数值模拟油井射孔器作用过程方法研究及应用

提高射孔器性能是射孔弹厂家面临的和油田用户关心的主要问题。油井聚能射孔器的作用过程涉及爆轰波的形成、传播、爆轰波与其他介质的相互作用等爆轰问题,射流的形成、延展等界面碰撞问题,射流对靶的侵彻、靶的成坑和动态响应等侵彻问题,作用过程复杂。为了研究油井聚能射孔器的作用过程和机理,降低设计成本,缩短研制周期,本文介绍了模拟石油射孔器从炸药起爆,射流形成,射流侵彻钢靶、井液、混凝土靶的整个作用过程的欧拉数值方法,包括数学模型、离散方法、相应的本构模型,以及为节省计算机时采用的计算和理论分析耦合的模拟方法,并将数值模拟结果与实验进行了比较。研究结果表明,数值模拟结果与实验结果符合的较好,说明方法是有效的和可行的。     

射流速度及套管应力的ALE三维仿真分析

聚能射孔是包括炸药爆轰、药型罩压垮形成射流、射流侵彻射孔枪和套管的复杂动态过程,包含能量、质量、速度、变形之间的转化和平衡.本文应用LS-DYNA软件,建立射孔弹-射孔枪-套管三维模型,应用ALE算子分离算法,每一迭代步分为两阶段,先执行网格随物质运动的拉格朗日算法,再执行穿过单元边界的质量、内能和动量的欧拉映射算法,实现爆轰过程、药型罩固流转化、射流高速侵彻套管的大变形和流固耦合仿真,分析爆轰波叠加对能量、密度、射流速度和套管强度影响.一枚射孔弹射孔时,总能量转化为金属射流能量的转换率为13.1%,三枚时为23.1%,爆轰波叠加引起射流转化能量增强.三枚的射流总能量达到133 kJ,超过三个单枚之和75 kJ的77.3%,说明爆轰波重叠使得爆轰产物对射流能量有持续补充作用,对提高孔深有利.射孔弹增加,射流平均能量增大,爆轰产物平均能量减小,但射流和爆轰产物总能量增大,说明弹间的相互作用强烈,爆轰更彻底,对提高孔深有利.三枚较一枚射孔弹射穿套管的时间提前了8μs,最大应力增加了260 MPa,三枚射孔弹时,套管应力值超过材料屈服强度范围较单枚增加了2.5 mm的圆环,爆轰重叠区域中心的套管应力为965 MPa,较单枚时的226 MPa提高了739 MPa,说明爆轰波弹间叠加加重了对套管的伤害.本文实现了射流形成机理、能量和速度转化和射流侵彻过程的流固耦合动态力学分析,搞清了爆轰波叠加对能量、密度、射流速度和套管强度的影响规律.     

射孔管柱振动参数实测及其ALE数值仿真分析

射孔爆轰产生的强冲击波作用于射孔段管柱,常发生管柱塑性弯曲、震弯、震断等事故。为了得到射孔管柱振动的关键参数,阐明射孔爆轰冲击下管柱的动力响应规律,以油田常用7″×12.65mm P110套管和2 7/8″×7.82mm P110油管管柱组合为例,应用ANSYS软件的AUTODYN模块,建立了长度为11m的有限元瞬态模型。用EULER模型描述作为固壁边界的套管和射孔段管柱,用EULER-MULTIMATERIAL描述大变形射孔液和发生固液相变的射孔弹,模拟射孔液的剧烈运动以及射孔液与套管、管柱的流固耦合作用,从有限元分析结果中提取射孔液压力脉动和管柱振动的关键数据;自主研发射孔压力和管柱震动测试器,实测环空射孔液压力脉动、射孔管柱震动速度和加速度;将数值分析结果与实测结果进行对比,分析射孔段管柱的震动规律。研究表明,近封隔器管柱处应力值更大,验证了射孔管柱常在近封隔器处震弯、震断的原因推断。射孔液峰值压力实测结果和数值分析结果分别为174.8MPa和191.4MPa,二者相差9.5%。实测和数值分析轴向加速度沿上下两个方向的最大值分别为178.4m/s~2、169.5m/s~2和189.1m/s~2、155.2m/s~2,实测与有限元分析结果对应相差分别为6.0%和8.4%,说明应用Euler和EULER-MULTIMATERIAL耦合算法模拟射孔爆轰的计算满足精度要求,方法可行。本文数值方法的分析结果可以指导现场施工。     

32型多路时间间隔测量仪介绍

多路时间间隔测量仪用于爆速、弹速、冲击波速度、自由面速度等爆轰参数测量,是爆轰物理、冲击波物理、常规武器研究不可缺少的仪器。仪器采用时间放大式模拟内插原理、组件式结构,能同时测量一个起始脉冲和32个停止脉冲信号之间的时间间隔,测时范围80ns~820 ms,时间分辨率1ns,     

