一种用于对流燃烧对燃烧转爆轰影响的实验装置及方法

摘要

本发明涉及一种用于对流燃烧对燃烧转爆轰影响的实验装置及方法，包括点火头、点火药、始端端盖、燃烧转爆轰管、酚醛树脂套管、含能材料的实验样品、冲孔网管、测速探针、压力传感器、应变片和末端端盖；燃烧转爆轰管的始端和末端分别与始端端盖和末端端盖相连；酚醛树脂套管位于燃烧转爆轰管内且与燃烧转爆轰管间隙配合；冲孔网管通过末端端盖上的台阶孔安装在末端端盖上，用于形成对流燃烧并控制对流燃烧强度；酚醛树脂套管内放入实验样品且所述实验样品内可置入冲孔网管；压力传感器和测速探针分别通过位于燃烧转爆轰管和酚醛树脂套管上的测压孔和测速孔插入实验样品内；应变片设置在燃烧转爆轰管两相邻测压孔之间。

说明书

技术领域

本发明涉及一种燃烧转爆轰实验装置及方法，用于对流燃烧对燃烧转爆轰影响的实验，属于评价含能材料安全性技术领域。

背景技术

含能材料的燃烧转爆轰难易程度是评价含能材料安全性的重要指标，对含能材料的生产使用与贮存、安全性分析、相应安全措施的设置等尤为重要。对于具有一定孔隙度的含能材料，其燃烧转爆轰过程包括点火具面燃烧、传导燃烧、对流燃烧、压缩燃烧、冲击波形成、冲击波作用下的压缩燃烧、爆轰形成，文献“Burning to Detonation Transition in Porous Beds of a High-energy Propellant”(Combustion and Flame,1979,48(3):219-231)、“An Experimental and Theoretical Study of Deflagration-To-Detonation Transition(DDT)in the Granular Explosive,CP”(Combustion and Flame,1986,65(1):15-30.)、“Onset of Convective Burning in Picric Acid”(Combustion Explosion&Shock Waves,1995,31(1):23-29)和专著“Shock Wave Science and Technology Reference Library,Vol.5”(Springer Berlin Heidelberg,2009,507-529)指出，对流燃烧是燃烧转爆轰过程中的一部分，并对是否发生燃烧转爆轰起到关键作用。因此，建立科学的对流燃烧对燃烧转爆轰影响的实验装置和定量评价方法，对于确保含能材料燃烧转爆轰分情形的利用与预防具有重要意义。

中华人民共和国国家标准GB14372-1993《危险货物运输爆炸品分级试验方法和判据》中介绍了燃烧转爆轰测试器材、试验方法、结果评定方法和判据。中国专利CN103675194A报道了一种燃烧转爆轰测试装置及方法，实验装置包括样品管、验证板、堵头、测试孔等，与传统燃烧转爆轰管相比具有操作简单、数据可靠的特点。CN104634192A报道了一种用于测定发射药燃烧转爆轰性能的试验装置，其燃烧转爆轰管为透明材料且套筒侧壁上设有观测狭缝，可通过高速摄影仪测量燃烧转爆轰过程，并减少了测试结果。文献“JOB-9003炸药燃烧转爆轰现象研究”(火炸药学报，2002，25(1):54-56)、“含ACP改性双基推进剂的燃烧转爆轰实验研究”(火炸药学报，2007，20(2):17)、“密度对压装B炸药燃烧转爆轰性能的影响”、“Effect of Temperature,Density and Confinement onDeflagration to Detonation Transition of an HMX-based Explosive”(Propellants Explosives Pyrotechnics,2014,39:563-567)中报道了类似的燃烧转爆轰模拟试验装置，包括45#钢燃烧转爆轰管、螺帽、点火头、电离探针、压力传感器等，通过点火头引燃装在DDT管内的具有一定装填密度的含能材料，结合电离探针和压力传感器与测量孔位置信息，测定燃烧波速和冲击波压力，并对含能材料燃烧转爆轰机理和影响因素进行研究。文献“Deflagration to Detonation in Granular HMX”(9^th>

