云爆弹外壳体厚度对威力的影响规律研究

通过对不同厚度壳体的速度和动能进行理论分析,给出了壳体对燃料抛撒的影响规律;同时开展了不同厚度壳体的云爆装置试验,得到了装置威力与壳体厚度的关系.研究结果表明:采用薄壳体,并加强壳体与端盖的连接强度,可以提高中心抛撒药能量的利用率,进而提高一次起爆型燃料空气弹(SEFAE)的威力,试验结果与理论分析结果一致.     

方形爆炸抛撒装置结构优化

为了研究方形抛撒装置壳体破坏规律及燃料分散特性,开展了抛撒装置外场实验并利用LS-DYNA仿真软件进行了数值模拟,模拟结果与实验结果相吻合。进一步分析装置倒圆角及刻槽深度对壳体破裂效果及燃料分散速度的影响规律,结果表明:倒圆角与增加刻槽深度有利于减小壳体棱边处应力集中的影响,圆角半径增至10 mm或刻槽深度增至1.2 mm时,棱边处不再破裂;同一装置壳体边部和中部位置采用不同深度的刻槽可有效减少壳体破裂不均现象。当边缘处刻槽深度为1.2 mm、中间刻槽为1.6 mm时,壳体均匀破裂;当棱边处倒10 mm圆角,边部刻槽深度为0.8 mm,中部刻槽为1.2 mm时,抛撒装置既能满足壳体均匀开裂,又可提高壳体强度,同时可将燃料分散平均速度差值降低22%,从而有效提高燃料抛撒效率。     

燃料爆炸抛撒过程的实验研究

 通过高速录像对3种量级（5、20、50 kg）FAE装置的静爆实验进行了现场记录，通过对燃料爆炸抛撒形成云雾的成长过程的实时记录结果，把燃料的爆炸抛撒过程分为3个阶段：喷出阶段、过渡阶段和膨胀阶段，其依据是爆炸驱动力和气动阻力的相互作用而导致的云雾径向膨胀速度的变化；对于结构相似的FAE装置，爆炸抛撒各阶段结束时刻及最终的云雾直径与装填燃料量的立方根成正比，说明小型装置可以模拟大型FAE武器；此外对应于不同阶段结束时刻的云雾直径与装置直径的比值分别为5.5、30和45。     

燃料抛撒成雾及其燃烧爆炸的光滑离散颗粒流体动力学方法数值模拟研究

燃料在炸药爆炸驱动下形成燃料空气爆炸云团, 进而引燃爆炸, 对目标造成毁伤. 本文在前期提出的光滑离散颗粒流体动力学方法(SDPH)的基础上, 引入描述炸药由爆轰到膨胀整个过程的Jones-Wilkins-Lee状态方程及描述气体快速燃烧过程的EBU-Arrhenius燃烧模型, 建立了求解战斗部起爆、燃料抛撒和燃料二次引燃爆炸问题的新型SDPH方法. 设计了圆环形燃料颗粒在炸药爆炸驱动下运动抛撒的算例进行数值验证, 结果与理论相符; 对燃料空气炸药(FAE)云雾的形成和发展过程进行了数值模拟, 分析了云雾的形态, 并与实验结果进行对比, 符合较好, 同时分析了不同起爆方式对云雾团成型的影响; 最后, 在云雾团成型的基础上, 引入蒸发燃烧模型对FAE的燃烧爆炸过程进行了模拟研究. 结果表明, 本文建立的数学模型和计算方法可以较好的模拟燃料空气炸药抛撒成雾及云雾燃烧爆炸过程, 为该类武器装备的设计研究提供了较好的数值方法.     

