炸药爆轰的连续介质本构模型和数值计算方法

假定炸药和爆轰产物处于局部热力学平衡状态, 即它们的压力和温度相同, 利用热力学基本关系建立炸药爆轰过程的连续介质本构模型的一般理论框架. 在此框架下, 炸药爆轰本构模型由一组常微分方程构成, 包括炸药和爆轰产物的状态方程、简单混合法则、化学反应速率方程和能量守恒方程, 易于由成熟的计算方法如梯形法等进行求解. 一组广义Maxwell型非线性固体本构形式的微分方程描述了压力和温度随时间的演化速率与应变率和化学反应速率的关系, 借助简单混合物理论, 其中的系数由炸药和爆轰产物的材料参数确定. 未反应的炸药和爆轰产物采用JWL状态方程, 化学反应率方程采用Lee-Tarver点火-燃烧二项式模型, 模拟PBX-9404炸药的一维冲击波起爆过程和爆轰波传播过程. 计算结果表明了本文给出的本构模型和相应计算方法的有效性. 关键词： 炸药爆轰 本构模型 化学反应率方程 数值模拟     

一种基于特征理论模拟凝聚炸药爆轰的单元中心型Lagrange方法

提出一种数值模拟凝聚炸药爆轰问题的单元中心型Lagrange方法.利用有限体积离散爆轰反应流动方程组,基于双曲型偏微分方程组的特征理论获得离散网格节点的速度与压力,获得的网格节点速度与压力用于更新网格节点位置以及计算网格单元边的数值通量.以这种方式获得的网格节点解是一种"真正多维"的理论解,是一维Godunov格式在二维Riemann问题的推广.有限体积离散得到的爆轰反应流动的半离散系统使用一种显-隐Runge-Kutta格式来离散求解：显式格式处理对流项,隐式格式处理化学反应刚性源项.算例表明,提出的单元中心型Lagrange方法能够较好地模拟凝聚炸药的爆轰反应流动.     

CE/SE方法数值模拟炸药粉尘爆轰

采用CE/SE方法数值模拟悬浮在空气中的RDX炸药粉尘的两相爆轰过程.炸药颗粒在爆轰波阵面后的高温高速气流中加速并升温,释放能量支持爆轰波传播.数值模拟爆轰波管中的粉尘爆轰,得到爆轰波流场中的物理量分布,确定爆轰参数,数值结果与文献符合较好.数值模拟复杂通道中的炸药粉尘爆轰,预测了爆轰波的发展和传播过程以及爆轰波后的流场演化.数值结果表明CE/SE方法能成功模拟气体-固体两相爆轰,为粉尘爆轰的研究提供了新的数值预测手段.     

Numerical Simulation of Explosive Dust Detonation with CE/SE Method

采用CE/SE方法数值模拟悬浮在空气中的RDX炸药粉尘的两相爆轰过程.炸药颗粒在爆轰波阵面后的高温高速气流中加速并升温,释放能量支持爆轰波传播.数值模拟爆轰波管中的粉尘爆轰,得到爆轰波流场中的物理量分布,确定爆轰参数,数值结果与文献符合较好.数值模拟复杂通道中的炸药粉尘爆轰,预测了爆轰波的发展和传播过程以及爆轰波后的流场演化.数值结果表明CE/SE方法能成功模拟气体-固体两相爆轰,为粉尘爆轰的研究提供了新的数值预测手段.     

拉氏程序使用减敏模型模拟炸药绕爆问题

利用二维拉氏非结构网格爆轰流体程序对高能炸药的爆轰波绕爆问题进行数值模拟.拉氏程序对绕爆问题进行模拟时,会引起网格严重扭曲,导致网格大变形.使用JWL状态方程和三项式反应率,拉氏程序得到的绕爆数值结果与实验定性相同,较好地模拟了爆轰波绕爆过程中的漩涡现象.为了模拟一些钝感炸药在绕爆过程中的死区现象,在炸药反应率中加入减敏因子,模拟结果捕捉到死区,并与国外文章中的数值模拟结果定性相同.     

固体炸药爆轰的一种考虑热学非平衡的反应流动模型

基于固体炸药爆轰过程中化学反应混合区内的固相反应物与气相生成物处于力学平衡状态及热学非平衡状态的事实,提出一种考虑热学非平衡效应的反应流动模型来描述固体炸药的爆轰流动现象.该爆轰流动模型的主要特点是,在反应混合物Euler方程和固相反应物质量守恒方程的基础上,通过附加一套关于固相反应物的组分物理量的流动控制方程来表达固相反应物与气相生成物之间的热学非平衡效应.根据反应混合区内固相反应物与气相生成物这两种化学组分保持各自内能守恒的混合规则,并借助它们具有压力相等的性质以及满足体积分数总和为1的条件,推导获得的附加方程有：固相反应物的内能演化方程、体积分数演化方程及反应混合物的压力演化方程.这样,建立的爆轰模型包括：反应混合物的质量守恒方程、动量守恒方程、总能量守恒方程、压力演化方程,以及固相反应物的质量守恒方程、内能演化方程、体积分数演化方程.对所获得的爆轰模型方程组采用一个时空二阶精度的有限体积法进行数值求解,典型爆轰问题算例结果表明本文提出的固体炸药爆轰模型是合理的.     

