CTVD格式数值计算非均质炸药爆轰问题

将高分辨率激波捕捉格式CTVD格式拓展应用到非均质炸药爆轰的数值模拟问题.增加了化学反应率控制方程,引入Lee-Tarver点火成长模型,未反应的固体炸药和化学反应气体产物都使用JWL形式状态方程.数值模拟了非均质固体炸药PBX-9404和TATB的冲击起爆问题.获得了较高的爆轰波分辨率和光滑解区的数值精度,对具有复杂物态方程形式的固体炸药爆轰问题,CTVD格式具有简单实用、高效和高分辨的特点.     

战斗部爆轰产物温度效应数值模拟

 利用BKW代码、JWL方程和LS-DYNA程序，研究了无约束、弱约束和强约束等三种战斗部约束条件下炸药爆轰产物密度随时间的变化关系，再结合爆轰产物HOM状态方程获得爆轰产物温度随时间的衰变函数。给出了战斗部爆轰产物温度的理论计算方法。研究表明，爆轰区内爆轰产物温度及其衰减速率并不均匀，战斗部炸药的约束条件对爆轰产物密度和温度有重要影响，强约束可以延缓爆轰产物密度和温度的衰减，相同情况下仅战斗部壳体厚度加倍并不会导致爆轰产物密度和温度的衰减情况同比例变化。     

基于Mie-Grüneisen状态方程的爆轰波运动数值模拟

依据C-J（Chapman-Jouguet）理论,对爆轰问题中的气态爆轰产物和未反应炸药分别考虑不同的参考状态,并根据参考状态选用特定的Mie-Grüneisen状态方程。忽略化学反应过程,爆轰产物厚度为零的前导激波面以界面的形式存在。数值模拟中,爆轰波的演化分为波面传播以及与未反应介质相互作用两个部分。传播过程中,爆轰波的传播速度即恒定的爆速,爆轰产物在传播过程中瞬间形成,而相互作用过程则是通过Mie-Grüneisen多介质混合模型来计算爆轰波的持续冲击作用。借助于Mie-Grüneisen状态方程以及Mie-Grüneisen多介质混合模型,可以很好地模拟爆轰波的运动过程。对比理论参数及文献的计算结果发现,模拟结果具备较好的准确度。     

应用Monte Carlo方法模拟爆轰产物状态方程的研究进展

 应用Monte Carlo方法模拟爆轰产物状态方程,区别于建立在球形分布分子势基础上的传统爆轰产物状态方程计算方法,从原子水平上直接模拟实际炸药的爆轰产物状态方程,克服了传统方法中混合产物状态方程不精确的缺点。综述了该方法的历史背景及发展现状。对模拟中宏观量的描述、统计平均的计算、势函数的选取及边界条件进行了详尽描述。     

论VLW状态方程

 论述了VLW状态方程中爆轰产物分子势参数的确定；根据不同类型炸药爆轰性能参数计算结果对炸药爆轰产物碳在CJ态的相进行了分析讨论，认为不同的炸药，产物碳有石墨和金刚石两种相存在；将VLW状态方程和BKW状态方程进行了比较分析，指出了BKW状态方程与VLW状态方程的区别及其产生的原因，并给出了VLW状态方程计算含能材料（包括高能炸药、燃料空气炸药、民用炸药）的爆轰性能参数计算结果。结果表明，计算值与实验值符合较好。     

HMX炸药燃烧转爆轰数值模拟

以两相流模型为基础,气相产物状态方程采用基于统计物理的类CHEQ的计算结果,建立了HMX炸药的燃烧转爆轰数学模型。采用CE/SE方法模拟了颗粒度为125μm的HMX炸药的燃烧转爆轰过程,得到了爆轰参数及流场变化规律。模拟了装填密度对HMX炸药燃烧转爆轰的影响,并与实验进行了对比。数值模拟结果表明,在相同的点火条件下,爆轰成长距离在一定范围内随装填密度呈"U"形变化。     

