網(wǎng)狀聚氨酯泡沫爆轟試驗(yàn)及數(shù)值模擬

胡延棟，江 坤，賈 洪，林長(zhǎng)津

(1.南京理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，南京 210094；

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【化學(xué)工程與材料科學(xué)】

網(wǎng)狀聚氨酯泡沫爆轟試驗(yàn)及數(shù)值模擬

胡延棟1，江 坤1，賈 洪2，林長(zhǎng)津1

(1.南京理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，南京 210094；

2.哈爾濱市合眾聚氨酯制品有限公司，哈爾濱 150027)

針對(duì)網(wǎng)狀聚氨酯泡沫中氫氧爆轟力學(xué)響應(yīng)特性問(wèn)題，采用試驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，分析了密閉容器內(nèi)無(wú)填充材料、填充孔徑20PPI及40PPI網(wǎng)狀聚氨酯泡沫三種條件下的爆炸溫度及壓力值，闡述了網(wǎng)狀聚氨酯泡沫作為填充材料防火抑爆的機(jī)理。結(jié)果表明：多孔泡沫的孔結(jié)構(gòu)對(duì)可燃?xì)怏w爆轟波具有抑制作用，導(dǎo)致溫度和壓力明顯降低，且材料的孔徑越小，爆轟波受到的抑制作用越大；數(shù)值模擬與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，表明計(jì)算結(jié)果可靠。

網(wǎng)狀聚氨酯泡沫；氣相爆轟；防火抑爆

自20世紀(jì)60年代網(wǎng)狀聚氨酯泡沫研制成功以來(lái)，因其特殊的網(wǎng)狀孔結(jié)構(gòu)，被廣泛用作飛機(jī)、軍用車(chē)輛及船艦燃油箱的填充材料，它能有效地減少由于射彈、電火花、雷擊以及靜電等原因引起的燃油箱超壓爆炸,提高作戰(zhàn)生存力[1-2]。

網(wǎng)狀聚氨酯泡沫具有防火抑爆功能，其特性與材料孔徑密切相關(guān)。Hobson等[3]通過(guò)研究表明，當(dāng)網(wǎng)狀泡沫材料的孔數(shù)多于15PPI時(shí)，網(wǎng)狀泡沫材料具有優(yōu)異的防火抑爆性能；孔數(shù)越多，防火抑爆性能越強(qiáng)。魏春榮等[4]對(duì)不同參數(shù)的多孔材料衰減管道內(nèi)瓦斯爆炸火焰溫度效果進(jìn)行了試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)多孔材料的厚度、孔徑、相對(duì)密度是影響火焰溫度衰減效果的重要因素，同種材料中，厚度大，孔徑小，相對(duì)密度大的試件對(duì)火焰溫度衰減效果好。賈寶山等[5]利用Fluent軟件對(duì)管道內(nèi)甲烷-空氣爆炸進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了在管道內(nèi)壁面填充一定厚度的多孔材料降低了火焰?zhèn)鞑ニ俣?，抑制了壓力波的傳播?/p>

以往的研究主要針對(duì)受限空間內(nèi)遠(yuǎn)離點(diǎn)火源處填充網(wǎng)狀泡沫抑制爆轟波的作用，但一般多孔泡沫作為防火抑爆填充材料充滿整個(gè)容器，因此，作者基于混合氣體爆炸法制作網(wǎng)狀泡沫的工藝背景，建立了氫氧爆炸試驗(yàn)平臺(tái)，分析整個(gè)密閉容器內(nèi)填充網(wǎng)狀聚氨酯泡沫爆轟波的力學(xué)響應(yīng)特性，對(duì)防火抑爆的機(jī)理進(jìn)行了探討，在此基礎(chǔ)上分析孔徑對(duì)多孔材料中爆轟波影響，為爆炸防護(hù)應(yīng)用提供參考價(jià)值。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)裝置及方案