气相爆轰波数值模拟中化学反应模型研究

 基于改进的时 空守恒元解元算法对气相爆轰波数值模拟中3种常用化学反应模型(二步模型,基元反应模型和Sichel的二步模型)进行了考察。对平面爆轰波和具有胞格结构的爆轰波进行了数值模拟,并对数值结果进行了比较和讨论。结果表明3种化学反应模型得到的爆轰参数准确性有所差异,但得到的胞格结构均能和实验结果较好吻合。3种化学反应模型在爆轰波数值模拟中各有优缺点,应视具体问题决定使用哪种化学反应模型。     

气相爆轰高阶中心差分-WENO组合格式自适应网格方法

研究一种高阶中心差分-WENO组合格式,并采用自适应网格方法进行二维和三维气相爆轰波的数值模拟.采用ZND爆轰模型的控制方程为包含化学反应源项的Euler方程组.组合格式在大梯度区采用WENO格式捕捉间断,在光滑区采用高阶中心差分格式提高计算效率.采用一种基于流场结构特征的自适应网格.计算结果,表明这种方法同时具有高精度、高分辨率和高效率的特点.     

爆轰波在炸药-金属界面上的折射分析

针对爆轰波在炸药-金属界面上折射时由实验获得的金属折射冲击波压力与经典爆轰波极曲线理论预测的压力存在显著差异这一问题, 本文展开了进一步的理论和数值模拟分析研究. 首先通过分析指出经典爆轰波极曲线理论的缺陷, 并对爆轰波极曲线理论进行了改进, 改进爆轰波极曲线理论给出了炸药爆轰波折射类型以及折射冲击作用点处的压力值. 然后发展了一个基于次特征理论来数值求解爆轰反应流动控制方程的二阶中心型Lagrange方法, 并数值模拟了一个典型的炸药爆轰波折射实验. 改进爆轰波极曲线理论和数值模拟分析结果表明, 爆轰波折射类型有三种:反射冲击波的正规折射、带Mach反射的非正规折射、无反射波的正规折射, 并且金属折射冲击波压力值随入射角增大而单调减小.     

爆轰波在弯管内传播过程数值分析

应用基元反应模型和频散可控耗散格式(DCD)对氢氧爆轰波在弯管内的传播过程进行了数值模拟.计算中氢氧混合物化学反应采用了8种组分20个反应方程式.在处理化学反应引起的刚性问题时采用了时间算子分裂的方法.计算结果表明,在弯管小曲率半径壁面附近,由于膨胀稀疏作用,爆轰波强度减弱,在局部出现前导激波与放热反应区的解藕以及二次起爆现象;在弯管大曲率半径壁面上爆轰波在马赫反射和正规反射之间相互转变,使爆轰波加强.弯管内的爆轰现象与弯管曲率半径有关.     

炸药爆轰产物Jones-Wilkins-Lee状态方程不确定参数

Jones-Wilkins-Lee (JWL)状态方程是一种不显含化学反应、由实验方法确定参数的半经验状态方程, 能比较精确地描述爆轰产物的膨胀驱动做功过程. 在JWL状态方程中有多个未知(不确定)参数需要确定. 传统的确定JWL状态方程参数的方法是“调参数”, 人为因素影响较大, 无法给出参数的不确定性信息. 本文利用贝叶斯分析方法研究了炸药的不确定参数, 该方法能够基于以往的认识、实验和模拟数据标定(calibration)不确定参数. 在本文结果中, 不确定参数的后验分布均值与文献结果相符合, 基于参数标定结果的数值模拟90%置信区间完全包含实验数据. 数值标定结果说明贝叶斯参数标定适用于确定样品炸药的JWL状态方程参数. 特别是, 在本文JWL状态方程参数标定过程中极大地减少了人为因素的影响.     

