不稳定性对爆轰波楔面马赫反射的影响规律研究

采用一种两步化学反应模型对胞格爆轰波的楔面马赫反射过程进行了数值研究,从而澄清和解释胞格不稳定性对马赫反射发展模式和自相似性的影响。考虑到反应欧拉方程源项的刚性问题,本文采用附加RungeKutta方法耦合非刚性对流项和刚性反应源项,对流项的离散采用五阶精度的WENO格式。计算结果表明,对于稳定胞格爆轰波而言,其马赫反射过程本质上与ZND爆轰波的马赫反射是一致的,整体上不存在自相似性,胞格不稳定性只是造成了三波点轨迹线局部小振幅的波动。在楔面顶点附近,由于马赫杆是强过驱的,爆轰波的马赫反射过程是自相似的。在远场,爆轰波马赫反射的三波点轨迹线渐近的趋向于一条直线,说明重新获得了自相似性。对于不稳定的爆轰波,由于自身的不稳定性可以与马赫反射的强度相匹配,定义其三波点的轨迹是困难的,进行自相似性分析没有意义。     

简化CH4/O2/N2基元反应模型在爆轰模拟中的应用

基于改进的全耦合TVD格式和简化的基元化学反应模型,建立了二维可燃预混合气爆轰波传播过程的模型并编制了相应的CFD程序,对CH4／O2／N2预混气爆轰波的形成和传播进行了数值模拟。使用不同的计算初始条件来考察模型的计算模拟能力,计算结果表明,该模型能够精确捕捉爆轰波及其波后的反射过程,同时,也能够预测不同计算初始条件下爆轰波的传播轨迹。计算结果与相同条件下CJ爆轰理论模型的计算结果进行了比较,两者符合较好,这表明简化的CH4／O2／N2机理能够较好地应用于可燃气爆轰过程的数值计算中。     

爆轰波在楔面上反射数值分析

应用基元反应模型和频散可控耗散格式(DCD)对氢氧爆轰波在楔面反射进行了数值模拟,计算中氢氧混合物的化学反应采用了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,模拟了爆轰波在楔面反射由马赫反射向规则反射转变的过程,得到了反射转变临界角,同时考虑了初始压力和组分的影响,并和实验及理论分析结果进行了比较,结果是令人满意的。     

气相爆轰胞格结构和马赫反射数值模拟

采用简化二阶段化学反应模型和改进的高精度时空守恒方法 (CE/SE)对二维可燃气体DDT过程和爆轰波在楔面上的马赫反射进行了数值模拟 ,计算和实验结果的比较令人满意。     

爆轰波在突扩通道中传播的数值模拟研究

建立了描述甲烷 空气混合物爆轰波传播的单步化学反应爆轰模型 ,通过数值模拟研究了在二维突扩通道中爆轰波的强度变化和各种波行为。结果表明 :爆轰波在进入突扩通道初始阶段的衍射使爆轰波局部向爆燃转变 ;爆炸波在壁面发生马赫反射形成的高温高压区域将直接诱导自持爆轰波的重新形成。     

凝聚炸药中爆轰波马赫反射的实验研究

在一平板装药中,使两平面爆轰波以不同的角度相互碰撞。在一定条件下,产生非正常反射,形成超压马赫爆轰波。本文介绍了可以直接观测马赫爆轰波的形成、生长规律及其传播过程的实验方法,并对马赫爆轰波参数进行了计算。     

气相爆轰波正反射激波加速研究

实验采用压力传感器测量了指定点压力时间曲线。数值模拟基于二维反应欧拉方程和基元反应模型,采用二阶附加半隐的龙格-库塔法和5阶WENO格式分别离散时间和空间导数项,获得了指定点数值压力时间曲线。理论分析基于爆轰理论和激波动力学,分析了气相爆轰波反射过程所涉及的复杂波系演变并获得了反射激波速度。结果表明:本文数值模拟和理论计算定性上重复并解释了实验现象。气相爆轰波在右壁面反射后,右行稀疏波加速反射激波。其加速原因是:尽管激波波前声速减小,但激波马赫数增大,波前气流速度减小。在低初压下,可能还由于爆轰波后未反应或部分反应气体的作用,导致反射激波加速幅度比高初压下大。     

