PBX-9501强爆轰产物状态方程的数值模拟

利用P.K.Tang的JWL强爆轰产物状态方程改造了DEFEL二维弹塑性流有限元源程序,并用改造后的DEFEL程序模拟了一系列飞片撞击PBX-9501炸药的一维强爆轰过程,给出了炸药驱动二级飞片(铝)的速度。计算得到的产物状态参数与实验测量结果符合较好,验证了增加修正项的新状态方程可较好地描述高能炸药的超压爆轰的高压流体动力学过程。     

点起爆炸药驱动圆板击靶波形的数值模拟研究

用自行研制的二维流体动力学程序TDY2D对点起爆驱动圆板运动的3个模型进行数值模拟计算,得到的飞片击靶波形与实验波形均符合较好,具有较高的计算精度,验证了该程序的准确性和有效性。通过对爆轰驱动飞片运动过程数值模拟结果的分析,得到了装置参数对飞片击靶波形影响规律的初步认识。     

光纤探针在爆轰实验中的应用实例

介绍了光纤探针在爆轰实验中的两个应用实例：一是利用光纤探针测量爆轰驱动飞片的速度以及飞片的平面性;二是光纤探针在利用稀疏追赶技术测量强爆轰产物——声速中的应用。表明光纤探针是精确测量上述问题的手段之一。     

多级炸药爆轰高速驱动技术的Gurney模型优化分析

利用多级炸药 飞片装置可得到速度在10km/s以上、直径数厘米的末级平面飞片,在高压物态方程和高速碰撞等实验研究中有重要应用前景。改进了爆炸驱动的Gurney模型,推广用于典型的二级爆轰驱动(前级飞片 炸药层 后级飞片)装置的分析,得到前、后级飞片终速度的计算公式,与实验结果符合较好。根据对炸药层厚度优化计算结果的讨论可知,对于综合利用前级飞片动能和炸药层能量最有利的后级飞片速度处于2～3倍Gurney速度的范围。前级飞片速度很高时,后级飞片速度趋于两者直接弹性碰撞的结果。     

超高速发射实验及其数值分析

采用多介质流体高精度欧拉并行计算程序HVL-MFPPM,对Sandia实验室和中国工程物理研究院流体物理研究所冲击波物理与爆轰物理实验室进行的两个超高速发射实验装置进行数值模拟,前者给出的二级飞片前界面速度历史与VISAR实验测试和HVL-CTH程序计算结果一致,后者给出二级飞片稳定时的速度和飞行姿态与实验测试结果吻合,同时还给出了128个和216个CPU计算的界面形状.为进一步获得更高二级飞片速度的实验装置设计提供了理论和数值分析基础.     

带空腔爆轰加载装置对驱动飞片的影响

结合实验和数值模拟技术 ,研究了在炸药透镜和飞片之间引入空腔对爆轰躯体的定量影响。计算和实验结果基本一致 ,表明引入空腔的爆轰加载装置可以推动厚度 6mm以上的厚飞片 ,并可以避免飞片中出现层裂现象 ,从而可以实现较低的冲击压力和较长的压力脉宽 ,在推动厚飞片和较严格地控制作用时间方面也有明显的优点。     

间隙对爆轰加载下金属飞片运动特征影响的模拟分析

在炸药爆轰驱动含间隙双层钢飞片情况下,两层钢飞片间的间隙会影响外层飞片的首次、二次入射波波形及强度,进而影响外层飞片自由面速度等。为了更好地认识爆轰加载条件下金属飞片的运动特征,需要深入研究间隙对该动力学过程的影响规律。首先,开展了爆轰驱动含初始间隙双层钢飞片的简化建模及数值模拟,通过模拟与实验结果的对比,验证了简化建模的合理性;然后,对该模型的加载动力学过程进行了深入分析,给出了首次、二次加载的来源;最后,开展了不同间隙厚度对该动力学过程影响的模拟分析研究。自由面速度结果表明,随着间隙厚度由0.1 mm增加至1 mm以上,外层飞片自由面的首次起跳速度峰值先逐渐降低后基本保持恒定、二次起跳速度峰值由逐渐增加至基本不变。动力学分析结果表明,可将不同间隙大小的影响分为两个阶段,其分界判据是在爆轰加载后内层金属飞片是否能够在间隙部位发展为脱体层裂片：在间隙较小的情况下,内层飞片在间隙一侧无法发展为层裂片,在此阶段内,随着间隙厚度的增加,外层飞片的首次加载峰值压力降低、二次加载峰值压力增加;在间隙较大的情况下,内层飞片在间隙一侧可以形成厚度不变、速度稳定的层裂片,在此阶段内,随着间隙厚度的增加...     