上述这些装置虽然在研究燃烧转爆轰机理及影响因素等方面各有长处，但是不能进行对流燃烧对燃烧转爆轰机理影响的模拟实验和定量评价。随着对含能材料燃烧转爆轰机理理解的深入，原有装置不能用于定量评价对流燃烧对燃烧转爆轰过程的影响和作用，不能对燃烧转爆轰机理和过程进行更深入地研究。

发明内容

本发明技术解决问题：针对现有技术存在的缺点和不足，提供一种用于对流燃烧对燃烧转爆轰影响的实验装置及方法，能够定量评价对流燃烧对燃烧转爆轰过程的影响和作用，可用于分析燃烧转爆轰过程所产生的燃烧波、压缩波以及由压缩波传播合并形成冲击波的变化规律，并能分析燃烧波与压缩波或冲击波间的位置变化关系；同时此实验装置更利于对流燃烧的产生，利于燃烧转爆轰过程的研究与分析，通过改变插入的冲孔网管的直径和数量，能够达到控制形成的对流燃烧强度的目的，进而研究对流燃烧对燃烧转爆轰的影响。加入的酚醛树脂管套管能够起到保温隔热作用，降低外界的干扰，利于得到更为精确的实验数据。

为了解决上述问题本发明技术解决方案：本发明提供能够定量评价对流燃烧对燃烧转爆轰影响与作用的实验装置，并能监测含能材料燃烧转爆轰过程中燃烧波、压缩波以及由压缩波传播合并形成冲击波的变化规律，且能监测燃烧波与压缩波或冲击波间的位置变化关系。通过相同条件下设置不同直径、数量的冲孔网管进行燃烧转爆轰实验，判断对流燃烧对各种含能材料燃烧转爆轰的影响与作用。通过在燃烧转爆轰管上设置测速探针、应变片、压力传感器监测燃烧转爆轰过程中燃烧波、压缩波或冲击波的变化规律及位置变化关系。

本发明的一种用于对流燃烧对燃烧转爆轰影响的实验装置，包括点火头、点火药、始端端盖、燃烧转爆轰管、酚醛树脂套管、含能材料的实验样品、冲孔网管、测速探针、压力传感器、应变片和末端端盖；燃烧转爆轰管的始端和末端分别与始端端盖和末端端盖相连；酚醛树脂套管位于燃烧转爆轰管内且与燃烧转爆轰管间隙配合；冲孔网管通过末端端盖上的台阶孔安装在末端端盖上，用于形成对流燃烧并控制对流燃烧强度；酚醛树脂套管内放入实验样品且所述实验样品内可置入冲孔网管；压力传感器和测速探针分别通过位于燃烧转爆轰管和酚醛树脂套管内的测压孔和测速孔插入实验样品内；应变片设置在燃烧转爆轰管两测压孔之间；点火头与点火药接触，点火药与实验样品接触，点火头和点火药用于点燃实验样品；始端端盖和末端端盖用于封闭燃烧转爆轰管提供轴向约束；燃烧转爆轰管提供径向约束；酚醛树脂套管作用是隔热保温且利于实验样品装填；含能材料为发生燃烧转爆轰的实验样品；测速探针用于测量燃烧转爆轰过程速度；压力传感器用于测量燃烧转爆轰过程压力；应变片用于测量燃烧转爆轰过程燃烧转爆轰管的应变；点火头放于点火药中，然后整体放入燃烧转爆轰管中与始端端盖和实验样品接触。

所述燃烧转爆轰管为钢管，外径为40mm～60mm，内径为10mm～20mm，长度为320mm～620mm；上述参数范围选择可为含能材料燃烧转爆轰研究提供性能更好的燃烧转爆轰管。

