兵工学报 ›› 2023, Vol. 44 ›› Issue (12): 3743-3754.doi: 10.12382/bgxb.2023.0244
所属专题: 爆炸冲击与先进防护
收稿日期:
2023-03-23
上线日期:
2023-12-30
通讯作者:
基金资助:
HAN Ruoyu1,*(), YUAN Wei1, LI Chen2, CAO Yuchen1, BAI Jie1
Received:
2023-03-23
Online:
2023-12-30
摘要:
高功率电脉冲驱动水中纤细导体电爆炸伴随冲击波、等离子体和光辐射等物理效应,在水下爆炸实验室模拟和非常规油气绿色开发中应用价值显著。受限于电流集肤效应和电气绝缘,增大放电储能和负载质量并不能无限制地增加冲击波强度。为探索电爆炸复合铝粉悬浮液爆燃对冲击波的增强机制,采用铜丝电爆炸引燃粒径10μm和1μm的铝粉悬浮液,通过对瞬态电物理参数和高速图像的联合诊断,获取金属丝电爆炸引燃铝粉悬浮液的时空演化细节,研究液电击穿和电爆炸机制下铝粉悬浮液放电特性和点火机制,建立放电参数和冲击波特性之间的关联性。实验结果表明,铝粉悬浮液的电爆炸点火过程受到近场冲击波和等离子体光辐射联合作用,随后持续燃烧的铝粉向周围被压缩的水介质注入能量,从而增强了主冲击波的幅值、正压作用时间和总冲量。
中图分类号:
韩若愚, 袁伟, 李琛, 曹雨晨, 白洁. 电爆炸引燃铝粉悬浮液物理特性和冲击波行为研究[J]. 兵工学报, 2023, 44(12): 3743-3754.
HAN Ruoyu, YUAN Wei, LI Chen, CAO Yuchen, BAI Jie. Study on Physical Characteristics and Shock Wave Behavior of Aluminum Powder Suspension Ignited by Electrical Wire Explosion[J]. Acta Armamentarii, 2023, 44(12): 3743-3754.
介质 | 电压峰值/kV | 首次电流峰值/kA | 二次电流峰值/kA | 电阻峰值/Ω | 功率峰值/MW | 总沉积能量/J |
---|---|---|---|---|---|---|
纯水 | 25.9 | 11.5 | 11.2 | 2.7 | 255 | 259 |
10μm铝粉悬浮液 | 20.1 | 11.3 | 8.8 | 2.1 | 203 | 292 |
1μm铝粉悬浮液 | 25.4 | 11.2 | 11.3 | 2.8 | 239 | 271 |
表1 放电参数结果统计
Table 1 Statistics of discharge parameters
介质 | 电压峰值/kV | 首次电流峰值/kA | 二次电流峰值/kA | 电阻峰值/Ω | 功率峰值/MW | 总沉积能量/J |
---|---|---|---|---|---|---|
纯水 | 25.9 | 11.5 | 11.2 | 2.7 | 255 | 259 |
10μm铝粉悬浮液 | 20.1 | 11.3 | 8.8 | 2.1 | 203 | 292 |
1μm铝粉悬浮液 | 25.4 | 11.2 | 11.3 | 2.8 | 239 | 271 |
图6 金属丝电爆炸(直径50μm)驱动铝粉悬浮液 (粒径10μm)的电参数和高速背光图像
Fig.6 Electrical parameters and high-speed backlight images of Al powder suspension (particle size of 10μm) driven by electrical wire explosion (diameter of 50μm)
图7 金属丝电爆炸(直径200μm)驱动铝粉悬浮液(粒径10μm)的高速背光图像
Fig.7 Typical high-speed backlight images of Al powder suspension (particle size of 10μm) driven by electrical wire explosion (diameter of 200μm)
图8 金属丝电爆炸(直径200μm)驱动铝粉悬浮液(粒径1μm)的高速背光图像
Fig.8 Typical high-speed backlight images of Al powder suspension (particle size of 1μm) driven by electrical wire explosion (diameter of 200μm)
有无铝粉 | 储能/J | 峰值/MPa | 冲量/(Pa·s) | 能量/J |
---|---|---|---|---|
无 | 500 | 2.54 | 11.58 | 15.84 |
有 | 150 | 2.29 | 8.27 | 9.92 |
有 | 250 | 3.65 | 13.30 | 31.51 |
有 | 500 | 4.84 | 24.56 | 59.12 |
有 | 750 | 5.35 | 31.49 | 92.28 |
表2 冲击波参数结果统计
Table 2 Statistics of shock wave parameters
有无铝粉 | 储能/J | 峰值/MPa | 冲量/(Pa·s) | 能量/J |
---|---|---|---|---|
无 | 500 | 2.54 | 11.58 | 15.84 |
有 | 150 | 2.29 | 8.27 | 9.92 |
有 | 250 | 3.65 | 13.30 | 31.51 |
有 | 500 | 4.84 | 24.56 | 59.12 |
有 | 750 | 5.35 | 31.49 | 92.28 |
[1] |
张永民, 姚伟博, 邱爱慈, 等. 金属丝电爆炸现象研究综述[J]. 高电压技术, 2019, 45(8): 2668-2680.
