，而动态弹性模量明显高于静态弹性模量。(2) 常温状态砂岩和冻结状态砂岩试件的耗散能量均随含水率的增大而逐渐减低，且冻结状态砂岩的耗散能量高于常温状态。相比常温状态，冻结砂岩在含水率为0、0.25ω、0.50ω、0.75ω、1.00ω时，其耗散能量增幅分别为21.6%、64.9%、80.3%、78.2%、83.3%。(3) 相同含水率下，冻结状态砂岩的炸药单耗均高于常温状态，在含水率为0、0.25ω、0.50ω、0.75ω、1.00ω时，冻结状态砂岩爆破炸药单耗相比常温状态分别增加20.4%、61.3%、60.0%、55.6%、66.7%。(4) 将常温与冻结状态砂岩爆破炸药单耗数值进行拟合，得到不同状态砂岩爆破破岩的单耗修正模型，可为寒区爆破工程提供参考。
为探究冻结岩体的冲击力学性能，并提出寒区爆破开挖工程中合理的爆破炸药单耗，针对寒区典型分布的砂岩，采用室内分离式霍普金森压杆试验与理论分析相结合的方法，开展了冻结砂岩冲击力学性能及爆破破岩能量耗散特性研究。结果表明：(1) 冻结状态砂岩的动态抗压强度和动态弹性模量相比常温状态整体有所提升，而应变峰值整体有所下降。对比静载与动载试验结果，相同物理参数下，砂岩的抗压强度差距不大，而动态弹性模量明显高于静态弹性模量。(2) 常温状态砂岩和冻结状态砂岩试件的耗散能量均随含水率的增大而逐渐减低，且冻结状态砂岩的耗散能量高于常温状态。相比常温状态，冻结砂岩在含水率为0、0.25ω、0.50ω、0.75ω、1.00ω时，其耗散能量增幅分别为21.6%、64.9%、80.3%、78.2%、83.3%。(3) 相同含水率下，冻结状态砂岩的炸药单耗均高于常温状态，在含水率为0、0.25ω、0.50ω、0.75ω、1.00ω时，冻结状态砂岩爆破炸药单耗相比常温状态分别增加20.4%、61.3%、60.0%、55.6%、66.7%。(4) 将常温与冻结状态砂岩爆破炸药单耗数值进行拟合，得到不同状态砂岩爆破破岩的单耗修正模型，可为寒区爆破工程提供参考。
2024, 44(5): 055401.
doi: 10.11883/bzycj-2023-0346
摘要:
为研究水雾对RDX粉尘爆炸的抑制作用，自主设计了可视化方管粉尘爆炸水雾抑制系统，选择了不同喷嘴类型、喷孔直径以及雾化压力等实验条件，以RDX粉尘爆炸火焰传播动态、爆炸压力以及爆炸温度等变化，判断不同条件下水雾对RDX粉尘爆炸特性的影响。结果表明：在同一雾化压力下，不同类型喷嘴喷出水雾对RDX粉尘爆炸抑制效果不同，离心喷嘴喷出水雾抑爆效果最好；随着雾化压力增大，水雾对RDX粉尘爆炸抑制作用增强；在实验选用的0.8、1.2、1.5、2.0、2.4 mm五种孔径离心喷嘴中，1.5 mm孔径离心喷嘴喷出水雾抑爆效果最佳，在雾化压力4 MPa下，RDX粉尘爆炸压力仅为0.1184 MPa，相比于无水雾时RDX粉尘爆炸压力0.4561 MPa，压力峰值降低了74.0%，爆炸温度为234 ℃，相比于无水雾时RDX粉尘爆炸温度774 ℃，温度峰值降低了69.8%。
为研究水雾对RDX粉尘爆炸的抑制作用，自主设计了可视化方管粉尘爆炸水雾抑制系统，选择了不同喷嘴类型、喷孔直径以及雾化压力等实验条件，以RDX粉尘爆炸火焰传播动态、爆炸压力以及爆炸温度等变化，判断不同条件下水雾对RDX粉尘爆炸特性的影响。结果表明：在同一雾化压力下，不同类型喷嘴喷出水雾对RDX粉尘爆炸抑制效果不同，离心喷嘴喷出水雾抑爆效果最好；随着雾化压力增大，水雾对RDX粉尘爆炸抑制作用增强；在实验选用的0.8、1.2、1.5、2.0、2.4 mm五种孔径离心喷嘴中，1.5 mm孔径离心喷嘴喷出水雾抑爆效果最佳，在雾化压力4 MPa下，RDX粉尘爆炸压力仅为0.1184 MPa，相比于无水雾时RDX粉尘爆炸压力0.4561 MPa，压力峰值降低了74.0%，爆炸温度为234 ℃，相比于无水雾时RDX粉尘爆炸温度774 ℃，温度峰值降低了69.8%。
2024, 44(5): 055402.
