引言
RDX 是一种典型的硝胺类含能材料，由于其高能量密度和优异的爆轰性能，已被广泛应用于军用炸药和推进剂配方中 [1], [2], [3], [4], [5]。在 RDX 制备过程中，重结晶、洗涤、过滤、干燥、筛分和运输通常使用乙醇和丙酮等挥发性有机溶剂作为重结晶、洗涤或分散介质 [6], [7], [8], [9], [10]。在过滤和干燥过程中，残留溶剂可能会逐渐蒸发，在受限或半受限设备中形成可燃蒸气/空气气氛。同时，由于气流扰动、设备振动或物料转移，RDX 颗粒可能会部分悬浮在气体空间中，而其余颗粒可能会沉降并积累在容器、管道或死区的底部。因此，在实际生产过程中可能会形成由乙醇蒸气、悬浮 RDX 颗粒和底部沉积 RDX 颗粒组成的非均匀共存系统。
一旦这个非均匀共存系统遇到点火源，乙醇蒸气可能会首先点燃并形成高温火焰。随后，该火焰可以诱导悬浮和底部沉积的 RDX 颗粒加热、挥发、分解和反应，导致耦合的蒸气 - 含能粉尘爆炸。先前的研究表明，粉尘爆炸危害受到粉尘浓度、粒径、空间分布、湍流强度和点火条件的强烈影响 [11], [12], [13], [14], [15], [16], [17], [18]。爆炸严重程度通常由最大爆炸压力、最大压力上升率和火焰传播行为来表征 [19], [20], [21], [22], [23], [24], [25], [26]。在气体/蒸气 - 粉尘混合系统中，气态燃料燃烧与粉尘颗粒反应之间的耦合可以进一步改变点火敏感度和爆炸强度，导致比单一蒸气或单一粉尘系统更复杂的爆炸行为 [27], [28], [29], [30], [31], [32], [33], [34]。对于含能粉尘，颗粒在受热后可能发生热分解、挥发或表面反应，释放大量热量和气态产物。因此，它们的爆炸过程更为复杂，且其固有氧化性成分使其比普通工业粉尘更具危害性 [35], [36]。Xia 等人 [37] 研究了 Al/RDX 含能粉尘的点火敏感度和爆炸动力学，发现 RDX 含量显著影响最小点火能、火焰传播速度和峰值爆炸压力。在 20% RDX 时观察到最高的火焰传播速度，而最大爆炸强度发生在 40% RDX 时。Yin 等人 [38] 进一步研究了 RDX/Al 比率和粉尘浓度对爆炸严重程度、火焰传播和气态产物的影响。他们报告了 RDX/Al 混合物中存在明显的比例协同效应，爆炸行为与氧气可用性、传热传质以及 CO、CO? 和 N?O 的演化密切相关。这些研究为理解基于 RDX 的含能粉尘的爆炸特性提供了重要基础，表明其爆炸行为受组分比、粉尘浓度、氧气供应和反应产物演变的共同控制。
含能粉尘的爆炸涉及一系列耦合过程，包括颗粒分散、加热和挥发、气相反应、湍流混合和压力波传播。这些复杂的相互作用使得仅通过实验难以直接量化局部反应、物种演化和颗粒参与。因此，常规实验方法无法完全揭示乙醇蒸气环境中非均匀 RDX 粉尘共存系统的爆炸传播行为和反应机理。相比之下，计算流体动力学 (CFD) 模拟可以提供温度、压力、物种分布和颗粒运动的时间和空间分辨信息。它们已成为揭示火焰传播、局部氧气消耗和颗粒参与的有效工具，并被广泛用于研究封闭容器中的粉尘分散、燃烧传播和气固两相爆炸 [39], [40], [41], [42], [43], [44], [45], [46]。Guo 等人 [47] 结合实验和 CFD 模拟研究了 RDX 粉尘浓度、氧气含量和气流温度对爆炸特性的影响。他们发现增加粉尘浓度加速了火焰传播，而在缺氧条件下 CO 和 H? 中间体显著增加。Zhang 等人 [48] 开发了 RDX 粉尘云爆炸的数值模型，并表明 RDX 颗粒首先通过表面反应分解产生 H?O、CO 和 N?，随后 CO 氧化为 CO?。他们还报告峰值压力和最大压力上升率随粉尘浓度显著增加。此外，Zhang 等人 [49] 研究了乙醇蒸气诱导的沉积 HMX 粉尘爆炸，发现底部沉积层可以参与乙醇蒸气燃烧反应，导致比纯乙醇蒸气/空气爆炸高得多的峰值压力。这些研究表明 CFD 可以有效揭示含能粉尘爆炸中的反应传播和颗粒参与。然而，Zhang 等人仅考虑了底部沉积的 HMX 颗粒。鉴于 RDX 和 HMX 在热特性和分解特性上的差异，RDX 是否表现出相同的诱导爆炸行为尚不清楚，特别是在包含悬浮和近底部积聚颗粒的非均匀系统中以及不同的点火位置下。此外，大多数现有研究集中在均匀悬浮粉尘云或单沉积粉尘层上。乙醇蒸气中既包含悬浮 RDX 颗粒又包含底部沉积 RDX 颗粒的非均匀系统的爆炸传播，特别是点火位置对沉积颗粒参与序列及由此导致的危害增强效果的影响，理解仍不充分。
在本研究中，利用 OpenFOAM 中的 reactingParcelFoam 求解器建立了 5 L 圆柱形容器的数值模型，以研究非均匀乙醇蒸气 -RDX 粉尘共存系统的爆炸行为。该模型首先与乙醇/空气和 RDX 粉尘爆炸的实验数据进行了比较。然后考虑了中央和底部点火配置以构建不同的颗粒分布场景，包括纯乙醇蒸气、悬浮 RDX 颗粒、底部沉积 RDX 颗粒以及悬浮 - 沉积共存系统。通过温度场、压力演化、局部物种分布和 RDX 挥发行为系统地分析了颗粒空间分布和点火位置对爆炸传播的影响。结果表明，点火位置显著改变了底部沉积 RDX 颗粒的作用，将其从“延迟响应源”转变为“近源增强器”。本研究的发现为涉及挥发性有机溶剂的 RDX 过滤、干燥和运输过程中的爆炸风险评估和安全控制提供了有用的指导。
