【摘 要】
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针对高温、高压、高速、高冲击等极端恶劣环境,在爆炸现场火球的形成过于短暂,难以准确测量高温火球瞬态高温的现状,本文设计了一种高温火球准静态模拟装置,使用模拟装置在实验室环境下生成一个稳定的高温火球,解决实际爆炸场中实测数据不足以清楚地了解火球内部的流体情况和温度分布的问题。根据实际爆炸场高温火球内部多物理场特性无法准确测量的现状,为了研究不同控制参数条件下多管路喷射技术形成的高温火球内部流体特性,
【基金项目】
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国家自然科学基金(No. 52075504)《高温场三维温度分布能量谱探测与多目标迭代成像方法》; 装备预研重点实验室基金(No. 6142001190413)《爆炸火球内温度场三维重建技术》;
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针对高温、高压、高速、高冲击等极端恶劣环境,在爆炸现场火球的形成过于短暂,难以准确测量高温火球瞬态高温的现状,本文设计了一种高温火球准静态模拟装置,使用模拟装置在实验室环境下生成一个稳定的高温火球,解决实际爆炸场中实测数据不足以清楚地了解火球内部的流体情况和温度分布的问题。根据实际爆炸场高温火球内部多物理场特性无法准确测量的现状,为了研究不同控制参数条件下多管路喷射技术形成的高温火球内部流体特性,本文对实验时多管路喷射技术下的环境进行了数值模拟,并对模拟装置内部的传热信息进行了分析,探索出一种对实际爆炸火球内禀流体特性模拟的实验方法,为现场瞬态高温测试提供一种可行的环境模拟装置和方法。为了能够生成稳定的火球,设计的模拟装置使用树莓派(Raspberry Pi 3B)作为主控器,利用多管路喷射技术,喷射高温燃气,通过人工理论计算、仿真及设计的多物理场参数对三组喷枪状态进行自动控制,实现模拟火球多物理场的自动调控,形成一个满足实验需求尺寸的三维高温火焰区域。依据实际爆炸场高温火球内部温度范围、元素浓度及流体特性,探索高温火球的稳定控制方法,构建并优化满足多物理特性要求的模拟高温火球结构设计。火球的爆燃过程过于短暂,很难对火球的信息进行全方位的准确测量。为了解决这一问题,以高温火球准静态模拟装置实验时的整体工作环境为基础,使用张正友标定法对相机的内外部参数进行标定,实现装置及火焰的视图可视化。为了验证模拟温度的正确性,通过激光诱导击穿光谱技术(Laser Induced Breakdown Spectroscopy)对爆燃物中的元素进行采样分析;选取特征元素进行光谱发射率标定实验,搭载滤光片进行火焰图像采集分析;使用红外热像仪对高温火球准静态模拟装置实验的火焰进行温度测量并与仿真结果进行对比。结果表明,基于k-ε湍流模型以及化学反应生成热的求解可以很好地再现实际高温火球的燃烧,通过这种数值计算进行仿真模拟的方法,为可视化数据、标定系数、测量温度给出定量值。
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