正向爆轰驱动高焓激波风洞的数值模拟

对充满氢氧可燃气体、带扩容腔的正向爆轰驱动的激波风洞进行了数值模拟。计算采用了欧拉方程,频散可控耗散差分格式（DCD）和改进的二阶段化学反应模型。在扩容腔附近采用二维轴对称计算模型,而在驱动段和被驱动段的直管道部分则采用一维计算模型。本文分析了爆轰波在管道中的传播、反射和绕射过程。计算结果表明扩容腔的尺寸对爆轰波的传播、反射、汇聚等起着决定性的作用;带扩容腔的正向爆轰驱动的激波风洞能够得到平稳的持续时间较长的气流,提高了实验的精确度和可重复性。     

流动系统中爆轰波传播特性的数值模拟

基于带化学反应的二维Euler方程,采用氢气/空气的9组分19步基元反应简化模型,对充有当量 比的氢气/空气预混气体的矩形爆轰流场中爆轰波的传播过程进行了数值模拟,讨论了均匀来流对爆轰波传 播的影响。数值结果表明,在均匀来流的影响下,上游方向上的燃烧强度大于C-J爆速,下游方向上的燃烧强 度小于C-J爆速;上游方向传播的爆轰波的阵面压力大于下游方向传播的爆轰波的阵面压力。所以,经典的 C-J爆轰理论并不适用于流动系统中爆轰波传播特性的研究。     

爆轰波拐角传播三维数值模拟

为了研究爆轰波在拐角中的传播特性以及拐角爆轰低压流场现象,用LSDYNA 3D程序对三种常见的拐角装药的爆轰波传播特性进行了数值模拟,清晰显示了爆轰波因拐角处爆轰波传播面积的变化而产生的衰减 增长过程,讨论了侧向三通中爆速的变化情况,并得到了拐角处低压爆轰区的尺寸。     

Wave dynamic processes in cellular detonation reflection from wedges

When the cell width of the incident detonation wave (IDW) is comparable to or larger than the Mach stem height, self-similarity will fail during IDW reflection from a wedge surface. In this paper, the detonation reflection from wedges is investigated for the wave dynamic processes occurring in the wave front, including transverse shock motion and detonation cell variations behind the Mach stem. A detailed reaction model is implemented to simulate two-dimensional cellular detonations in stoichiometric mixtures of H ₂/O ₂ diluted by Argon. The numerical results show that the transverse waves, which cross the triple point trajectory of Mach reflection, travel along the Mach stem and reflect back from the wedge surface, control the size of the cells in the region swept by the Mach stem. It is the energy carried by these transverse waves that sustains the triple-wave-collision with a higher frequency within the over-driven Mach stem. In some cases, local wave dynamic processes and wave structures play a dominant role in determining the pattern of cellular record, leading to the fact that the cellular patterns after the Mach stem exhibit some peculiar modes. The English text was polished by Yumming Chen.     

气相爆轰波在障碍物上Mach反射的实验验证

本文公布了气相爆轰波沿收缩管道传播时发生Mach反射的实验证据。在爆轰波通过的管道中安装不同楔角的楔块,形成管道的收缩。爆轰波在通过楔块时会发生Mach反射。利用烟熏玻璃片记录到了爆轰波Mach反射时形成的三波点迹线及其两侧胞格尺寸和密度的变化。据我们掌握的资料,这是首次用胞格结构变化的记录证实,气相爆轰波与无化学反应的空气中的冲击波一样,在一定的入射条件下会发生Mach反射。这一实验结果可使我们更深入了解爆轰波的本质,也为数值模拟气相爆轰波在障碍物上Mach反射现象提供了可对比的依据。     