非理想爆轰的推飞片效率

本文采用一定形式的状态方程,模拟爆轰波后稀疏波区内介质的放能,初步解析地讨论了非理想爆轰波的推飞片效率问题,并与相应CJ爆轰波的情况进行了对比。由本文的结果可见:(1)对CJ点之后释放能量的非理想爆轰波,波后压力分布与瞬时释放能量的多少和CJ点之后释放能量的多少和快慢有关。(2)非理想爆轰的推飞片效率,除炸药与飞片质量比之外,不仅依赖于CJ点之前瞬时释放出来的能量Q,还依赖于CJ之后释放的能量q和标志释放快慢的参数n。(3)非理想爆轰波、包括弱爆轰的推飞片效率,对所讨论的参数与CJ爆轰相似,均存在一个最佳的选择。     

叠氮化铜微装药爆轰驱动飞片的数值模拟

为了优化叠氮化铜微装药器件的设计,探究叠氮化铜爆轰驱动飞片的作用原理,根据微装药器件的实际设计和相关实验,采用ANSYS/LS-DYNA流固耦合算法对叠氮化铜爆轰驱动飞片的作用过程作了数值模拟。具体研究了加速膛长度对飞片的平整性和完整性的影响,分析了微装药的尺寸与飞片速度之间的关系。研究结果表明:加速膛的长度对飞片的完整性、平整性和速度具有重要影响,在过长的加速膛中飞片飞行时易发生破碎,加速膛过短飞片的驱动速度不能达到最佳。装药尺寸与飞片速度之间关系密切,装药直径对飞片速度的前期成长影响不大,但对飞片获得的最大速度却有较为明显的影响;装药的直径大于0.8 mm时,增加装药直径并不能使飞片的最大速度明显增加。     

平面加载下球壳飞片的运动

本文叙述了利用脉冲X射线摄影方法,观测半球壳飞片在平面爆轰波作用下的变形及运动规律,并将二维数值模拟结果同实验结果进行比较,两者的符合性较好。     

PBX-01炸药水中爆轰产物状态方程研究

提出通过水中实验确定炸药的水中爆轰产物JWL状态方程参数的方法;选择PBX-01高能炸药进行水中实验,利用ANSYS/LS-DYNA程序建立炸药的水中实验模型,将实验结果与数值计算结果进行对比,确定PBX-01炸药水中爆轰产物的JWL状态方程参数。研究结果显示,圆筒实验确定的JWL参数在反映炸药水中爆轰产物的膨胀状态时有所不足,水中实验确定的JWL状态方程参数能够更准确地描述PBX-01炸药水中爆轰产物的膨胀过程,因此对水中爆炸的研究需要通过水中爆炸实验建一套状态方程参数。     

爆轰产物组成和爆轰参数计算方法的理论研究

为实现爆轰产物组成和爆轰参数的计算,采用拉格朗日乘数法和牛顿迭代的方法预测爆轰产物组成,利用BKW状态方程预测爆轰参数,在0~600 GPa和300~15 000 K压力温度范围内选取金刚石作为碳的生成相;对爆轰产物系统采用最小自由能原理,结合牛顿迭代法求解爆轰产物的化学平衡方程组;对BKW状态方程参数提出修订,取α=0.5,β=0.298,θ=6 620,κ=9.50;采用自编程序实现计算过程。使用此方法和Hugoniot关系计算密度为1.77 g/cm3的PETN爆轰CJ点爆轰参数验证计算精度,结果显示计算与实验结果的误差均小于1%。利用此方法结合Hugoniot关系预测出爆轰CJ点的产物密度为2.43 g/cm3。     

基于误差马尾图量化爆轰数值模拟结果的置信度

针对爆轰流体力学数值模拟过程中输入参数的不确定性, 通过抽样技术, 形成确定性爆轰流体力学程序的各种输入和数值求解, 建立输入参数与输出响应量的样本, 再通过概率框架下的误差累积分布函数与马尾图, 给出了爆轰数值模拟过程中输入参数不确定度对模拟结果影响的置信度量化方法。通过一维黎曼问题、平面爆轰问题计算了误差马尾图, 给出了二维爆轰拉氏自适应流体动力学LAD2D程序计算网格与模拟结果置信度的关系, 对多物理爆轰过程发展高置信度数值模拟软件有很好的借鉴作用。     

