網狀聚氨酯泡沫爆轟試驗及數值模擬

胡延棟，江 坤，賈 洪，林長津

(1.南京理工大學 能源與動力工程學院，南京 210094；

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【化學工程與材料科學】

網狀聚氨酯泡沫爆轟試驗及數值模擬

胡延棟1，江 坤1，賈 洪2，林長津1

(1.南京理工大學 能源與動力工程學院，南京 210094；

2.哈爾濱市合眾聚氨酯制品有限公司，哈爾濱 150027)

針對網狀聚氨酯泡沫中氫氧爆轟力學響應特性問題，采用試驗和數值模擬相結合的方法，分析了密閉容器內無填充材料、填充孔徑20PPI及40PPI網狀聚氨酯泡沫三種條件下的爆炸溫度及壓力值，闡述了網狀聚氨酯泡沫作為填充材料防火抑爆的機理。結果表明：多孔泡沫的孔結構對可燃氣體爆轟波具有抑制作用，導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；數值模擬與試驗結果吻合較好，表明計算結果可靠。

網狀聚氨酯泡沫；氣相爆轟；防火抑爆

自20世紀60年代網狀聚氨酯泡沫研制成功以來，因其特殊的網狀孔結構，被廣泛用作飛機、軍用車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,提高作戰生存力[1-2]。

網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。Hobson等[3]通過研究表明，當網狀泡沫材料的孔數多于15PPI時，網狀泡沫材料具有優異的防火抑爆性能；孔數越多，防火抑爆性能越強。魏春榮等[4]對不同參數的多孔材料衰減管道內瓦斯爆炸火焰溫度效果進行了試驗研究，發現多孔材料的厚度、孔徑、相對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，相對密度大的試件對火焰溫度衰減效果好。賈寶山等[5]利用Fluent軟件對管道內甲烷-空氣爆炸進行了數值模擬，分析了在管道內壁面填充一定厚度的多孔材料降低了火焰傳播速度，抑制了壓力波的傳播。

以往的研究主要針對受限空間內遠離點火源處填充網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容器，因此，作者基于混合氣體爆炸法制作網狀泡沫的工藝背景，建立了氫氧爆炸試驗平臺，分析整個密閉容器內填充網狀聚氨酯泡沫爆轟波的力學響應特性，對防火抑爆的機理進行了探討，在此基礎上分析孔徑對多孔材料中爆轟波影響，為爆炸防護應用提供參考價值。

1 試驗

1.1 試驗裝置及方案

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

圖1 系統整體效果圖

本測試任務的目的是測試點火后設備空間內壓力隨時間變化情況。點火裝置安裝于側面板中間位置，參見圖2。在點火點附近(測試點0)和側面板中央部位(測試點1)兩處測壓，具體位置如圖2所示。共進行三次試驗，氫氣、氧氣以及氮氣混合比均為1∶1∶0.5，試驗1和試驗2填充材料為單塊泡沫(20PPI)，每25 mm長度上有20個孔，泡沫的體積大小與設備本體相當，兩次試驗起到對比驗證作用；試驗3填充材料為單塊泡沫(40PPI)，每25 mm長度上有40個孔，其他試驗條件均相同，試驗參數如表1所示。

1.2 試驗結果及其分析

1.2.1 測試結果

利用壓力傳感器測得3次試驗爆炸過程中測試點0和1處壓力-時間曲線，如圖3、圖4和圖5所示。

圖2 測壓點布置圖

試驗序號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，測試點處的氣體介質經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個階段。試驗1和試驗2中測試點0處靠近點火點，在點火開始階段，氣體溫度和壓力較低，加上多孔泡沫的孔結構引起的擾動作用，導致測試點0處壓力發生多次突躍變化，而遠離點火點的測試點1處發生突躍變化次數較少。試驗3中爆轟波壓力明顯下降，兩處測試點壓力發生突躍變化次數都較少。