基于统计物理的爆轰产物物态方程研究

用van der Waals等效单组分流体模型和Ross硬球微扰理论软球修正模型，计算爆轰气相产物的状态方程；用石墨相、金刚石相、类石墨液相和类金刚石液相４种相态描述凝聚成分，由Gibbs自由能最小确定不同状态下的凝聚产物相态.对爆轰产物混合系统采用Gibbs自由能最小原理，通过化学平衡方程组求解炸药爆轰产物系统的平衡组分，计算结果与Becker-Kistiakowsky-Wilson (BKW)和Lennard-Jones-Devonshire结果相近.使用该理论对炸药的爆轰参数做了预言，与BKW，Jo 关键词： 爆轰产物 物态方程 化学平衡方程组     

H32.685N16.8430O3.0和H8.154N4.5770O3.0炸药爆轰参数的数值模拟

用Gibbs自由能最小原理,通过解化学平衡方程组,求解HNO型炸药H32·685N16·8430O3·0(70/30Hydrazine/HydrazineNitrate)和H8·154N4·5770O3·0(21/79Hydrazine/HydrazineNitrate)爆轰产物系统的平衡组分,计算结果与用BKW和LJD方法计算的结果相近。以Ree修正的WCA状态方程并考虑Ross软球修正的硬球微扰理论作为爆轰气相产物的物态方程,用自编的程序对H32·685N16·8430O3·0和H8·154N4·5770O3·0炸药爆轰参数作了预言,爆轰CJ点的爆速、爆压和爆温的计算结果与实验值吻合得很好。     

贴体坐标系中多维非理想爆轰波阵面传播计算的位标函数法

 研究了贴体坐标系中非理想爆轰波阵面传播计算的位标函数法,给出了稳定的ENO差分格式、边界条件处理和计算实例。此方法特别适用于计算曲面边界炸药中的非理想爆轰问题。     

JO-9159炸药的初始密度对爆轰波反应区宽度影响的实验研究

 利用电磁法对两种具有不同初始密度的JO-9159炸药的爆轰反应区宽度进行了测量。结果表明,对于JO-9159这种爆轰反应区非常窄的炸药,既使爆轰达到了定常状态,化学反应仍然与炸药的初始物理状态有关。     

Effect of thermal pressure in converging detonation waves

Propagation of converging detonation waves in various explosives is studied using the equation of state, which considers both the thermal and elastic pressures. It is seen that the rate of increase of thermal pressure is higher than that of the elastic pressure during convergence. The present equation of state is better since it also gives the variation of temperature, whereas the polytropic form of the equation of state is independent of temperature. It is seen that the total detonation pressure is slightly greater than the elastic pressure. Results are compared with those reported elsewhere.     

On the structure and accuracy of programmed burn

Accurate computation of the evolution of a (typically curved) detonation front in a complex geometry, and of the state behind it, is a practical problem in the design of devices that use high-energy explosives. Direct numerical simulations are infeasible: accuracy demands high resolution of the smallest scale (the reaction zone), which is typically several orders of magnitude smaller than the device scale. Programmed burn is an engineering alternative that has been shown to produce acceptable results at a fraction of the cost. The underlying algorithm prescribes the trajectory of the detonation front a priori and replaces the actual reaction zone by a mock up that is a few computational cells thick and in which the reaction rate is taken to be a constant. The state of the explosive at the end of the reaction zone is thereby computed at a relatively modest cost, and the bulk of the computational effort is reserved for the region behind the reaction zone wherein the products of detonation perform useful work. The reasons for the remarkable fidelity to which the physical situation is captured by the programmed burn are not well-understood. This investigation, aimed at achieving such an understanding, considers a model problem for a steady, curved detonation propagating down a rate stick. It examines the pseudo-reaction-zone structure of the programmed burn, studies the sensitivity of the state of the reaction products to the choice of the reaction zone length, and compares the results to those for the actual, physical reaction zone. Conclusions are drawn as to the causes behind the success of the programmed-burn algorithm. The analysis is based on the asymptotic limits of small front curvature and small departures from the Chapman–Jouguet speed. Results are presented for ideal as well as nonideal explosives.     

非均匀炸药冲击起爆和起爆后的行为

 介绍并分析了Campbell 等人及其他作者研究非均匀炸药冲击起爆和起爆后行为所获得的实验结果，但不涉及其冲击起爆条件。足够强的冲击波进入非均匀炸药后，爆轰将瞬时（指不经过感应时间）且直接（指不经过其他过程，如爆燃）被引发；非均匀炸药起爆后，其中传播的自始至终是一个不断增长的爆轰波，直至发展为正常爆轰，整个过程都是爆轰的增长（新定义）过程。不存在由反应冲击波不断增长并转变为爆轰波的所谓向爆轰的增长。所谓向爆轰的增长，实际上是爆轰的增长（按新定义）的初期；Craig原定义的爆轰的增长，实际上是爆轰的增长（按新定义）的后期；而所谓反应冲击波，实际上是增长中的初期爆轰波。爆轰的增长（按新定义）是所有猛炸药的特性，炸药反应不充分并逐渐趋于充分是爆轰的增长的化学机制。