FAE燃料配方和工艺研究

设计了应用于二次点火体系的含铝燃料配方和工艺，通过5L燃料抛撒装置的静态爆轰试验，研究了铝粉含量和形状对爆轰威力的影响。试验结果表明：(1)相对于采用球状铝粉的燃料配方，采用片状铝粉的燃料配方具有引爆延时范围宽、起爆可靠性好、爆轰威力高等优点。根据爆轰过程的录像，我们对试验结果进行了分析。球状铝粉在抛撒分散过程中具有较高的初始速度，减速形成紊流云团的时间较短、直径较大，因而难于找到最佳爆轰浓度形成的时机；片状铝粉在抛撒分散过程中的初始速度相对较低，减速形成紊流云团的时间较长、直径较小，因而易于找到最佳爆轰浓度形成的时机。不过，采用球状铝粉的燃料配方，其抛撒分散形成云团的形状较规则、直径较大，估计在大装药量的装置中有一定的应用前景。(2)相对于采用片状铝粉的燃料配方，采用球状铝粉的燃料配方具有很好的工艺性能。其原因在于，球状铝粉的形状规则、对称，颗粒相互之间的接触面积较小，     

爆炸作用驱动液体抛撒初始阶段数值仿真

 针对灭火战斗部引战配合设计,研究爆炸作用驱动液体（水基灭火剂）抛撒初始阶段的特性。依据典型灭火战斗部的结构建立数值仿真模型,采用LS-DYNA软件进行仿真计算,分别获得了加载系数（驱动装药与液体的质量比）对壳体破裂时间和壳体破裂初期液体/空气界面运动速度的影响规律,以及液体/空气界面后续的运动特性。进行了同条件下爆炸驱动水基灭火剂抛撒实验,得到了不同加载系数条件下壳体破裂初期液体/空气界面的运动速度。实验结果与数值仿真结果吻合良好,表明所采用的数值仿真方法具有正确性和有效性,对相关问题的研究具有重要参考价值。     

柱形装药水中爆炸气泡的形态演变

 采用高速摄影方法在实验水箱中获得了长径比为3.35~6.75的柱形PETN炸药水中爆炸气泡脉动的图像,进而结合真实的爆轰过程和Rayleigh气泡运动方程,研究了气泡的形态演变规律。研究结果表明,柱形装药在水中爆炸时,形成的初始气泡的形状为非球对称形,这种非对称特征随长径比的增加而增大。气泡表面的运动也表现出明显的非球对称特征,气泡表面在装药径向的膨胀运动呈指数衰减,在装药轴向两端的膨胀运动更接近于分段线性衰减。气泡表面的不对称运动与柱形装药水下爆炸的能量输出结构不均有关,与冲击波的有效能量分布规律是相似的。     

爆炸驱动动能杆定向抛撒散布试验

动能反导技术作为新型的反导技术，原理是在拦截弹和目标的相对速度方向上，抛射出大量动能杆条毁伤目标。其核心技术之一就是动能元素的抛撒，特别是定向抛撒。国外研究一般集中针对既定抛撒装置结构的杆条抛撒结果验证性报道，缺乏对杆条抛撒影响因素的详细研究。本文提出了采用周向弧形状药选择区域爆炸驱动中心杆条束定向侧向飞散的动能扦定向抛撒装置方案，设计不同结构参数的杆条定向抛撒装置的试验，研究抛撒结构参数对动能杆的驱动特性影响规律，为新概念反导战斗部设计提供技术帮助。     

爆炸下限临界浓度丙烷-空气混合过程及可燃性研究

丙烷是液化石油气的主要成分之一,爆炸下限的丙烷-空气浓度分布及其可燃性是液化石油气安全技术措施的基础。采用Fluent软件,建立三维数学模型,在长径比分别为1、3、5和7的容器内,模拟了爆炸下限的丙烷-空气混合过程和燃烧过程,分析了爆炸下限的丙烷-空气不均匀分布时对混合气体燃烧的影响。实验数据验证了该数值模型的合理性。在重力作用下丙烷-空气浓度分布不均匀,长径比增大,丙烷浓度梯度增大。浓度分布不均匀导致不同的点火位置对爆炸下限丙烷-空气燃烧有影响。容器长径比影响火焰传播,随着长径比增大,非均匀丙烷-空气混合气体超压峰值呈下降趋势,其超压峰值出现的时间变短。     