应变片、压力传感器与测速探针在同一轴向位置，径向夹角为180°；燃烧转爆轰管两端有长20mm的螺纹，用于连接始端端盖和末端端盖。

所述酚醛树脂套管的外径为10mm～20mm，酚醛树脂套管外径与燃烧转爆轰管内径H7/g6间隙配合，酚醛树脂套管壁厚为0.1mm～1mm，长度为25mm～50mm。酚醛树脂套管与燃烧转爆轰管尺寸满足间隙配合要求，一方面便于实验样品药柱的装填，另一方面消除实验样品药柱与燃烧转爆轰管的接触间隙。根据实验样品药柱尺寸和便于实验测量、结果准确的原则，选择上述参数及范围。

所述测速孔直径为0.5mm～2mm，从燃烧转爆轰管始端20mm～50mm设置第一个测速孔，然后每间隔20mm～50mm设置剩余测速孔；所述测压孔用于安装压力传感器，长为7mm～9mm，宽0.5mm～1.5mm，从燃烧转爆轰管末端20mm～100mm设置第一个测压孔，然后每间隔50mm～100mm设置测压孔，可根据实验需要布置2～10个测压孔或测速孔。上述测速孔及测压孔的布置及孔径大小应在满足测试要求的前提下尽可能降低开孔的大小，以减少对燃烧转爆轰管约束强度的影响，利于获得燃烧转爆轰过程的速度值及压力值。

所述应变片为电阻式应变片，设置在燃烧转爆轰管两测压孔之间，长度小于两测压孔间距。

所述始端端盖和末端端盖的边长均为100mm～120mm、厚度均为40mm的长方体，分别用于封堵燃烧转爆轰管的始端和末端。始端端盖中心位置带有台阶通孔，台阶通孔包括用于把点火头引线引出的中心台阶通孔和用于连接燃烧转爆轰管的、带内螺纹的螺纹孔，中心台阶通孔直径为1.5mm～3mm，螺纹孔直径与燃烧转爆轰管外径相同。末端端盖带有台阶孔，同时在末端端盖中心轴向位置有带内螺纹的螺纹孔，螺纹孔直径与燃烧转爆轰管外径相同，末端端盖中心轴向位置设有1个台阶孔，或距中心轴向的酚醛树脂套管的1/4内径位置(如图1b)对称设置2～8个台阶孔，用于安装冲孔网管，台阶孔直径范围为3mm～7mm。始端端盖和末端端盖边长范围足够封堵燃烧转爆轰管两端，同时又不致过大而导致实验装置笨重；两端盖的厚度一方面用于封堵燃烧转爆轰管，另一方面提供轴向约束；冲孔网管的数量和直径范围可保证燃烧转爆轰过程中所形成的对流燃烧强度处于合适的范围内，不至于由于数量、直径的原因而观察不到燃烧转爆轰现象；

所述冲孔网管为1个或多个；所述冲孔网管采用外径为3mm～7mm的钢质材料且与末端端盖台阶孔间隙配合，厚度为0.5mm～2mm，长500mm～580mm，管壁孔直径范围为2mm～3mm，孔间距范围为1mm～2mm。

所述冲孔网管是截面为圆形、方形、矩形、多边形；所述冲孔网管上有多个管壁孔，管壁孔为圆形孔或多边形孔，所述多边形孔为方孔、矩形长条孔或菱形孔。

所述实验样品有两种形式，一种是在酚醛树脂套管中压装形成的具有多孔隙结构的药柱，药柱形状为圆柱体；另一种是直接装填到酚醛树脂套管中的散装药粒，形状为球形、长条形或方形，且散装药粒的粒径应大于冲孔网管上管壁孔的直径；两种形式的实验样品装填密度均为理论密度的50％～90％。