爆轰波碰撞聚能无网格MPM法数值模拟

爆轰聚能经常被应用于工程爆破切割,为了探索新的聚能爆破形式,本文应用无网格MPM法对圆柱筒装药和导爆索多点起爆形式的爆轰波碰撞聚能问题进行三维数值模拟,采用显式积分算法完成爆轰波形成和汇聚过程以及爆轰压力场分布的数值计算,并将数值模拟结果与实验结果做了对比分析。由此验证了无网格MPM法的准确性,也为炸药聚能爆破提供了新的思路和高效的操作方法。     

金属约束下定常非理想爆轰的理论研究

为了对金属约束条件下的定常非理想爆轰进行理论研究,对未反应炸药和爆轰产物采用JWL形 式状态方程,对金属采用p(,T)形式状态方程。采用过爆轰前导冲击波的流线偏转角在影响域内沿高度线 性变化的假设,并且由未反应炸药和金属的冲击波极曲线的交点确定爆轰冲击边缘角,则可从未反应炸药斜 冲击波极曲线关系式求出爆轰前导冲击波阵面的形状。采用爆轰前导冲击波阵面之后的流线是直线的假设, 则爆轰流动控制方程由偏微分方程变为沿流线的常微分方程,沿着所有流线求解便给出爆轰化学反应区内 声速线与化学反应结束线的位置。理论分析同时给出约束金属折射冲击波后面的流体的流动状态。理论结 果给出的爆轰化学反应区结构特征和约束金属内的流动状态特征与高精度数值模拟的结果符合良好,说明 本文中给出的理论方法具有良好的合理性和适用性。     

爆轰传播研究的近代进展

综述了八九十年代国外爆轰传爆研究的主要方向和进展，包括直径效应、曲率效应、发散爆轰波的传播、爆轰冲击波动力学、爆轰传播的数值模拟和炸药爆轰性能的有关问题等。斩近分析理论和爆轰冲击波动力学的工作，对发散爆轰传播规律的认识正在不断深化，提出了一些有效的理论方法，从而为更精确的爆轰数值模拟技术，尤其是爆轰驱动等勺的精确计算开辟了新的道路。     

球形装药动态爆炸冲击波超压场计算模型

为获得球形装药动态爆炸冲击波超压场计算模型,对静态爆炸冲击波超压Baker计算公式加入修正因子进行修正,并建立了构造包含装药运动速度、对比距离和方位角的修正因子函数的方法。为获得修正因子的函数表达式,采用高精度显式欧拉流体动力学软件SPEED针对具有典型运动速度的球形装药空中爆炸过程进行了数值模拟,得到了沿装药不同对比距离和方位角处的动态爆炸冲击波超压峰值。在对数值模拟结果处理的基础上,经过数据拟合获得了动态爆炸冲击波超压场计算模型。校验结果表明,该模型能较准确描述动态爆炸冲击波超压分布,具有普适性。     

间隙对金属锡爆轰加载过程的影响

采用高能炸药透过钢板对锡样品开展爆轰加载实验,并通过数值模拟对实验结果进行验证,分析不同间隙对爆轰加载过程的影响。研究结果表明:亚毫米级别的样品间隙能对实验结果会产生显著影响;一方面锡样品与钢层间的间隙将导致冲击波在间隙表面发生强反射,反射稀疏波在钢层与炸药界面再次反射形成较强的后续压缩冲击波,进而导致锡样品的加载压力显著升高,另一方面,金属层间与炸药间的间隙将导致加载压力降低;相较于金属层间与炸药间的间隙,锡样品与钢层间的间隙对加载影响更严重,并且随着间隙尺寸变化,两种情况中间隙影响的变化趋势也有所差异。     

含铝炸药能量释放的简化模型

为了在水下爆炸效应中反映出非理想爆轰特性的影响,建立了含铝炸药非理想爆轰能量释放的简化模型。该模型以CJ爆轰理论和二次反应理论为基础,把含铝炸药化学反应划分为快速反应和慢速反应,以释放的化学能和慢反应速率常数作为非理想特征参数,并应用于一维数值模拟。计算结果与基本实验结果一致,冲击波峰值的计算误差不大于10％,衰减时间常数的误差小于5％,冲击波能与实验值也具有良好的一致性。简化模型合理地描述了含铝炸药非理想爆轰的主要过程及非理想特性,可应用于含铝炸药的设计和爆炸效应的分析。     

缸内激波对锥顶型燃烧室的活塞破坏机理

以二维数值模拟为基础,研究了锥顶型燃烧室内的冲击波发展的震荡过程,得到作用于活塞不同位置处的超压分布。模拟结果表明:由于燃烧室结构的独特性,导致冲击波能在特定区域进行汇聚,致使该区域超压明显高于其他区域。将该模拟结果与实际破坏失效的活塞进行对比,发现冲击波汇聚区域往往就是活塞被破坏的地方。数值模拟结果与实际破坏结果吻合很好。这为设计燃烧室形状以避免冲击波对活塞造成破坏提供了理论基础。     