|
|
|
[2] |
doi: 10.1103/RevModPhys.91.025002 URL |
[3] |
黄显宾, 徐强, 王昆仑, 等. 基于箍缩装置的高能量密度物理实验研究进展[J]. 强激光与粒子束, 2021, 33(1):61-76.
|
|
|
[4] |
doi: 10.1016/j.dt.2019.07.003 URL |
[5] |
赵彦, 曾庆轩, 梁琦. 电爆炸桥箔电导率模型研究[J]. 兵工学报, 2008, 29(8):902-906.
|
|
|
[6] |
Л.П.奥尔连科. 爆炸物理学[M]. 孙承纬, 译. 北京: 科学出版社, 2011.
|
|
|
[7] |
刘彦, 吴艳青, 黄风雷, 等. 爆炸物理学基础[M]. 北京: 北京理工大学出版社, 2019.
|
|
|
[8] |
张永民, 安世岗, 陈殿赋, 等. 可控冲击波增透保德煤矿8#煤层的先导性试验[J]. 煤矿安全, 2019, 50(10): 14-17.
|
|
|
[9] |
王树山, 贾曦雨, 高源, 等. 水下爆炸动力学的起源,发展与展望[J]. 水下无人系统学报, 2023, 31(1): 10-29.
|
|
|
[10] |
doi: 10.1109/TPS.2015.2513757 URL |
[11] |
韩若愚, 李柳霞, 钱盾, 等. 液体中金属丝电爆炸的研究现状与展望[J]. 高电压技术, 2021, 47(3): 766-777.
|
|
|
[12] |
doi: 10.1063/1.3243233 URL |
[13] |
张永民, 邱爱慈, 周海滨, 等. 面向化石能源开发的电爆炸冲击波技术研究进展[J]. 高电压技术, 2016, 42(4):1009-1017.
|
|
|
[14] |
姚伟博, 杨海亮, 徐海斌, 等. 超长金属丝电爆炸等离子体的轴向光辐射均匀性[J]. 高电压技术, 2022, 48(12): 5102-5109.
|
|
|
[15] |
doi: 10.1109/TPS.2015.2468064 URL |
[16] |
doi: 10.1109/TPS.2015.2469593 URL |
[17] |
doi: 10.1109/TPS.2015.2477357 URL |
[18] |
doi: 10.1063/1.5094921 URL |
[19] |
|
[20] |
doi: 10.1063/1.5027145 URL |
[21] |
|
[22] |
doi: 10.1063/1.4897658 URL |
[23] |
续晗, 罗永晨, 倪晓冬, 等. 铝粉燃料连续旋转爆轰发动机工作特性[J]. 兵工学报, 2022, 43(5):1046-1053.
doi: 10.12382/bgxb.2022.0002 |
doi: 10.12382/bgxb.2022.0002 |
|
[24] |
方伟, 赵省向, 张奇, 等. 含微/纳米铝粉燃料空气炸药爆炸特性[J]. 含能材料, 2021, 29(10):971-976.
|
|
|
[25] |
doi: 10.1007/s00193-012-0361-3 URL |
[26] |
陈显河. 铝/水燃烧水下动力系统及其燃烧组织技术研究[D]. 长沙: 国防科学技术大学, 2018.
|
|
|
[27] |
袁伟, 韩若愚, 李琛, 等. 水中金属丝爆引燃铝粉悬浮液冲击波增强效应[J]. 强激光与粒子束, 2022, 34(7):118-123.
|
|
|
[28] |
doi: 10.1063/1.2712938 URL |
[29] |
doi: 10.1063/1.2395603 URL |
[30] |
|
[31] |
doi: 10.1063/5.0058991 URL |
[32] |
吴宁, 张琪, 曲占庆. 固体颗粒在液体中沉降速度的计算方法评述[J]. 石油钻采工艺, 2000, 22(2): 51-53.
|
|
|
[33] |
doi: 10.1063/1.5140829 URL |
[34] |
李鑫, 赵凤起, 郝海霞, 等. 不同类型微/纳米铝粉点火燃烧特性研究[J]. 兵工学报, 2014, 35(5):640-647.
doi: 10.3969/j.issn.1000-1093.2014.05.010 |
|
|
[35] |
doi: 10.1109/TUFFC.2021.3054588 URL |
[36] |
李金忠, 张乔根, 李原, 等. 直流电压下油纸绝缘杂质小桥的形成过程[J]. 高电压技术, 2016, 42(12): 3901-3908.