本发明的实验方法及原理过程为：当实验样品发生燃烧时产生高温高压气体，高温高压气体通过冲孔网管上的管壁孔进入冲孔网管内，并向末端方向传播，向末端方向传播的高温高压气体又通过冲孔网管上的管壁孔进入未燃实验样品内部，预热未燃实验样品，另外，在冲孔网管内高温高压气体作用下，燃烧区域的火焰通过冲孔网管上的管壁孔进入冲孔网管内并向末端方向传播，再通过冲孔网管上的管壁孔点燃未燃实验样品形成对流燃烧；当实验样品发生燃烧时，产生的冲击波对未燃实验样品有压缩作用，冲孔网管对挤压的实验样品提供径向支撑力，防止挤压破碎的实验样品堵塞冲孔网管。在现有燃烧转爆轰实验装置的基础上加入冲孔网管形成用于研究对流燃烧对燃烧转爆轰影响的实验装置；加入酚醛树脂套起到保温隔热作用，以得到更为精确的实验数据；由测速探针、应变片及压力传感器得到的测试结果可用于分析燃烧转爆轰过程所产生的燃烧波、压缩波及由压缩波传播合并形成冲击波的变化规律，并能分析燃烧波与压缩波或冲击波间的位置变化关系。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

(1)本发明的实验装置适用于装填密度为理论装填密度50％～90％的具有多孔隙结构的实验样品以及药粒粒径大于冲孔网管管壁直径的散装药粒的燃烧转爆轰实验，特别适用于多孔隙含能材料燃烧转爆轰的机理研究。

(2)本发明在实验样品内置入的冲孔网管具有两个重要作用：当实验样品发生燃烧时产生高温高压气体，高温高压气体通过冲孔网管上的管壁孔进入冲孔网管内，并向末端方向传播，向末端方向传播的高温高压气体又通过冲孔网管上的管壁孔进入未燃实验样品内部预热未燃实验样品，另外，在冲孔网管内高温高压气体作用下，燃烧区域的火焰通过冲孔网管上的管壁孔进入冲孔网管内并向末端方向传播，再通过冲孔网管上的管壁孔点燃未燃实验样品进行并形成对流燃烧；当实验样品发生燃烧时，产生的冲击波对未燃实验样品有压缩作用，冲孔网管对挤压的实验样品提供径向支撑力，防止挤压破碎的实验样品堵塞冲孔网管。

(3)与传统的燃烧转爆轰实验装置和方法相比，本发明把多个应变片和多个压力传感器结合使用，能够较为准确地追踪燃烧转爆轰过程中产生的压缩波、冲击波在燃烧转爆轰管内传播的时间、位置和大小变化；应变片的使用可减少测压孔及压力传感器的数量，避免过多压力传感器对燃烧转爆轰测试产生的影响。

(4)与传统的燃烧转爆轰实验装置和方法相比，本发明把应变片、压力传感器与测速探针在同一轴向位置，径向夹角为180°，同一轴向位置的压力传感器和测速探针能够在不同时间分别测得冲击波和燃烧波传播信号，进而获得燃烧转爆轰过程中冲击波与燃烧波之间的速度、位置和两者间距等的变化关系。

