网状聚氨酯泡沫爆轰试验及数值模拟

胡延栋，江 坤，贾 洪，林长津

(1.南京理工大学 能源与动力工程学院，南京 210094；



【化学工程与材料科学】

网状聚氨酯泡沫爆轰试验及数值模拟

胡延栋1，江 坤1，贾 洪2，林长津1

(1.南京理工大学 能源与动力工程学院，南京 210094；

2.哈尔滨市合众聚氨酯制品有限公司，哈尔滨 150027)

针对网状聚氨酯泡沫中氢氧爆轰力学响应特性问题，采用试验和数值模拟相结合的方法，分析了密闭容器内无填充材料、填充孔径20PPI及40PPI网状聚氨酯泡沫三种条件下的爆炸温度及压力值，阐述了网状聚氨酯泡沫作为填充材料防火抑爆的机理。结果表明：多孔泡沫的孔结构对可燃气体爆轰波具有抑制作用，导致温度和压力明显降低，且材料的孔径越小，爆轰波受到的抑制作用越大；数值模拟与试验结果吻合较好，表明计算结果可靠。

网状聚氨酯泡沫；气相爆轰；防火抑爆

自20世纪60年代网状聚氨酯泡沫研制成功以来，因其特殊的网状孔结构，被广泛用作飞机、军用车辆及船舰燃油箱的填充材料，它能有效地减少由于射弹、电火花、雷击以及静电等原因引起的燃油箱超压爆炸,提高作战生存力[1-2]。

网状聚氨酯泡沫具有防火抑爆功能，其特性与材料孔径密切相关。Hobson等[3]通过研究表明，当网状泡沫材料的孔数多于15PPI时，网状泡沫材料具有优异的防火抑爆性能；孔数越多，防火抑爆性能越强。魏春荣等[4]对不同参数的多孔材料衰减管道内瓦斯爆炸火焰温度效果进行了试验研究，发现多孔材料的厚度、孔径、相对密度是影响火焰温度衰减效果的重要因素，同种材料中，厚度大，孔径小，相对密度大的试件对火焰温度衰减效果好。贾宝山等[5]利用Fluent软件对管道内甲烷-空气爆炸进行了数值模拟，分析了在管道内壁面填充一定厚度的多孔材料降低了火焰传播速度，抑制了压力波的传播。

以往的研究主要针对受限空间内远离点火源处填充网状泡沫抑制爆轰波的作用，但一般多孔泡沫作为防火抑爆填充材料充满整个容器，因此，作者基于混合气体爆炸法制作网状泡沫的工艺背景，建立了氢氧爆炸试验平台，分析整个密闭容器内填充网状聚氨酯泡沫爆轰波的力学响应特性，对防火抑爆的机理进行了探讨，在此基础上分析孔径对多孔材料中爆轰波影响，为爆炸防护应用提供参考价值。

1 试验

1.1 试验装置及方案

哈尔滨市合众聚氨酯制品有限公司提供的整套试验平台由长250 cm，宽120 cm，高110 cm的带密封装置的长方体设备本体、电火花发生器点火装置、抽气装置、加气装置及排气装置等部分组成，系统整体效果图如图1。

图1 系统整体效果图

本测试任务的目的是测试点火后设备空间内压力随时间变化情况。点火装置安装于侧面板中间位置，参见图2。在点火点附近(测试点0)和侧面板中央部位(测试点1)两处测压，具体位置如图2所示。共进行三次试验，氢气、氧气以及氮气混合比均为1∶1∶0.5，试验1和试验2填充材料为单块泡沫(20PPI)，每25 mm长度上有20个孔，泡沫的体积大小与设备本体相当，两次试验起到对比验证作用；试验3填充材料为单块泡沫(40PPI)，每25 mm长度上有40个孔，其他试验条件均相同，试验参数如表1所示。

1.2 试验结果及其分析

1.2.1 测试结果

利用压力传感器测得3次试验爆炸过程中测试点0和1处压力-时间曲线，如图3、图4和图5所示。

图2 测压点布置图

试验序号材料孔径气体比充气压力/MPa120PPI1∶1∶0．50．1220PPI1∶1∶0．50．1340PPI1∶1∶0．50．1

由图3、图4和图5可知，测试点处的气体介质经历了典型爆轰波的突跃升至峰值压力、缓慢降至终压、余波振荡3个阶段。试验1和试验2中测试点0处靠近点火点，在点火开始阶段，气体温度和压力较低，加上多孔泡沫的孔结构引起的扰动作用，导致测试点0处压力发生多次突跃变化，而远离点火点的测试点1处发生突跃变化次数较少。试验3中爆轰波压力明显下降，两处测试点压力发生突跃变化次数都较少。