哈爾濱市合眾聚氨酯制品有限公司提供的整套試驗(yàn)平臺(tái)由長(zhǎng)250 cm，寬120 cm，高110 cm的帶密封裝置的長(zhǎng)方體設(shè)備本體、電火花發(fā)生器點(diǎn)火裝置、抽氣裝置、加氣裝置及排氣裝置等部分組成，系統(tǒng)整體效果圖如圖1。

圖1 系統(tǒng)整體效果圖

本測(cè)試任務(wù)的目的是測(cè)試點(diǎn)火后設(shè)備空間內(nèi)壓力隨時(shí)間變化情況。點(diǎn)火裝置安裝于側(cè)面板中間位置，參見(jiàn)圖2。在點(diǎn)火點(diǎn)附近(測(cè)試點(diǎn)0)和側(cè)面板中央部位(測(cè)試點(diǎn)1)兩處測(cè)壓，具體位置如圖2所示。共進(jìn)行三次試驗(yàn)，氫氣、氧氣以及氮?dú)饣旌媳染鶠?∶1∶0.5，試驗(yàn)1和試驗(yàn)2填充材料為單塊泡沫(20PPI)，每25 mm長(zhǎng)度上有20個(gè)孔，泡沫的體積大小與設(shè)備本體相當(dāng)，兩次試驗(yàn)起到對(duì)比驗(yàn)證作用；試驗(yàn)3填充材料為單塊泡沫(40PPI)，每25 mm長(zhǎng)度上有40個(gè)孔，其他試驗(yàn)條件均相同，試驗(yàn)參數(shù)如表1所示。

1.2 試驗(yàn)結(jié)果及其分析

1.2.1 測(cè)試結(jié)果

利用壓力傳感器測(cè)得3次試驗(yàn)爆炸過(guò)程中測(cè)試點(diǎn)0和1處壓力-時(shí)間曲線，如圖3、圖4和圖5所示。

圖2 測(cè)壓點(diǎn)布置圖

試驗(yàn)序號(hào)材料孔徑氣體比充氣壓力/MPa120PPI1∶1∶0．50．1220PPI1∶1∶0．50．1340PPI1∶1∶0．50．1

由圖3、圖4和圖5可知，測(cè)試點(diǎn)處的氣體介質(zhì)經(jīng)歷了典型爆轟波的突躍升至峰值壓力、緩慢降至終壓、余波振蕩3個(gè)階段。試驗(yàn)1和試驗(yàn)2中測(cè)試點(diǎn)0處靠近點(diǎn)火點(diǎn)，在點(diǎn)火開(kāi)始階段，氣體溫度和壓力較低，加上多孔泡沫的孔結(jié)構(gòu)引起的擾動(dòng)作用，導(dǎo)致測(cè)試點(diǎn)0處壓力發(fā)生多次突躍變化，而遠(yuǎn)離點(diǎn)火點(diǎn)的測(cè)試點(diǎn)1處發(fā)生突躍變化次數(shù)較少。試驗(yàn)3中爆轟波壓力明顯下降，兩處測(cè)試點(diǎn)壓力發(fā)生突躍變化次數(shù)都較少。

圖3 試驗(yàn)1各測(cè)壓點(diǎn)壓力-時(shí)間曲線

圖4 試驗(yàn)2各測(cè)壓點(diǎn)壓力-時(shí)間曲線

圖5 試驗(yàn)3各測(cè)壓點(diǎn)壓力-時(shí)間曲線

由于測(cè)試點(diǎn)0靠近點(diǎn)火點(diǎn)，爆炸產(chǎn)生的振蕩較大，且爆轟波傳播速度較快，會(huì)出現(xiàn)爆轟波波陣面的平均壓力低于周?chē)橘|(zhì)壓力，導(dǎo)致短暫的負(fù)壓。