炸药爆炸作用下液体破碎后颗粒尺寸分布的研究

 对液体抛撒的液滴尺寸进行研究在军事和民用上是很重要的,国内刚开始使用激光散射仪开展此项研究工作。利用R. A. Dobbins等人的液体颗粒测量技术,研制了一套既简单又实用的测量液体抛撒过程中液滴尺寸的实验装置——激光散射仪。对于激光与液体微粒的相互作用,当微粒的反射与折射和吸收效应可被忽略时,可导出液体微粒对激光散射的光强公式。只要测量激光被微粒散射的光强,就可推算出微粒的Sauter平均直径。在使用激光散射仪测量液体抛撒液滴尺寸的实验中,用水代替爆炸抛撒液体,测量结果表明：液体抛撒二次破碎中,在固定位置测量到的云雾区液滴Sauter平均直径随测量时间的增加呈现出减小的趋势;而云雾区的宽度则随着与抛撒中心距离的增大而呈现出增加的趋势;云雾区前沿的液滴Sauter平均直径随着与抛撒中心距离的增加而呈现出先逐渐增大然后迅速减小的趋势。为便于比较,对燃料抛撒二次破碎进行了回收法测量和数值模拟计算,其测量与计算结果与用激光散射仪测量的结果有较好的一致性。     

超高速发射实验模型的数值计算

 采用三阶精度PPM（Parabolic Piecewise Method）方法和VOF（Volume of Fluid）相结合,运用Lagrange-Remapping算法,编制了多介质流体高精度欧拉计算程序MFPPM,可以对多介质复杂流场进行数值计算。对程序计算精度进行了测试,并应用于超高速发射实验模型数值计算,对Sandia实验室不带会聚作用的实验模型进行了一维计算以及带会聚作用的实验模型进行二维计算并与其实验结果和CTH计算结果进行对比,其中一维计算最大相对误差1%,二维计算相对误差4.7%,在此基础上对超高速发射设计模型进行了初步计算。     

微型雷管药高比对输出威力的影响

为了适应MEMS引信微型传爆序列的需求,针对微型雷管装药高度比对输出威力的影响开展了专门研究。改变装药直径为0.9 mm、装药高度为3 mm的微型雷管中起爆药与猛炸药装药高度比,用猛铜压阻传感器对爆轰输出压力进行测定,得到微型雷管中起爆药的临界高度为0.36 mm。当起爆药高度为1.65 mm时,微型雷管爆轰压力值最大,为10.3 GPa;当起爆药高度小于1.65 mm,HMX炸药高度大于1.35 mm时,随着起爆药高度的减小,猛炸药高度的增加,微型雷管的爆压值减小;当起爆药高度大于1.65 mm、HMX炸药高度小于1.35 mm时,随着起爆药高度的增加,猛炸药高度的减小,微型雷管的爆压值也减小。初步得出了羧铅起爆药和猛炸药的最佳高度比范围为0.69~2.26。     

On turbulent chemical explosions into dilute aluminum particle clouds

We use a hybrid two-phase numerical methodology to investigate the flow-field subsequent to the detonation of a spherical charge of TNT with an ambient distribution of a dilute cloud of aluminum particles. Rayleigh–Taylor instability ensues on the contact surface that separates the inner detonation products and the outer shock-compressed air due to interphase interaction, which grows in time and results in a mixing layer where the detonation products afterburn with the air. At early times, the ambient particles are completely engulfed into the detonation products, where they pick up heat and ignite, pick up momentum and disperse. Subsequently, as they disperse radially outwards, they interact with the temporally growing Rayleigh–Taylor structures, and the vortex rings around the hydrodynamic structures results in the clustering of the particles by also introducing local transverse dispersion. Then the particles leave the mixing layer and quench, yet preserve their hydrodynamic ‘footprint’ even until much later; due to this clustering, preferential heating and combustion of particles is observed. With a higher initial mass loading in the ambient cloud, larger clusters are observed due to stronger/larger hydrodynamic structures in the mixing layer – a direct consequence of more particles available to perturb the contact surface initially. With a larger particle size in the initial cloud, clustering is not observed, but when the initial cloud is wider, fewer and degenerate clusters are observed. We identify five different phases in the dispersion of the particles: (1) engulfment phase; (2) hydrodynamic instability-interaction phase; (3) first vortex-free dispersion phase; (4) reshock phase; and (5) second vortex-free dispersion phase. Finally, a theoretical Buoyancy-Drag model is used to predict the growth pattern of the ‘bubbles’ and is in agreement with the simulation results. Overall, this study has provided some useful insights on the post-detonation explosive dispersal of dilute aluminum particle clouds.     