直管内胞格爆轰的基元反应数值研究

基于基元反应和二维欧拉方程，对直管内胞格爆轰进行了数值模拟。采用5阶WENO(weighted essentially nonoscillatory scheme)求解对流项，采用2阶附加半隐的龙格-库塔法处理化学反应源相引起的刚性。获得了密度、压力、温度和典型组元质量分数流场及数值胞格结构等。结果表明:网格精度的差异明显影响胞格的规则性和爆轰的平衡模数，随着网格尺度的减小，胞格由不规则变为规则。预混气组成、初压、初温及管道宽度给定，三波点数收敛为确定值。足够强度的初始扰动可再现胞格爆轰，最终形成的自持胞格爆轰模数与初始扰动的形状、大小、位置均无关。沿胞格中心线，爆轰波速度变化范围为0.88DCJ~1.5DCJ，爆轰波平均速度与CJ爆轰速度仅偏差0.88％。峰值压力与初压之比为14~50。计算爆轰波平均速度、胞格宽长比与实验值基本一致，但计算胞格宽度比实验值略小。数值模拟加深了对横波的产生和发展、未反应气囊、爆轰胞格的二次起爆等胞格爆轰特性的认识。     

2021-08期封面

铝粉反应模型是对悬浮铝粉尘气-固两相爆轰进行数值模拟研究的关键。通过考虑铝粉燃烧产物氧化铝（Al₂O₃）在高温下的分解吸热反应,改进了铝粉的扩散燃烧模型。将该模型嵌入到三维的气-固两相爆轰数值计算程序中,分别对铝粉/空气混合物以及铝粉/氧气混合物的爆轰进行了数值模拟,计算得到的稳定爆轰波速度与实验结果、文献值均吻合较好,误差小于5.5%,表明改进的铝粉反应模型适用于不同氧化气体氛围中铝粉尘爆轰的模拟计算。此外,对两相爆轰参数及爆轰流场的物理量分布进行分析,获得了铝粉反应模型对爆轰波结构的影响规律。     

组合状态方程在数值计算上的应用及分析

利用建立在爆轰产物实验等熵线数据上的组合状态方程以及常用的Jones-Wilkins-Lee (JWL)和Becker-Kistiakowsky-Wilson (BKW)爆轰产物状态方程进行了爆炸数值分析。状态方程数值计算的压力波形与实验波形的对比表明:组合状态方程和JWL状态方程计算的波形的到时、峰值、形状能够与实验吻合;BKW状态方程等熵式计算的数值波形峰值基本能够与实验吻合,但形状吻合不佳。     

高-低爆速圆板炸药串联爆轰引起平面爆轰波的变凸现象

为分析高-低爆速圆板炸药于空中串联爆轰时平面爆轰波在传播过程中演变成凸面波的现象,分别对平面爆轰波阵面后爆轰产物状态参数的分布、有效药量与柱面装药几何尺寸的关系、爆轰产物的状态方程及强爆轰关系式进行了讨论。并以100 mm50 mm的TNT与RC炸药串联爆轰为例,描述了平面爆轰波演变为凸面爆轰波的过程,预估了爆轰波的平面范围和波形差。预估结果与实验结果基本符合。     

可燃介质中飞行圆球诱导斜爆轰的流场结构

基于带化学反应的二维轴对称Euler方程,利用带有Superbee限制函数的波传播算法,对氢/氧/ 氮预混气中飞行圆球诱导斜爆轰进行了数值模拟。结果表明,在达姆科勒数Da略大于临界情形时,圆球诱导 的驻定爆轰是一个由强过驱斜爆轰、弱过驱斜爆轰、反应激波和惰性激波组合而成的复合结构。波后的圆球 绕流流场内存在2个亚音速区和1个超音速区。在圆球背风表面,还形成了第2道斜激波。     

射孔弹爆轰波间干扰的有限元分析

通过有限元显式动力分析程序的显式算法,对石油射孔弹顺序起爆后弹间爆轰冲击波干扰的过程进行了2维数值模拟,并考虑了弹体对弹间干扰的影响,对模拟结果进行了讨论;分析了影响高孔密射孔技术的弹间干扰产生的原因,主要是爆轰冲击波的压力场受到不同程度的干扰,致使初始爆轰波形破坏.计算结果与已有的物理现象和规律吻合,说明该计算模型和...     

Ar稀释C2H2+2.5O2预混气高频爆轰的端面结构

为了研究预混气爆轰的内部结构,对不同浓度的Ar稀释的C₂H₂+2.5O₂预混气进行爆轰实验和数值计算。首先,在内径63.5 mm的管道内进行爆轰实验,使用烟熏玻璃记录了不同初始压力下C₂H₂+2.5O₂预混气的爆轰端面结构。使用数字化图像处理技术来分析烟熏玻璃记录的三波点轨迹,以减少人为误差。然后,观察实验结果并描绘规则图形,图像识别程序经过验证后,用于分析实验结果。从端面结构中对封闭图形进行圆的拟合,用胞格半径方差来表示胞格大小的均匀程度;用相邻胞格圆心距的方差来表示胞格分布的规则程度。通过对比不同Ar稀释下半径方差和圆心距方差随胞格数量的变化,给出不同浓度Ar稀释下C₂H₂+2.5O₂预混气的端面胞格尺寸及分布规律,随着Ar浓度的升高,预混气端面胞格分布更加规律。