表2為測(cè)試所得最大壓力值，試驗(yàn)1的最大壓力為1.021 MPa，試驗(yàn)2的最大壓力為1.09 MPa，試驗(yàn)3的最大壓力為0.657 MPa。試驗(yàn)1和試驗(yàn)2試驗(yàn)條件相同，所得結(jié)果相差不大，試驗(yàn)3材料改為孔徑40PPI的泡沫，測(cè)試點(diǎn)最大壓力值明顯降低，表明在相同條件下，大孔徑多孔泡沫中的爆炸壓力比小孔徑多孔泡沫中的爆炸壓力大。

表2 測(cè)試所得最大壓力值

1.2.2 機(jī)理分析

由網(wǎng)狀聚氨酯泡沫防火抑爆的機(jī)理，網(wǎng)狀聚氨酯泡沫孔結(jié)構(gòu)實(shí)際是一種三維的防火屏蔽，將點(diǎn)火限制在點(diǎn)火源附近極小范圍內(nèi)，阻止發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，點(diǎn)火源外的網(wǎng)狀泡沫對(duì)火焰前鋒和壓力波有抑制作用[6]。

爆轟波在多孔泡沫中傳播時(shí)，多孔結(jié)構(gòu)對(duì)爆轟波產(chǎn)生反射作用，并且吸收部分橫波和抑制駐波從而導(dǎo)致壓力衰減?？扇蓟旌蠚怏w在多孔泡沫材料中被分散，駐存于孔洞中，因此爆炸火焰鋒面不連續(xù)。在火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程中，參與化學(xué)反應(yīng)的自由基和通道壁面發(fā)生碰撞，導(dǎo)致部分自由基被摧毀，燃燒反應(yīng)減弱，壓力減小。

另外，孔徑越小，多孔結(jié)構(gòu)的機(jī)械干擾作用越強(qiáng)，自由基與通道壁面發(fā)生碰撞幾率越大，孔結(jié)構(gòu)的比表面積也越大，散熱越多，對(duì)爆轟波產(chǎn)生的抑制能力越強(qiáng)。

2 數(shù)值仿真

2.1 幾何模型及網(wǎng)格劃分

根據(jù)簡(jiǎn)化的試驗(yàn)系統(tǒng)(圖2)，利用Gambit建立簡(jiǎn)化的幾何模型并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖6所示。在數(shù)值模擬起始階段，為提高計(jì)算結(jié)果的精確度，對(duì)點(diǎn)火點(diǎn)附近網(wǎng)格進(jìn)行加密處理，如圖7所示。

圖6 網(wǎng)格劃分

圖7 網(wǎng)格加密

2.2 基本假設(shè)

為簡(jiǎn)化模型，提出以下基本假設(shè)：

1) 假設(shè)多孔材料均勻分散在氣體中，并且各向同性；

2) 爆炸反應(yīng)是快速化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，因此假設(shè)本體設(shè)備壁面絕熱，忽略外界熱損失；

3) 忽略重力的影響，忽略動(dòng)能和壓力功；

4) 預(yù)混氣體及生成氣體視為理想氣體；

5) 忽略氣相輻射，將壁面設(shè)為輻射灰體。

2.3 控制方程

根據(jù)以上假設(shè)建立物理模型。建立控制方程如下[7]：

1) 連續(xù)性方程：

再如，在《九月九日憶山東兄弟》一課教學(xué)中，詩(shī)詞中滲透著詩(shī)人王維濃厚的思親之情，小學(xué)語(yǔ)文教師應(yīng)抓住這一特點(diǎn)有針對(duì)性展開(kāi)親情教育，在激發(fā)學(xué)生對(duì)語(yǔ)文知識(shí)學(xué)習(xí)積極性的背景下，引導(dǎo)學(xué)生逐漸樹(shù)立正確的人生態(tài)度以及良好的語(yǔ)文素養(yǎng)，為培養(yǎng)小學(xué)生對(duì)傳統(tǒng)的情感基礎(chǔ)、高效進(jìn)行傳統(tǒng)文化素養(yǎng)的培養(yǎng)奠定基礎(chǔ)。

