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可燃纳米颗粒爆炸特性研究

作　者: 白颖华
导　师: 陆慧林
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 热能工程
关键词: 爆炸特性纳米碳粒 TNT颗粒数值模拟
分类号: TB383.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

随着纳米科技的发展,纳米材料会越来越多地出现在人们的生活中。纳米材料的安全性问题引起了人们的关注。在纳米材料的制备及应用过程中,由于其自身小尺寸效应等特点,可燃纳米颗粒极易产生爆炸危险。因此,对于可燃纳米颗粒的安全性问题的探索具有重要意义。对于气固两相的模拟采用离散随机轨道模型。对于爆炸过程中的异相反应采用固体颗粒燃烧模型,均相反应采用涡耗散的概念模型(EDC模型)。本文对长径比为7:1的1.2L Hartmann管中的纳米碳颗粒及炸药TNT颗粒的爆炸过程进行数值模拟。对爆炸的主要影响因素,颗粒浓度,氧气浓度和点火能,环境因素如环境湿度与环境温度,及爆炸过程进行了研究,得到了颗粒浓度下限,氧气浓度极限及最小点火能等重要参数。并且,由于纳米碳颗粒与炸药颗粒的性质不同,对它们进行了对比性研究,得到了相似的爆炸规律及不同参数对它们的不同影响。本文模拟了颗粒向反应器内的喷入过程,结果表明气流速度为5m/s,喷入时间为100ms时,颗粒分布最均匀。模拟颗粒的爆炸过程表明,爆炸过程中火焰前锋面与压力波同速传播,产生激波。通过对压力曲线的研究可以发现爆炸分为三个阶段,即压力上升区,压力峰值区,压力衰减区。分别研究了不同碳浓度,不同氧气浓度及不同点火能对爆炸特性的影响。模拟结果表明,纳米颗粒爆炸存在爆炸下限。当氧气不足时爆炸同样无法进行。当瞬间供给点火能小于5000J时无法形成爆炸。随着环境湿度的增加爆炸程度减小,随着环境温度增加爆炸程度增大。对纳米TNT颗粒爆炸过程模拟结果表明,其爆炸过程与碳粒爆炸过程相似。纳米TNT颗粒爆炸最大压力与最高温度均比纳米碳粒高。压力波与火焰前锋传播速度比碳粒爆炸快。由于TNT颗粒属于炸药,其自身含有氧元素,在爆炸过程中,氧气含量对于爆炸特性基本无影响。但是,可通过减少炸药颗粒浓度至爆炸浓度下限以下或减小点火能以避免爆炸。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-8
第1章绪论  8-18
  1.1 课题背景及意义  8-9
  1.2 国内外的研究现状  9-13
    1.2.1 微细颗粒爆炸研究进展  9-11
    1.2.2 两相流模型研究进展  11-13
  1.3 气固两相流模型  13-17
    1.3.1 确定性离散颗粒模型  14-16
    1.3.2 随机性离散颗粒模型  16-17
  1.4 本章小结及本文主要内容  17-18
第2章理论模型与计算方法  18-28
  2.1 理论模型  18-27
    2.1.1 气相控制方程  18-20
    2.1.2 离散相模型  20-21
    2.1.3 组分输运模型  21-24
    2.1.4 辐射模型  24-27
  2.2 有限体积法基本思想  27
  2.3 本章小结  27-28
第3章纳米碳颗粒爆炸特性研究  28-50
  3.1 物理模型与计算网格  28-29
  3.2 纳米颗粒喷入过程模拟  29-30
  3.3 纳米碳颗粒爆炸过程分析  30-37
  3.4 纳米碳颗粒爆炸特性影响因素研究  37-44
    3.4.1 不同碳颗粒浓度下的爆炸特性  37-38
    3.4.2 不同氧气浓度下的爆炸特性  38-40
    3.4.3 不同点火能下的爆炸特性  40-41
    3.4.4 不同环境湿度下的爆炸特性  41-43
    3.4.5 不同环境温度下的爆炸特性  43-44
  3.5 热爆炸判据  44-48
  3.6 本章小结  48-50
第4章 TNT 纳米颗粒爆炸特性研究  50-66
  4.1 纳米TNT 颗粒爆炸特性分析  50-57
    4.1.1 爆炸过程分析  50-56
    4.1.2 环境温度对纳米TNT 颗粒爆炸过程的影响  56-57
  4.2 纳米TNT 颗粒与纳米碳颗粒爆炸特性对比研究  57-65
    4.2.1 爆炸过程比较分析  57-59
    4.2.2 对比颗粒浓度对爆炸特性的影响  59-61
    4.2.3 对比氧气浓度对爆炸特性的影响  61-63
    4.2.4 对比点火能对爆炸特性的影响  63-65
  4.3 本章小结  65-66
结论  66-67
参考文献  67-73
攻读学位期间发表的论文及其它成果  73-75
致谢  75

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