圖3 試驗1各測壓點壓力-時間曲線

圖4 試驗2各測壓點壓力-時間曲線

圖5 試驗3各測壓點壓力-時間曲線

由于測試點0靠近點火點，爆炸產生的振蕩較大，且爆轟波傳播速度較快，會出現爆轟波波陣面的平均壓力低于周圍介質壓力，導致短暫的負壓。

表2為測試所得最大壓力值，試驗1的最大壓力為1.021 MPa，試驗2的最大壓力為1.09 MPa，試驗3的最大壓力為0.657 MPa。試驗1和試驗2試驗條件相同，所得結果相差不大，試驗3材料改為孔徑40PPI的泡沫，測試點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 測試所得最大壓力值

1.2.2 機理分析

由網狀聚氨酯泡沫防火抑爆的機理，網狀聚氨酯泡沫孔結構實際是一種三維的防火屏蔽，將點火限制在點火源附近極小范圍內，阻止發生鏈式反應，點火源外的網狀泡沫對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，多孔結構對爆轟波產生反射作用，并且吸收部分橫波和抑制駐波從而導致壓力衰減。可燃混合氣體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。在火焰傳播過程中，參與化學反應的自由基和通道壁面發生碰撞，導致部分自由基被摧毀，燃燒反應減弱，壓力減小。

另外，孔徑越小，多孔結構的機械干擾作用越強，自由基與通道壁面發生碰撞幾率越大，孔結構的比表面積也越大，散熱越多，對爆轟波產生的抑制能力越強。

2 數值仿真

2.1 幾何模型及網格劃分

根據簡化的試驗系統(圖2)，利用Gambit建立簡化的幾何模型并進行網格劃分，如圖6所示。在數值模擬起始階段，為提高計算結果的精確度，對點火點附近網格進行加密處理，如圖7所示。

圖6 網格劃分

圖7 網格加密

2.2 基本假設

為簡化模型，提出以下基本假設：

1) 假設多孔材料均勻分散在氣體中，并且各向同性；

2) 爆炸反應是快速化學反應過程，因此假設本體設備壁面絕熱，忽略外界熱損失；

3) 忽略重力的影響，忽略動能和壓力功；

4) 預混氣體及生成氣體視為理想氣體；

5) 忽略氣相輻射，將壁面設為輻射灰體。

2.3 控制方程

根據以上假設建立物理模型。建立控制方程如下[7]：

1) 連續性方程：

再如，在《九月九日憶山東兄弟》一課教學中，詩詞中滲透著詩人王維濃厚的思親之情，小學語文教師應抓住這一特點有針對性展開親情教育，在激發學生對語文知識學習積極性的背景下，引導學生逐漸樹立正確的人生態度以及良好的語文素養，為培養小學生對傳統的情感基礎、高效進行傳統文化素養的培養奠定基礎。

(1)

式中：ρ為氣體的密度;V為氣體速度矢量。

2) 動量方程：

(2)

式中：τ為粘性應力張量，多孔介質模型是通過在動量方程中添加源項模擬多孔材料在計算域中對流體流動的阻力，由兩部分組成，即Darcy黏性阻力項及慣性損失項。

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為氣體的導熱系數，hv氣體與固體的對流換熱系數，Ts為固體的溫度。

4) 固相能量方程：

(4)

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

5) 組分守恒方程：

(5)

式中：Yi為第i中組分的質量分數，Vi為第i種組分的擴散速度，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 數學模型

1) 多孔介質模型：

多孔介質每個方向上的黏性阻力系數和慣性阻力系數[8]分別為：

(6)

式中：dp為平均孔直徑;φ為孔隙率;F為多孔結構相關系數。

2) 反應模型

作者通過Fluent引入氫氧燃燒的化學反應機理CHEMKIN程序，采用包含9種組分，21個反應的復雜化學反應機理[9]。

2.5 邊界條件及初始條件

根據對爆炸過程的簡化及假設，設置的邊界條件及初始條件如下：

1) 密閉壁面設定為絕熱固壁，溫度為300 K，無對流換熱；

2) 在數值模擬中通常是patch一個高溫區域實現，由于將混合氣體設置為理想氣體，采用此方法會導致點火源處壓力和密度較低。因此通過設置一個能量項模擬電火花的點火方式。試驗點火的電火花為18 kV，其1/4周期的有效放電能量為6 J[10]，因此能量項設置為6 J；