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。     

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。     

甲烷-空气爆轰波传播的数值模拟

研究了甲烷-空气混合物爆轰波在二维突扩通道中传播的各种复杂行为。结果表明：爆轰波在进入突扩通道的初始阶段有局部向爆燃转变的现象；爆炸波在壁面发生马赫反射形成的高温高压区域将直接驱动自持爆轰波的重新形成。     

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。     

驻定斜爆轰波并行数值模拟

采用多组分化学反应Euler方程组对驻定在高速飞行弹丸上的斜爆轰波流场进行了数值模拟。计算中分别采用TVD格式和基元反应模型,并基于并行编程模型MPI（message passing interface）实现了非结构网格上的并行计算,对流项和化学反应项用时间分裂法进行处理。计算结果表明并行计算能有效地提高计算速度,扩展计算规模,为进一步研究超驱爆轰推进技术奠定基础。     

聚奥-9C装药的传爆管殉爆

为了研究冲击波作用下引信传爆装置的响应规律,进行了以主发炸药为RDX-8701、被发装置为聚奥-9C（JO-9C）装药的传爆管（含导爆药柱）的殉爆实验。通过观测残留传爆药、壳体和见证块变形,判断传爆管的爆炸程度,分析了殉爆过程中JO-9C爆轰波的成长历程及传播规律。采用AUTODYN软件建立了殉爆实验有限元模型,计算模型中主要考虑了主发炸药产生的爆炸冲击波对传爆管的冲击响应。基于流固耦合方法,通过调整距离模拟计算得到了传爆管的临界殉爆距离和殉爆安全距离。结果表明,传爆管上端的侧角受到爆炸冲击后产生的爆轰波沿斜下方传播,使传爆药柱完全爆轰,并引起导爆药柱发生殉爆;数值模拟结果显示,JO-9C装药的传爆管临界殉爆距离为5.7 mm,殉爆安全距离为8.8 mm。     

一维与二维爆轰传播的时空关联特性数值研究

一维爆轰传播的理论完备、计算准确, 二维斜爆轰传播由于壁面与黏性效应, 大尺度、高精度预测还有一定难度. 利用Euler方程和H₂-Air基元反应模型, 对二维有限长楔面诱导的斜爆轰和活塞驱动一维非定常正爆轰进行计算比较研究, 从时空两个维度方面, 分析了两者在起爆过程、稀疏波传播、爆轰波面演化中的关联特性. 研究结果表明: 在过驱动度相同的条件下, 经过时空变换的活塞驱动一维爆轰传播与二维驻定斜爆轰在起爆区波系结构、波面演化特征和主要参数分布规律方面无论定性或者定量对比均符合较好, 所以, 一维非定常爆轰和二维驻定斜爆轰具有时空相关性. 两者的差异主要体现在过驱动斜爆轰受稀疏波影响过渡到近Chapman-Jouguet (C-J)爆轰状态所需的弛豫时间不同, 原因可能是起源于活塞和壁面稀疏波强度的差异. 本文提出的一维与二维爆轰传播的时空关联方法不仅有助于认知斜爆轰起爆、过驱爆轰产生、胞格爆轰演化的三阶段规律, 还可以对比揭示壁面、边界层和黏性效应的影响, 应用在斜爆轰发动机燃烧室设计中能够有效节约计算时间和成本, 并降低复杂度.      

Numerical simulation of H2/air detonation using unstructured mesh

To explore the capability of unstructured mesh to simulate detonation wave propagation phenomena, numerical simulation of H₂/air detonation using unstructured mesh was conducted. The unstructured mesh has several adv- antages such as easy mesh adaptation and flexibility to the complicated configurations. To examine the resolution dependency of the unstructured mesh, several simulations varying the mesh size were conducted and compared with a computed result using a structured mesh. The results show that the unstructured mesh solution captures the detailed structure of detonation wave, as well as the structured mesh solution. To capture the detailed detonation cell structure, the unstructured mesh simulations required at least twice, ideally 5times the resolution of structured mesh solution.      

坑道内爆炸条件下水的消波效应研究

内爆炸对坑道内的人员、装备、结构都具有巨大的毁伤效应,内爆炸的防护技术已成为研究的热点。本文就炸药在坑道内爆炸情况下水的消波效应,开展了坑道模型爆炸试验、实际坑道爆炸试验、数值模拟研究,结果表明:坑道内爆炸条件下水具有显著的消波效应。文中还给出了不同置水工况下坑道空气冲击波超压的衰减率范围,并对水消波效应的机理进行了初步探讨。