图3 试验1各测压点压力-时间曲线

图4 试验2各测压点压力-时间曲线

图5 试验3各测压点压力-时间曲线

由于测试点0靠近点火点，爆炸产生的振荡较大，且爆轰波传播速度较快，会出现爆轰波波阵面的平均压力低于周围介质压力，导致短暂的负压。

表2为测试所得最大压力值，试验1的最大压力为1.021 MPa，试验2的最大压力为1.09 MPa，试验3的最大压力为0.657 MPa。试验1和试验2试验条件相同，所得结果相差不大，试验3材料改为孔径40PPI的泡沫，测试点最大压力值明显降低，表明在相同条件下，大孔径多孔泡沫中的爆炸压力比小孔径多孔泡沫中的爆炸压力大。

表2 测试所得最大压力值

1.2.2 机理分析

由网状聚氨酯泡沫防火抑爆的机理，网状聚氨酯泡沫孔结构实际是一种三维的防火屏蔽，将点火限制在点火源附近极小范围内，阻止发生链式反应，点火源外的网状泡沫对火焰前锋和压力波有抑制作用[6]。

爆轰波在多孔泡沫中传播时，多孔结构对爆轰波产生反射作用，并且吸收部分横波和抑制驻波从而导致压力衰减。可燃混合气体在多孔泡沫材料中被分散，驻存于孔洞中，因此爆炸火焰锋面不连续。在火焰传播过程中，参与化学反应的自由基和通道壁面发生碰撞，导致部分自由基被摧毁，燃烧反应减弱，压力减小。

另外，孔径越小，多孔结构的机械干扰作用越强，自由基与通道壁面发生碰撞几率越大，孔结构的比表面积也越大，散热越多，对爆轰波产生的抑制能力越强。

2 数值仿真

2.1 几何模型及网格划分

根据简化的试验系统(图2)，利用Gambit建立简化的几何模型并进行网格划分，如图6所示。在数值模拟起始阶段，为提高计算结果的精确度，对点火点附近网格进行加密处理，如图7所示。

图6 网格划分

图7 网格加密

2.2 基本假设

为简化模型，提出以下基本假设：

1) 假设多孔材料均匀分散在气体中，并且各向同性；

2) 爆炸反应是快速化学反应过程，因此假设本体设备壁面绝热，忽略外界热损失；

3) 忽略重力的影响，忽略动能和压力功；

4) 预混气体及生成气体视为理想气体；

5) 忽略气相辐射，将壁面设为辐射灰体。

2.3 控制方程

根据以上假设建立物理模型。建立控制方程如下[7]：

1) 连续性方程：

再如，在《九月九日忆山东兄弟》一课教学中，诗词中渗透着诗人王维浓厚的思亲之情，小学语文教师应抓住这一特点有针对性展开亲情教育，在激发学生对语文知识学习积极性的背景下，引导学生逐渐树立正确的人生态度以及良好的语文素养，为培养小学生对传统的情感基础、高效进行传统文化素养的培养奠定基础。

(1)

式中：ρ为气体的密度;V为气体速度矢量。

2) 动量方程：

(2)

式中：τ为粘性应力张量，多孔介质模型是通过在动量方程中添加源项模拟多孔材料在计算域中对流体流动的阻力，由两部分组成，即Darcy黏性阻力项及惯性损失项。

3) 气相能量方程：

(3)

式中：Cg为气体的比热容，Tg为气相的温度，hi为第i种组分的摩尔生成焓，λi为气体的导热系数，hv气体与固体的对流换热系数，Ts为固体的温度。

4) 固相能量方程：

(4)

式中：ρs为多孔介质的密度；Cs为多孔介质的比热容；λeff=iλg+(1-ε)λs为多孔介质的有效导热系数，λs为固体导热系数。

5) 组分守恒方程：

(5)

式中：Yi为第i中组分的质量分数，Vi为第i种组分的扩散速度，wi为第i中组分的体积生成率，Wi为第i种组分的分子量。

2.4 数学模型

1) 多孔介质模型：

多孔介质每个方向上的黏性阻力系数和惯性阻力系数[8]分别为：

(6)

式中：dp为平均孔直径;φ为孔隙率;F为多孔结构相关系数。

2) 反应模型

作者通过Fluent引入氢氧燃烧的化学反应机理CHEMKIN程序，采用包含9种组分，21个反应的复杂化学反应机理[9]。

2.5 边界条件及初始条件

根据对爆炸过程的简化及假设，设置的边界条件及初始条件如下：

1) 密闭壁面设定为绝热固壁，温度为300 K，无对流换热；

2) 在数值模拟中通常是patch一个高温区域实现，由于将混合气体设置为理想气体，采用此方法会导致点火源处压力和密度较低。因此通过设置一个能量项模拟电火花的点火方式。试验点火的电火花为18 kV，其1/4周期的有效放电能量为6 J[10]，因此能量项设置为6 J；