附图说明

图1a是该实验装置结构的主视图；

图1b是该实验装置的侧视图；

图2是本发明中燃烧转爆轰管结构示意图；

图3a是本发明始端端盖结构的主视图；

图3b是本发明始端端盖结构的右视图；

图4a是所述末端端盖结构的主视图；

图4b是所述末端端盖结构的左视图；

图5是冲孔网管结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明。

实施例1：

如图1a、图1b、图2、图3a、图3b、图4a、图4b和图5所示，该本发明实施例为一种用于测定对流燃烧对燃烧转爆轰影响的实验装置，包括点火头1、点火药2、始端端盖3、燃烧转爆轰管4、酚醛树脂套管5、实验样品6、冲孔网管7、测速探针8、压力传感器9、应变片10和末端端盖11；冲孔网管7通过末端端盖11上的台阶孔11-2与末端端盖11连接；末端端盖11上的螺纹孔11-1带有内螺纹，通过内螺纹与燃烧转爆轰管4末端进行连接；在酚醛树脂套管5中压装形成的带有与冲孔网管7外径相同孔的实验样品6通过燃烧转爆轰管4始端装入到燃烧转爆轰管4中，酚醛树脂套管5与燃烧转爆轰管4为H7/g6(间隙配合的一种公差等级)间隙配合；酚醛树脂套管5上的测压孔、测速孔分别与燃烧转爆轰管4上的测压孔4-1、测速孔4-2在同一径向位置上，压力传感器9通过测压孔4-1、酚醛树脂套管5上的测压孔插入到实验样品6内2mm～5mm或实验样品6中的轴线位置，应变片贴在燃烧转爆轰管4外壁的两测压孔之间，测速探针8通过测速孔4-2、酚醛树脂套管5上的测速孔插入到实验样品6内2mm～5mm或实验样品6中轴线位置，紧接着再依次把酚醛树脂套管5及其实验样品6以及压力传感器9、测速探针8装入到燃烧转爆轰管4中，酚醛树脂套管之间紧密接触；燃烧转爆轰管4始端处预留20mm高的空间放置点火药2和点火头1，点火头1位于点火药2中央，点火药2与实验样品6端面接触，点火头1的引线通过始端端盖3上的中心台阶通孔3-1引出，始端端盖3通过螺纹孔3-2连接到燃烧转爆轰管4始端。

所述螺纹连接处、中心台阶通孔3-1、压孔4-1以及测速孔4-2剩余空间用高温粘胶进行密封，如耐1300℃～1700℃高温的密封胶水等。

本发明实施例中所述冲孔网管7的个数为4个，对流燃烧强度可通过改变冲孔网管的数量进行调节。

所述实验样品6是在酚醛树脂套管5内压装形成的圆柱形药柱，所述冲孔网管7是截面为圆形冲孔网管，也可以是方形、矩形和多边形冲孔网管。

如图5所示，冲孔网管7上的管壁孔7-1为圆形孔，也可以是其他形状的孔，如方孔、矩形长条孔、菱形孔等多边形孔。

如图1a、图1b、图2、图3a、图3b、图4a、图4b和图5所示，本发明的使用方法和工作原理：外部起爆装置触发点火头1，并引燃点火药2，由于点火药2与含能材料的实验样品6接触且点火药2燃烧温度高于含能材料的实验样品6的点火温度，实验样品6被点燃，实验样品6在燃烧转爆轰管4中发生燃烧反应，释放的高温高压气体(通常温度在几百至几千摄氏度之间，即500℃～2000℃，压力在几个兆帕到几百个兆帕之间，即1MPa～200MPa。如煤炭燃烧产物的温度在800℃～1000℃，产生的气体压力在1MPa～3MPa；奥克托金燃烧产物的温度在1600℃～1800℃，产生的气体压力在4MPa～7MPa)高压高温气体不能从始端端盖3、末端端盖11和燃烧转爆轰管4中排出，即会导致温度、压力升高，压力的上升导致燃烧速度不断加快，高温高压气体通过实验样品6内的孔隙渗入到未燃实验样品6内部，对未燃实验样品6进行预热，同时一部分高温高压气体通过冲孔网管7上的管壁孔7-1进入冲孔网管7内，并向燃烧转爆轰管末端方向传播的高温高压气体再通过冲孔网管7上的管壁孔7-1进入未燃实验样品6，由于实验样品6内部存在有孔隙，因此从管壁孔7-1出来的高温高压气体通过实验样品6中的孔隙进入实验样品6内部，对未燃实验样品6进行预热作用，另外，在冲孔网管7内高温高压气体作用下，燃烧产生的火焰通过冲孔网管7上的管壁孔7-1进入冲孔网管7内并向燃烧转爆轰管末端方向传播，再通过冲孔网管7上的管壁孔7-1点燃未燃实验样品6而形成对流燃烧；燃烧形成的压缩波在未燃实验样品6中传播，压缩波汇合形成的冲击波诱发爆轰；压缩波、冲击波压力通过压力传感器测得，由于压缩波、冲击波的传播导致燃烧转爆轰管4发生形变，因此通过贴于燃烧转爆轰管4上的应变片10可测得压缩波、冲击波在传播过程中的位置-时间变化关系，燃烧波波速通过两相邻测速探针间的时间差获得，燃烧波波速计算公式如下：