doi: 10.11883/bzycj-2023-0322
摘要:
针对传统单相抑爆介质效果不佳的问题，提出气固两相介质通过不同抑爆原理的协同作用，实现高效快速抑制瓦斯爆炸。研究使用NaHCO3粉体与CO2气体协同抑制瓦斯爆炸的方法，选用标准20 L球形爆炸测试装置，并通过密度泛函理论对甲烷爆炸微观反应机理中各反应物、过渡态、产物进行构型优化，在此基础上进行后续计算。结果表明：体积分数为16%的CO2和质量浓度为0.35 g/L的NaHCO3单相介质对瓦斯爆炸具有优良的抑制效果，但0.1 g/L粉体存在时会使最大升压速率提升17.9%；气固两相介质抑爆相较单相CO2、单相NaHCO3粉体使最大爆炸压力降低，采用体积分数为8%的CO2协同0.125 g/L粉体时，瓦斯爆炸最大爆炸压力降低72.42%，最大升压速率降至2.345 MPa/s，抑制效果达到最优；但当体积分数为4%的CO2协同0.05 g/L粉体时会使最大爆炸升压速率上升93.68%，反应呈现出一定的加剧现象；量子化学计算表明，在气固两相介质协同抑制瓦斯爆炸的过程中，NaHCO3粉体裂解会吸收反应体系中的热量，其分解产物会与混合体系中的OH·、H·优先反应，阻碍O·的产生，将链式过程抑制在CH2O阶段，进而抑制链式反应的传递过程；NaHCO3粉体分解产生的CO2与混合体系中的CO2稀释了混合体系中甲烷的体积分数，减少甲烷与氧气分子之间碰撞发生的概率，对反应进程起到有效抑制作用。
针对传统单相抑爆介质效果不佳的问题，提出气固两相介质通过不同抑爆原理的协同作用，实现高效快速抑制瓦斯爆炸。研究使用NaHCO3粉体与CO2气体协同抑制瓦斯爆炸的方法，选用标准20 L球形爆炸测试装置，并通过密度泛函理论对甲烷爆炸微观反应机理中各反应物、过渡态、产物进行构型优化，在此基础上进行后续计算。结果表明：体积分数为16%的CO2和质量浓度为0.35 g/L的NaHCO3单相介质对瓦斯爆炸具有优良的抑制效果，但0.1 g/L粉体存在时会使最大升压速率提升17.9%；气固两相介质抑爆相较单相CO2、单相NaHCO3粉体使最大爆炸压力降低，采用体积分数为8%的CO2协同0.125 g/L粉体时，瓦斯爆炸最大爆炸压力降低72.42%，最大升压速率降至2.345 MPa/s，抑制效果达到最优；但当体积分数为4%的CO2协同0.05 g/L粉体时会使最大爆炸升压速率上升93.68%，反应呈现出一定的加剧现象；量子化学计算表明，在气固两相介质协同抑制瓦斯爆炸的过程中，NaHCO3粉体裂解会吸收反应体系中的热量，其分解产物会与混合体系中的OH·、H·优先反应，阻碍O·的产生，将链式过程抑制在CH2O阶段，进而抑制链式反应的传递过程；NaHCO3粉体分解产生的CO2与混合体系中的CO2稀释了混合体系中甲烷的体积分数，减少甲烷与氧气分子之间碰撞发生的概率，对反应进程起到有效抑制作用。