3) 计算区域初始压力设置为0.1 MPa，初始温度设置为300 K；

4) 氢气、氧气、氮气混合气体体积比为1∶1∶0.5，各组分质量分数为：氢气，0.042；氧气，0.67；氮气，0.288。

5) 表3给出了不同多孔介质的参数值。

表3 不同多孔介质参数值

2.6 模拟结果及分析

针对可燃气体在密闭容器内无填充材料、填充孔径20PPI及40PPI网状聚氨酯泡沫爆炸过程进行数值模拟。

2.6.1 气体爆轰波传播规律

图8、图9和图10为不同条件下各时刻在经点火点水平切面上的爆轰波压力分布图，由图可知，在开始阶段压力波呈球形向四周传播，中心压力最高，接触壁面后，靠近壁面处受到扰动影响，并产生叠加效应，压力有所升高，随后开始呈半球形传播。当发展至一定程度后，中心区域高压“塌陷”，爆轰波前锋处压力最高。传播至右壁面后，紧靠壁面处压力同样有所上升，如图10所示，3种不同条件下，压力波传播至右壁面处，紧靠壁面处压力较高。

图8 0.1 ms时在无填充和孔径为20PPI和

图9 0.3 ms时在无填充和孔径为20PPI和

图10 0.7 ms时在无填充和孔径为20PPI和

对比3种条件下压力波传播过程，发现无填充材料时，压力波传播发展最快。在点火0.1 ms后，无填充材料和孔径为20PPI的多孔区域内压力波已初步形成，孔径40PPI多孔区域内压力波还处于初始阶段，压力较低。图11和图12为整个区域内不同条件下最大压力值和温度值随时间变化曲线，由图可知，多孔泡沫对爆轰波产生明显的抑制作用，导致温度和压力都下降；且随着泡沫孔径变小，抑制作用增强。

图11 不同条件爆炸最大温度随时间变化

图12 不同条件爆炸最大压力随时间变化

2.6.2 数值与试验结果比较

表4给出了数值模拟与试验中测试点0和1处的最大压力值。数值计算20PPI孔径泡沫中测试点处爆轰波最大压力值为1.132 MPa，40PPI孔径泡沫中测试点处爆轰波最大压力值下降至0.851 MPa；试验测得20PPI孔径中测试点处爆轰波平均最大压力值为1.056 MPa，40PPI孔径中测试点处爆轰波最大压力值降至0.657 MPa。通过数值模拟与试验值两者之间的对比可知，随着孔径的变小，试验最大压力值与数值模拟最大压力值均具有相同的下降趋势。由于数值建模过程中对模型进行了简化假设，与实际爆轰过程存在一定差异，实际工程中，壁面散热以及设备本体的密封性都会造成热损失，导致压力降低，因此数值模拟结果略大于试验数据。

表4 数值模拟与试验最大压力值对比 MPa

3 结论

1) 网状聚氨酯泡沫的孔结构通过与参与化学反应的自由基碰撞使其摧毁，削弱燃烧反应；多孔结构的机械干扰作用对压力和温度造成抑制作用。

2) 多孔材料孔径越小，自由基与通道壁面发生碰撞几率越大，多孔结构的机械干扰作用越强，泡沫中可燃气体爆轰波受到的抑制作用越强。

3) 利用Fluent能较好的模拟爆轰波在多孔材料中传播过程，数值模拟与试验结果吻合较好，验证了数值计算可靠。

[1] 田宏,吴穹,江平,等.网状聚氨酯泡沫材料的发展[J].航空材料学报,2001,21(2):59-63.

[2] 王震.飞机燃油箱防爆及抑爆材料应用技术[J].航空科学技术,2002(3):33-35.

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

[4] 魏春荣,徐敏强,王树桐,等.多孔材料抑制瓦斯爆炸火焰波的实验研究[J].中国矿业大学学报,2013,42(2):206-213.

[5] 贾宝山,金珂,胡如霞,等.受限空间内多孔介质材料对瓦斯爆炸特性的抑制作用[J].世界科技研究与发展,2015,37(5):473-476.

[6] 魏徵,王源升,余红伟.飞机油箱用网状聚氨酯泡沫的研究进展[J].聚氨酯工业,2013,28(4):1-4.

[7] 姜海,赵平辉,陈义良,等.双层多孔介质内预混燃烧的实验和二维数值模拟[J].工程热物理学报,2009,30(5):893-896.

[8] 吕兆华.泡沫型多孔介质中非达西流动特性的研究[J].工程力学,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]张博,白春华.气相爆轰动力学[M].北京：科学出版社,2012.

(责任编辑 唐定国)

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 作者简介：胡延栋(1990—)，男，硕士研究生，主要从事数值仿真与爆轰技术研究。

江坤(1978—)，男，副研究员，硕士生导师，主要从事流场数值模拟与新型兵器发射技术研究。

10.11809/scbgxb2017.04.035

胡延栋，江坤，贾洪，等.网状聚氨酯泡沫爆轰试验及数值模拟[J].兵器装备工程学报，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