A double-front structure of detonation wave as the result of phase transitions

Using thermochemical code calculations, we show that the nanographite–nanodiamond phase transition, which may occur in the detonation products of a number of carbon containing explosives, can affect the detonation properties and can cause a specific detonation regime with some unusual peculiarities. Among them, we first note the failure of the Chapman–Jouguet condition and the presence of the sonic plane, where the Mach number is equal to unity, in a detonation product expansion wave at a lower pressure than that at the Chapman–Jouguet point. The peculiarities of this detonation regime are demonstrated by the example of TNT, HNS, and RDX. The computed detonation velocities are in excellent agreement with experiments over a wide range of initial charge densities for all of the investigated explosives. The results of this work allow one to explain, e.g., contradictory experimental data on the detonation pressure and on the length of the reaction zone for TNT. We believe that some other solid–solid, solid–liquid, and liquid–liquid phase transformations in the detonation products may also cause a detonation regime with the same features as shown here for the nanographite–nanodiamond transition. We suggest a computational study that should facilitate proposing detonation experiments strongly arguing in favor of the model presented. PACS 47.40.-x; 47.40.Rs; 64.70.-p; 64.70.Kb; 05.70.-a; 05.70-.CeThis paper was based on the work that was presented at the 19th International Colloquium on the Dynamics of Explosions and Reactive Systems, Hakone, Japan, July 27–August 1, 2003.     

基于通用炸药状态方程分析飞板运动规律的特征线法

从小扰动波(马赫波)的物理概念出发,导出了不依赖流体状态方程表达形式的平面二维超声速定 常流的特征线方程;重新定义了以流体密度为单自变量的Prantl-Meyer函数,形成了求解平面二维超声速定 常流的封闭方程组。还利用这种通用物态方程的特征线差分解法,针对滑移爆轰驱动飞板运动问题构建了爆 轰产物流场内部和飞板边界特征线差分法格式。对TNT炸药和乳化炸药采用JWL状态方程和多方方程进 行了对比计算。结果表明,炸药爆轰对飞板的驱动能力与状态方程表示的炸药的做功能力是一致的。     

炸药多点起爆超高速光电分幅摄影技术研究

为获得炸药多点起爆的爆轰波传播过程精细细节,研究相适应的超高速光电分幅摄影技术,采用自主研制的超高速光电分幅相机,结合有机玻璃光快门,拍摄到以HMX和以TATB为基的塑料粘结炸药在三点同步起爆条件下纳秒时间分辨爆轰波发展高清晰序列图像,成功观察到爆轰波的整个传播及相互作用过程,捕获到内聚相互作用、马赫杆等波形细节结构。实验结果表明:超高速光电分幅摄影技术基于独立曝光模式,且具有曝光时间短、幅间隔连续可调、空间分辨高等优势,可精细观察到爆轰波传播、相互作用细节信息,该实验方法及其结果对于爆轰波相互作用及爆轰波马赫反射等问题研究具有一定的参考价值。     

Three-dimensional numerical simulation of detonations in coaxial tubes

Three-dimensional numerical simulation of detonations in both a circular tube and a coaxial tube are simulated to reveal characteristics of single spinning and two-headed detonations. The numerical results show a feature of a single spinning detonation which was discovered in 1926. Transverse detonations are observed in both tubes, however, the single spinning mode maintains the complex Mach reflection whereas the two-headed mode develops periodically from the single Mach reflection to the complex one. The calculated cell aspect ratio for the two-headed mode changes from 1.09 to 1.34 as the radius of axial insert increases from r ₁/R = 0.1 to 0.9. The calculated cell aspect ratio for r ₁/R = 0.1 is close to the experimental results without an axial insert. The formation of an unreacted gas pocket behind the detonation front was not observed in the single spinning mode; however, the two-headed mode has unreacted gas pocket behind the front near the axial insert.      

PETN、RDX和HMX炸药爆轰参数的数值模拟

用吉布斯自由能最小原理,通过解化学平衡方程组,求解PETN、RDX和HMX炸药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。用自编的程序从碳的石墨相、金刚石相、类石墨液相和类金刚石液相4种相态中确定出炸药爆轰产物中游离碳更可能存在的相态,并用此相态计算碳的吉布斯自由能。以WCA状态方程作为爆轰气相产物的物态方程,对PETN、RDX和HMX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。