其中v₁-燃烧波波速；ΔS₁-相邻测速探针之间间距；Δt₁-相邻测速探针间的时间差。

压缩波或冲击波波速计算公式如下：

其中v₂-压缩波或冲击波波速；ΔS₂-相邻压力传感器之间间距；Δt₂-相邻压力传感器间的时间差。

在距离始端端盖相同位置的测速探针和压力传感器分别测得燃烧波和压缩波或冲击波的时间信号t₁、t₂，该位置的燃烧波速、压缩波或冲击波速度为v₁、v₂，则燃烧波与压缩波或冲击波之间的距离x由下式计算：

x＝v₁t₁-v₂t₂

根据x的大小和正负关系分析判断燃烧波与压缩波或冲击波的位置关系，若x为正，说明燃烧转爆轰过程中，压缩波或冲击波在实验样品6中传播，燃烧波在压缩波或冲击波指向始端端盖方向的位置；若x为负，说明压缩波或冲击波在实验样品6已燃烧区域中传播，燃烧波在压缩波或冲击波指向末端端盖方向的位置；若x为0，则燃烧波与压缩波或冲击波已合并；x的绝对值大小意味着燃烧波与压缩波或冲击波的间距，x越大，两波之间的间距越大，反之亦然。

实施例2：

末端端盖11通过螺纹孔11-1与燃烧转爆轰管4末端进行连接；末端端盖11中心轴线上有1个台阶孔11-2，把冲孔网管7通过末端端盖11上的台阶孔11-2安装在末端端盖11上；把酚醛树脂套管5安装到燃烧转爆轰管4中，把散装颗粒的实验样品6自由装填到酚醛树脂套管5中；燃烧转爆轰管4始端处预留20mm高的空间放置点火头1和点火药2，点火头1位于点火药2中央，点火药2与实验样品6端面接触，点火头1的引线通过始端端盖3上的中心台阶通孔3-1引出，始端端盖3通过螺纹孔3-2连接到燃烧转爆轰管4始端；压力传感器9通过测压孔4-1、酚醛树脂套管5上的测压孔插入到实验样品6内2mm～5mm或实验样品6中的轴线位置，应变片贴在燃烧转爆轰管4外壁的两测压孔之间，用于测量实验样品6燃烧时燃烧波信号；测速探针8通过测速孔4-2、酚醛树脂套管5上的测速孔插入到实验样品6内2mm～5mm或实验样品6中的轴线位置；用于测量冲孔网管7内部分火焰的燃烧波信号的测速探针8通过测速孔4-2、酚醛树脂套管5上的测速孔、实验样品6以及冲孔网管7上的管壁孔7-1插入到冲孔网管7内部，用于测量冲孔网管7内燃烧波信号的测速探针与用于测量实验样品6中燃烧波信号的测速探针间隔5mm～30mm，该范围可保证有效测量到冲孔网管7内燃烧波的信号。

本发明实施例中所述实验样品6为球形、长条形、方形的散装药粒，但药粒平均粒径须大于冲孔网管7上的管壁孔7-1的直径；

螺纹连接处、中心台阶通孔3-1、测压孔4-1以及测速孔4-2的剩余空间采用耐高温密封胶水进行密封。

提供以上实施例仅仅为了描述本发明的目的，而并非要限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求限定。不脱离本发明的精神和原理而做出的各种等同替换和修改，均应涵盖在本发明的范围之内。