PETN炸药爆轰产物状态方程的理论研究

 采用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自由能最小原理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。使用该理论计算PETN炸药Chapman-Jouguet（CJ）点的爆轰参数,其值与实验值符合得很好;同时计算了以CJ点为起始点的等熵卸载线,并与传统的Jones-Wilkins-Lee（JWL）状态方程的计算结果进行比较,发现计算的γ值是单调递减的,而JWL状态方程计算的γ值却出现了“双峰”现象。分析认为,传统的JWL状态方程给出的“双峰”变化,是由其函数形式自身决定的,并不对应实际物理过程。     

超压爆轰产物声速以及热力学CJ点的实验研究

超压爆轰产物声速是建立超压爆轰产物状态方程的基础性实验数据,而CJ点数据是反映炸药爆轰性能的重要参数。利用稀疏波追赶技术,通过光纤探针监测三氯甲烷中稀疏波追赶向前冲击波的过程,测量了不同压力点下JB-9014炸药超压爆轰产物的声速,得到了拉格朗日声速随粒子速度的变化曲线,由Lc线与稳定爆速D的交点确定了热力学CJ点,对JB-9014炸药所得到的CJ压力为28.8 GPa,与通常测量值28.5 GPa仅相差0.3 GPa。介绍了应用光纤探针测量爆轰驱动飞片的速度和平面性的方法,应用该方法得到了飞片的击靶速度和形状,此方法具有较高的测量精度。     

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     

炸药条加载圆柱壳的数值模拟（Ⅰ）：流固耦合模拟

 对炸药条加载圆柱壳模拟X射线力学效应的试验进行了流固耦合数值模拟。首先建立了包括圆柱壳、两层缓冲橡胶、炸药条和空气在内的二维数值模型,其中,两层橡胶采用Ogden超弹性本构模型描述,炸药条及其爆轰产物采用高能炸药燃烧（High Explosive Burn）模型和JWL状态方程描述,空气采用多项式状态方程描述。然后采用多物质ALE流固耦合算法进行计算,获得了爆炸加载的物理图像、载荷传递与结构响应。结果表明,采用19条炸药条加载265 mm的圆柱壳模拟X射线余弦载荷作用,特征点应力响应基本等效;试验附加的两层橡胶对结构响应特征具有影响,在壳体质量较小和（或）刚度较低的情况下,紧密粘接会引起结构响应失真。     

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.     

用TNT的{D,ρ0}实验数据对爆轰的ZND理论的检验

爆轰产物中或多或少含有固态碳 ,一相的排平物态方程被推广为两相的之后 ,以某种炸药的一条已知等熵线为参考曲线 ,就可以用来估算其各种初始装药密度下的爆轰参数 .用产物中含碳量较多的TNT的 {D ,ρ0 }实验数据与理论估算值相比较 ,可以对爆轰的ZND理论的假设进行检验 .检验的结果再一次表明 ,爆轰的ZND理论的假设是成立的 ,并且排平物态方程是恰当的爆轰产物的物态方程 .     

Sensitivity of run-to-detonation distance in practical explosives

The dynamics of detonation in a granular explosive following a piston impact is examined computationally for a two-phase model. Different choices are considered for equations of state and reaction rate. Of special interest is the behaviour of the run-to-detonation distance as a function of the initial porosity of the explosive, for which new experimental information has recently become available. It is found that this response can vary both qualitatively and quantitatively depending upon the constitutive input to the model. Computations based upon up-to-date equation-of-state and reaction-rate information for the explosive PBX-9501 show that the response of the run-to-detonation distance as a function of the initial porosity is in the shape of an inverted U, which is in qualitative agreement with the latest experiments. Mechanisms responsible for this behaviour are identified.     