(1)

式中：ρ為氣體的密度;V為氣體速度矢量。

2) 動(dòng)量方程：

(2)

式中：τ為粘性應(yīng)力張量，多孔介質(zhì)模型是通過(guò)在動(dòng)量方程中添加源項(xiàng)模擬多孔材料在計(jì)算域中對(duì)流體流動(dòng)的阻力，由兩部分組成，即Darcy黏性阻力項(xiàng)及慣性損失項(xiàng)。

3) 氣相能量方程：

(3)

式中：Cg為氣體的比熱容，Tg為氣相的溫度，hi為第i種組分的摩爾生成焓，λi為氣體的導(dǎo)熱系數(shù)，hv氣體與固體的對(duì)流換熱系數(shù)，Ts為固體的溫度。

4) 固相能量方程：

(4)

式中：ρs為多孔介質(zhì)的密度；Cs為多孔介質(zhì)的比熱容；λeff=iλg+(1-ε)λs為多孔介質(zhì)的有效導(dǎo)熱系數(shù)，λs為固體導(dǎo)熱系數(shù)。

5) 組分守恒方程：

(5)

式中：Yi為第i中組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，Vi為第i種組分的擴(kuò)散速度，wi為第i中組分的體積生成率，Wi為第i種組分的分子量。

2.4 數(shù)學(xué)模型

1) 多孔介質(zhì)模型：

多孔介質(zhì)每個(gè)方向上的黏性阻力系數(shù)和慣性阻力系數(shù)[8]分別為：

(6)

式中：dp為平均孔直徑;φ為孔隙率;F為多孔結(jié)構(gòu)相關(guān)系數(shù)。

2) 反應(yīng)模型

作者通過(guò)Fluent引入氫氧燃燒的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理CHEMKIN程序，采用包含9種組分，21個(gè)反應(yīng)的復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)機(jī)理[9]。

2.5 邊界條件及初始條件

根據(jù)對(duì)爆炸過(guò)程的簡(jiǎn)化及假設(shè)，設(shè)置的邊界條件及初始條件如下：

1) 密閉壁面設(shè)定為絕熱固壁，溫度為300 K，無(wú)對(duì)流換熱；

2) 在數(shù)值模擬中通常是patch一個(gè)高溫區(qū)域?qū)崿F(xiàn)，由于將混合氣體設(shè)置為理想氣體，采用此方法會(huì)導(dǎo)致點(diǎn)火源處壓力和密度較低。因此通過(guò)設(shè)置一個(gè)能量項(xiàng)模擬電火花的點(diǎn)火方式。試驗(yàn)點(diǎn)火的電火花為18 kV，其1/4周期的有效放電能量為6 J[10]，因此能量項(xiàng)設(shè)置為6 J；

3) 計(jì)算區(qū)域初始?jí)毫υO(shè)置為0.1 MPa，初始溫度設(shè)置為300 K；

4) 氫氣、氧氣、氮?dú)饣旌蠚怏w體積比為1∶1∶0.5，各組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為：氫氣，0.042；氧氣，0.67；氮?dú)猓?.288。

5) 表3給出了不同多孔介質(zhì)的參數(shù)值。

表3 不同多孔介質(zhì)參數(shù)值

2.6 模擬結(jié)果及分析

針對(duì)可燃?xì)怏w在密閉容器內(nèi)無(wú)填充材料、填充孔徑20PPI及40PPI網(wǎng)狀聚氨酯泡沫爆炸過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬。