|
|
|
[37] |
王虹富, 白帆, 刘彦, 等. 爆炸冲击波作用下黑索今基含铝炸药的冲击点火反应速率模型[J]. 兵工学报, 2021, 42(2): 327-339.
doi: 10.3969/j.issn.1000-1093.2021.02.011 |
|
|
[38] |
荣吉利, 赵自通, 冯志伟, 等. 黑索今基含铝炸药水下爆炸性能的实验研究[J]. 兵工学报, 2019, 40(11): 2177-2183.
doi: 10.3969/j.issn.1000-1093.2019.11.001 |
doi: 10.3969/j.issn.1000-1093.2019.11.001 |
|
[39] |
doi: 10.1063/1.5049904 URL |
[40] |
doi: 10.1002/prep.v43.4 URL |
[41] |
doi: 10.1063/1.4989790 URL |
[42] |
doi: 10.1063/1.5092321 URL |
[1] | 田丰,苗龙,梁福文,宋家辉,何梓豪,武志文,王宁飞. 空心阴极羽流等离子体放电不稳定性二维仿真模型[J]. 兵工学报, 2024, 45(4): 1208-1218. |
[2] | 张玉磊, 陈华, 袁建飞, 姬建荣, 冯晓军, 刘彦. 爆炸冲击波超压非均匀分布特性及最优测点数量[J]. 兵工学报, 2024, 45(3): 744-753. |
[3] | 周猛, 梁民族, 林玉亮. 冲击波-破片联合载荷对固支方板的耦合作用机理[J]. 兵工学报, 2023, 44(S1): 99-106. |
[4] | 吴张君, 王雪明, 余雯君, 邓树新, 陈建宇, 晋冬艳, 于冰冰. Z型扩散室内爆炸冲击波传播规律[J]. 兵工学报, 2023, 44(S1): 160-169. |
[5] | 余雯君, 陈胜云, 邓树新, 于冰冰, 晋冬艳. 爆炸冲击波在变向通道中传播规律数值模拟[J]. 兵工学报, 2023, 44(S1): 180-188. |
[6] | 高铁锁, 江涛, 傅杨奥骁, 丁明松, 刘庆宗, 董维中, 许勇, 李鹏. 不同尺度飞行器周围等离子体分布及电磁波传输效应[J]. 兵工学报, 2023, 44(6): 1809-1819. |
[7] | 梁晓扬, 陆辰昱, 乐贵高. 发射箱后盖构型对箱内初始冲击波形成的影响[J]. 兵工学报, 2023, 44(5): 1277-1287. |
[8] | 毛保全, 赵其进, 白向华, 王之千, 朱锐, 陈春林. 火炮身管延寿技术研究现状与展望[J]. 兵工学报, 2023, 44(3): 638-654. |
[9] | 徐瑞泽, 肖建光, 马俊杨, 安德隆, 谢志渊, 王岩鑫. 活性破片高速撞击产生等离子体的毁伤效应[J]. 兵工学报, 2023, 44(12): 3733-3742. |
[10] | 周岳兰, 裴鲁, 龙仁荣, 张庆明, 刘博文, 任健康. 激波管内压力脉冲演化特性及模拟空爆冲击波的方法研究[J]. 兵工学报, 2023, 44(12): 3815-3825. |
[11] | 许迎亮, 刘彦, 闫俊伯, 白帆, 于浩, 李旭, 王虹富. 双装药同步爆炸钢筋混凝土梁毁伤效应[J]. 兵工学报, 2023, 44(12): 3719-3732. |
[12] | 杜亮亮, 钱伟新, 刘寿先, 赵宇, 李生福, 翟召辉, 畅里华, 朱瑜, 翁继东, 吴建, 李俊, 朱礼国. 冲击波与爆轰实验瞬态光电测试技术研究进展[J]. 兵工学报, 2023, 44(12): 3622-3640. |
[13] | 王昊, 徐斌, 王舒, 徐永杰, 吴浩. 盒型芯层波纹板的抗爆炸冲击防护性能[J]. 兵工学报, 2023, 44(12): 3687-3695. |
[14] | 郑监, 毛致远, 张代鑫, 胡宏伟, 宋浦. 不同间距两点空中爆炸威力场特性数值模拟研究[J]. 兵工学报, 2023, 44(12): 3590-3600. |
[15] | 潘腾, 卞晓兵, 袁名正, 王亮亮, 黄元, 黄广炎, 张宏. 爆炸冲击波作用下聚氨酯-半球夹芯结构的动态响应[J]. 兵工学报, 2023, 44(12): 3580-3589. |
阅读次数 | ||||||
全文 |
|
|||||
摘要 |
|
|||||