一个高效的离散Boltzmann爆轰模型

构建一个适用于爆轰过程模拟的离散Boltzmann模型.该模型由一个离散Boltzmann方程和一个唯象反应率方程构成;在物理建模上,它等效于一个传统Navier-Stokes模型外加一个关于热动非平衡行为的粗粒化模型.与传统流体模型相比,它能够提供更多的动力学和动理学信息.该模型采用16个离散速度,相比于使用33个离散速度的模型具有更高的运算效率,模型中引入了额外自由度,通过调节额外自由度的数目,可以模拟各种不同比热比的爆轰.采用爆轰问题中的一些经典算例对所建立的模型进行数值验证.结果表明：该模型不仅对传统流体模型所能模拟的爆轰问题有效,而且能够用于一些传统流体模型不能描述的非平衡过程,有利于对爆轰问题的深入研究.     

钝感高能炸药爆轰产物JWL状态方程再研究

对钝感高能炸药JB-9014的爆轰产物JWL状态方程进行了深入研究。利用改进的圆筒试验技术,得到了筒壁膨胀的质点速度、位移和加速度的实验结果;通过解析分析和曲线拟合相结合的方法,确定了爆轰产物JWL状态方程参数;采用ANSYS/LS-DYNA3D程序进行了数值模拟,并与实验结果进行了对比和分析,验证了状态方程参数的适用性。     

Detonation of explosive Proppant: RDX-containing water-saturated sand

The results of experimental investigations and thermodynamic calculations of the detonation of explosive proppant, an RDX-containing water-saturating sand, are reported. The material studied is of interest for use as an explosive additive to propping material injected into hydraulic fractures of oil-bearing beds. The tests were conducted in duralumin casings with cylindrical or planar inner channels. The dependences of the detonation velocity on the RDX content in the mixture in the range of 14 to 74 wt %, RDX and sand particle size, and initial temperature are examined. The critical detonation diameter of the charge decreases with increasing content RDX in the mixture, being only several millimeters at RDX contents of 30 wt % and above. Polydisperse RDX provides a high detonability of such mixtures; use of narrow particle size RDX fractions, especially coarse (0.4–0.7 mm), significantly increases the critical detonation diameter. As the initial temperature of the mixture is increased from 20 to 90°C, the critical detonation width decreases severalfold. The detonation of mixtures in a convergent planar channel occurs at a constant rate, which differs little from the detonation velocity measured in a cylindrical channel. Reaching the place where the opening of the channel is less than the critical width, detonation fails abruptly. Thermodynamic calculations of the detonation characteristics of the explosive proppant are performed using the BKWS equation of state under the assumption that the sand component behaves as an inert additive, being in mechanical equilibrium with the detonation products of the RDX-water mixture. A satisfactory agreement with the experimental data on the detonation velocity and its dependence on the RDX content is demonstrated. This makes it possible to conclude that RDX mixed with water-saturated sand detonates within a narrow reaction zone without significant convective heat transfer to the inert additive.     

散心爆轰的数值模拟

本文在瞬时稳态爆轰的假定下,简要叙述了散心爆轰的不定常性质。在散心爆轰的数值模拟方法中,我们改进了人造粘性并用Cochran反应率和JWL状态方程来描述炸药的引爆过程。计了几个典型的散心爆轰问题,得到了比较满意的结果。     

A particle level-set based Eulerian method for multi-material detonation simulation of high explosive and metal confinements

The multi-material numerical simulation for energetic system that consists of a high explosive charge and an inert confinement is carried out with an accurate and state-of-the-art Eulerian method. An explosively driven copper tube results in a state of extreme temperature and pressure, coupled to a high speed structural response of metal due to a detonating high explosive (HE). We use the experimentally tuned Ignition and Growth (or JWL++) rate equation for the HE while the elasto-plastic response of inert is modeled by the Mie–Gruneisen equation of state (EOS) and the Johnson–Cook strength model. A new particle level-set based reactive Ghost Fluid Method (GFM) that imposes exact boundary conditions at the material’s interface according to physical restraints is developed to simulate the multi-material detonation problem. Our calculations reproduce the experimental data of both unconfined and confined rate stick problems, suggesting that the method is suitable for detonation simulation of energetic systems.