装药方式对铜/钢爆炸焊接界面波的影响及波形成机理

为了改善爆炸焊接质量,解决高噪低效的问题,选取Cu为复板、Q235钢为基板,采用LS-DYNA软件和光滑粒子流体动力学方法分别设计了均匀布药和梯形布药方案,研究了硝铵炸药对爆炸焊接界面波的影响。均匀布药结果显示:沿着爆轰方向碰撞压力逐渐增大;炸药量越多,碰撞压力越大,界面波波形越大。梯形布药方案中,通过改变炸药起爆端和末端的高度,设计了4种方案,结果显示:梯形布药可以消除爆炸焊接界面波不均匀现象,使界面波形尺寸基本保持一致,而且节省了炸药用量;当起爆端和末端的高度分别为67.2 mm和42.0 mm时,波形效果最好。通过研究界面波的形成过程可知,SPH法模拟的界面波形成过程与复板流侵彻机理的一致性较好,证明了复板流侵彻机理解释界面波形成过程的有效性。     

平面二级炸药强爆轰驱动装置的优化设计

 在推广的Gurney理论模型基础上,采用遗传算法优化技术,对平面二级强爆轰驱动非线性问题进行了初步的优化设计。飞片及炸药的材料分别为钢及JO-9159,在初级飞片和次级飞片厚度分别为2.5 mm和0.5 mm时,得到了不同初级飞片速度（5.0～6.5 km/s）下次级飞片的最大速度及对应的次级炸药最佳厚度。并对铝、铜、钼及钽等几种典型金属材料飞片进行了计算,得到了初级飞片速度为5 km/s时对应的次级炸药最佳厚度等优化参数。这些计算结果可以为二级强爆轰驱动装置的实验设计提供重要参考。     

裸爆和特制半球形结构内爆超压对比实验研究

 爆炸焊接过程会产生爆炸地震、冲击波、有毒气体和噪音等有害效应。设计并制作一个直径为36 m、入口和排烟口直径分别为8 m的半球形结构,用以降低爆炸焊接过程中产生的超压影响。为了研究实际超压降低效果,进行了裸爆和按1/6比例建立的半球形结构内爆炸的超压对比实验。实验结果表明：当超压的传播距离大于20 m时,这种半球形结构能有效降低爆炸焊接过程中产生的超压;对于相同的超压传播距离,切线方向（垂直于半球形结构入口方向）比径向方向（半球形结构入口方向）的超压降低效果好。结合冲击波的传播和反射特点,对超压降低的可能原因进行了分析。     

等离子屏蔽效应下飞秒激光照射金箔的分子动力学模拟

采用耦合了双温度模型的分子动力学方法对飞秒激光烧蚀金箔的传热过程进行了模拟研究,考虑了非傅里叶效应,探究了不同激光能流密度下等离子体羽流的屏蔽作用.根据密度分布将激光烧蚀过程中的金箔划分为过热液体层、熔融液体层和固体层,并比较了不同激光能量密度下过热液体层表面发生的相爆炸沸腾现象以及表面温度的变化情况.结果表明,随着激光能量密度的增大,等离子体的屏蔽比例几乎呈线性增大.在激光的烧蚀过程中,金箔的上表面最先经历液体层以及过热液体层,并且随着时间的推移,液体层和过热液体层逐渐向金箔底部移动.过热液体层发生体积移除的相爆炸沸腾是金箔烧蚀的主要方式,随着激光能量的增大,爆炸沸腾发生的时间提前,并且结束的时间相应延后,持续时间变长.