3) 計算區域初始壓力設置為0.1 MPa，初始溫度設置為300 K；

4) 氫氣、氧氣、氮氣混合氣體體積比為1∶1∶0.5，各組分質量分數為：氫氣，0.042；氧氣，0.67；氮氣，0.288。

5) 表3給出了不同多孔介質的參數值。

表3 不同多孔介質參數值

2.6 模擬結果及分析

針對可燃氣體在密閉容器內無填充材料、填充孔徑20PPI及40PPI網狀聚氨酯泡沫爆炸過程進行數值模擬。

2.6.1 氣體爆轟波傳播規律

圖8、圖9和圖10為不同條件下各時刻在經點火點水平切面上的爆轟波壓力分布圖，由圖可知，在開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影響，并產生疊加效應，壓力有所升高，隨后開始呈半球形傳播。當發展至一定程度后，中心區域高壓“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時在無填充和孔徑為20PPI和

圖9 0.3 ms時在無填充和孔徑為20PPI和

圖10 0.7 ms時在無填充和孔徑為20PPI和

對比3種條件下壓力波傳播過程，發現無填充材料時，壓力波傳播發展最快。在點火0.1 ms后，無填充材料和孔徑為20PPI的多孔區域內壓力波已初步形成，孔徑40PPI多孔區域內壓力波還處于初始階段，壓力較低。圖11和圖12為整個區域內不同條件下最大壓力值和溫度值隨時間變化曲線，由圖可知，多孔泡沫對爆轟波產生明顯的抑制作用，導致溫度和壓力都下降；且隨著泡沫孔徑變小，抑制作用增強。

圖11 不同條件爆炸最大溫度隨時間變化

圖12 不同條件爆炸最大壓力隨時間變化

2.6.2 數值與試驗結果比較

表4給出了數值模擬與試驗中測試點0和1處的最大壓力值。數值計算20PPI孔徑泡沫中測試點處爆轟波最大壓力值為1.132 MPa，40PPI孔徑泡沫中測試點處爆轟波最大壓力值下降至0.851 MPa；試驗測得20PPI孔徑中測試點處爆轟波平均最大壓力值為1.056 MPa，40PPI孔徑中測試點處爆轟波最大壓力值降至0.657 MPa。通過數值模擬與試驗值兩者之間的對比可知，隨著孔徑的變小，試驗最大壓力值與數值模擬最大壓力值均具有相同的下降趨勢。由于數值建模過程中對模型進行了簡化假設，與實際爆轟過程存在一定差異，實際工程中，壁面散熱以及設備本體的密封性都會造成熱損失，導致壓力降低，因此數值模擬結果略大于試驗數據。

表4 數值模擬與試驗最大壓力值對比 MPa

3 結論

1) 網狀聚氨酯泡沫的孔結構通過與參與化學反應的自由基碰撞使其摧毀，削弱燃燒反應；多孔結構的機械干擾作用對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生碰撞幾率越大，多孔結構的機械干擾作用越強，泡沫中可燃氣體爆轟波受到的抑制作用越強。

3) 利用Fluent能較好的模擬爆轟波在多孔材料中傳播過程，數值模擬與試驗結果吻合較好，驗證了數值計算可靠。

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(責任編輯 唐定國)

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 作者簡介：胡延棟(1990—)，男，碩士研究生，主要從事數值仿真與爆轟技術研究。

江坤(1978—)，男，副研究員，碩士生導師，主要從事流場數值模擬與新型兵器發射技術研究。

10.11809/scbgxb2017.04.035

胡延棟，江坤，賈洪，等.網狀聚氨酯泡沫爆轟試驗及數值模擬[J].兵器裝備工程學報，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