2.6.1 氣體爆轟波傳播規(guī)律

圖8、圖9和圖10為不同條件下各時(shí)刻在經(jīng)點(diǎn)火點(diǎn)水平切面上的爆轟波壓力分布圖，由圖可知，在開(kāi)始階段壓力波呈球形向四周傳播，中心壓力最高，接觸壁面后，靠近壁面處受到擾動(dòng)影響，并產(chǎn)生疊加效應(yīng)，壓力有所升高，隨后開(kāi)始呈半球形傳播。當(dāng)發(fā)展至一定程度后，中心區(qū)域高壓“塌陷”，爆轟波前鋒處壓力最高。傳播至右壁面后，緊靠壁面處壓力同樣有所上升，如圖10所示，3種不同條件下，壓力波傳播至右壁面處，緊靠壁面處壓力較高。

圖8 0.1 ms時(shí)在無(wú)填充和孔徑為20PPI和

圖9 0.3 ms時(shí)在無(wú)填充和孔徑為20PPI和

圖10 0.7 ms時(shí)在無(wú)填充和孔徑為20PPI和

對(duì)比3種條件下壓力波傳播過(guò)程，發(fā)現(xiàn)無(wú)填充材料時(shí)，壓力波傳播發(fā)展最快。在點(diǎn)火0.1 ms后，無(wú)填充材料和孔徑為20PPI的多孔區(qū)域內(nèi)壓力波已初步形成，孔徑40PPI多孔區(qū)域內(nèi)壓力波還處于初始階段，壓力較低。圖11和圖12為整個(gè)區(qū)域內(nèi)不同條件下最大壓力值和溫度值隨時(shí)間變化曲線，由圖可知，多孔泡沫對(duì)爆轟波產(chǎn)生明顯的抑制作用，導(dǎo)致溫度和壓力都下降；且隨著泡沫孔徑變小，抑制作用增強(qiáng)。

圖11 不同條件爆炸最大溫度隨時(shí)間變化

圖12 不同條件爆炸最大壓力隨時(shí)間變化

2.6.2 數(shù)值與試驗(yàn)結(jié)果比較

表4給出了數(shù)值模擬與試驗(yàn)中測(cè)試點(diǎn)0和1處的最大壓力值。數(shù)值計(jì)算20PPI孔徑泡沫中測(cè)試點(diǎn)處爆轟波最大壓力值為1.132 MPa，40PPI孔徑泡沫中測(cè)試點(diǎn)處爆轟波最大壓力值下降至0.851 MPa；試驗(yàn)測(cè)得20PPI孔徑中測(cè)試點(diǎn)處爆轟波平均最大壓力值為1.056 MPa，40PPI孔徑中測(cè)試點(diǎn)處爆轟波最大壓力值降至0.657 MPa。通過(guò)數(shù)值模擬與試驗(yàn)值兩者之間的對(duì)比可知，隨著孔徑的變小，試驗(yàn)最大壓力值與數(shù)值模擬最大壓力值均具有相同的下降趨勢(shì)。由于數(shù)值建模過(guò)程中對(duì)模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化假設(shè)，與實(shí)際爆轟過(guò)程存在一定差異，實(shí)際工程中，壁面散熱以及設(shè)備本體的密封性都會(huì)造成熱損失，導(dǎo)致壓力降低，因此數(shù)值模擬結(jié)果略大于試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表4 數(shù)值模擬與試驗(yàn)最大壓力值對(duì)比 MPa

3 結(jié)論

1) 網(wǎng)狀聚氨酯泡沫的孔結(jié)構(gòu)通過(guò)與參與化學(xué)反應(yīng)的自由基碰撞使其摧毀，削弱燃燒反應(yīng)；多孔結(jié)構(gòu)的機(jī)械干擾作用對(duì)壓力和溫度造成抑制作用。

2) 多孔材料孔徑越小，自由基與通道壁面發(fā)生碰撞幾率越大，多孔結(jié)構(gòu)的機(jī)械干擾作用越強(qiáng)，泡沫中可燃?xì)怏w爆轟波受到的抑制作用越強(qiáng)。

3) 利用Fluent能較好的模擬爆轟波在多孔材料中傳播過(guò)程，數(shù)值模擬與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，驗(yàn)證了數(shù)值計(jì)算可靠。

[1] 田宏,吳穹,江平,等.網(wǎng)狀聚氨酯泡沫材料的發(fā)展[J].航空材料學(xué)報(bào),2001,21(2):59-63.

[2] 王震.飛機(jī)燃油箱防爆及抑爆材料應(yīng)用技術(shù)[J].航空科學(xué)技術(shù),2002(3):33-35.

[3] HOBSON D M,PSAILA A F.Method of Improving Fuel Tank Safety:US,EP 2212144 A2[P].2010.

[4] 魏春榮,徐敏強(qiáng),王樹(shù)桐,等.多孔材料抑制瓦斯爆炸火焰波的實(shí)驗(yàn)研究[J].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2013,42(2):206-213.

[5] 賈寶山,金珂,胡如霞,等.受限空間內(nèi)多孔介質(zhì)材料對(duì)瓦斯爆炸特性的抑制作用[J].世界科技研究與發(fā)展,2015,37(5):473-476.

[6] 魏徵,王源升,余紅偉.飛機(jī)油箱用網(wǎng)狀聚氨酯泡沫的研究進(jìn)展[J].聚氨酯工業(yè),2013,28(4):1-4.

[7] 姜海,趙平輝,陳義良,等.雙層多孔介質(zhì)內(nèi)預(yù)混燃燒的實(shí)驗(yàn)和二維數(shù)值模擬[J].工程熱物理學(xué)報(bào),2009,30(5):893-896.

[8] 呂兆華.泡沫型多孔介質(zhì)中非達(dá)西流動(dòng)特性的研究[J].工程力學(xué),1998,15(2):57-64.

[9] CONAIRE M,CURRAN H J,SIMMIE J M,et al.A comprehensive modeling study of hydrogen oxidation[J].International Journal of Chemical Kinetics,2004,36(11):603-622.

[10]張博,白春華.氣相爆轟動(dòng)力學(xué)[M].北京：科學(xué)出版社,2012.

(責(zé)任編輯 唐定國(guó))

Experiment and Numerical Simulation of Detonation Wavein Reticulated Polyurethane Foam

HU Yan-dong1, JIANG Kun1, JIA Hong2, LIN Chang-jin1

(1.School of Energy and Power Engineering, Nanjing University of Science and Technology,Nanjing 210094, China; 2.Harbin Hezhongpu Co., Ltd., Harbin 150027, China)

To understand the response characteristics of hydrogen and oxygen detonation in reticulated polyurethane foam, detonation in confined container without filling materials, filling 20PPI and 40PPI polyurethane foam was studied by experiment and numerical simulation. The change of explosion temperature and pressure under three kinds of conditions was analyzed, and the mechanism of fire protection and explosion suppression was expounded. The results show that the pore structure of the porous foam has an inhibitory effect on the detonation of combustible gas, resulting in the decrease of the temperature and pressure. And the smaller pore size means more obvious effect; Numerical simulation results show good agreement with experimental results, verifying the correctness of the numerical method in this paper.

reticulated polyurethane foam； gaseous detonation；fire protection and explosion suppression

2016-11-29；

2016-12-25 作者簡(jiǎn)介：胡延棟(1990—)，男，碩士研究生，主要從事數(shù)值仿真與爆轟技術(shù)研究。

江坤(1978—)，男，副研究員，碩士生導(dǎo)師，主要從事流場(chǎng)數(shù)值模擬與新型兵器發(fā)射技術(shù)研究。

10.11809/scbgxb2017.04.035

胡延棟，江坤，賈洪，等.網(wǎng)狀聚氨酯泡沫爆轟試驗(yàn)及數(shù)值模擬[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2017(4):164-168.

format:HU Yan-dong, JIANG Kun, JIA Hong,et al.Experiment and Numerical Simulation of Detonation Wave in Reticulated Polyurethane Foam[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(4):164-168.

TB39

A

2096-2304(2017)04-0164-05