高能炸药爆轰波反应区流场的拉格朗日分析方法

给出了一种简单的、对高能炸药爆轰反应区流场进行拉格朗日分析的方法。若已知未反应炸药和反应产物的状态方程，采用适当假设，我们可以在不知道反应速率函数的情况下得到爆轰反应区中的关系ｐ（）和ｕ（）等。根据这些关系及爆轰反应区中拉氏量计的实验结果ｐ（ｔ）［或ｕ（ｔ）］，通过插值或数据拟合可以得到爆轰反应区中的反应流场。我们将此方法应用于ＰＢＸ－９４０４炸药，并得到其爆轰反应区中的反应流场。     

基于PDV的JOB-9003炸药爆轰反应区测量

炸药的反应区数据对爆轰过程的精密建模具有重要意义,为了得到JOB-9003炸药的反应区信息,采用光子多普勒测速仪(PDV)对JOB-9003炸药的爆轰反应区进行了实验研究。实验中利用火炮发射高速蓝宝石飞片冲击起爆被测炸药,在炸药后表面安装镀膜氟化锂(Li F)窗口测量炸药一维稳态爆轰时的界面粒子速度,测试过程的时间分辨率小于1 ns,测速相对不确定度小于2%。通过读取界面粒子速度时程曲线的拐点来确定CJ点,根据阻抗匹配公式计算炸药的CJ压力。研究结果表明,JOB-9003炸药界面粒子速度时程曲线上存在较为明显的拐点,JOB-9003炸药的化学反应时间为(11±2)ns,对应的化学反应区宽度为(0.075±0.014)mm,JOB-9003炸药的CJ爆压为(35.6±0.9)GPa,冯诺依曼(Von Neumann)峰处的压力为(47.9±1.2)GPa。     

气相爆轰波临界直径的实验研究

作者分别用圆形和方形爆轰管,通过改变惰性气体的比例和圆锥管道的锥角,对H2-O2和C2H2-O2系统进行了爆轰临界直径的实验研究,得到了不同稀释浓度下方管中爆轰波熄灭的临界直径,验证了Mitrofanov.V.V.和Soloukhin,R.I.以前得到的结果（dc/=10）,也得到了圆锥管道中不同锥角对临界直径的影响（dc/-）,并用流管理论对实验结果作了初步的分析。     

球面聚心气相爆轰波传播过程的数值研究

应用频散可控耗散格式对球面聚心气相爆轰波的传播过程进行了数值模拟 研究. 通过跟踪波阵面上压力和温度变化，分析这些参数在爆轰波传播过程中的演变规律， 及其与几何尺度和初始条件之间的依赖关系. 研究结果表明，仅在远场波面压力的变化近似 只依赖于r/R，对称中心附近则需要考虑初始半径$R$的影响；波面压力与初始压力的变化呈 线性关系；汇聚过程中温度升高比压力慢得多.     

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。     

多孔钢板对气相爆轰波传播影响的实验研究

本实验旨在研究气相爆轰波在衬有多孔钢板的管道中传播的现象。先是在光滑管壁的管道中产生稳定的具 胞格结构的爆轰波,然后让它通过专门设计的管壁上衬有多孔钢板的阻尼段。利用压力传感器测量了氢氧混合气体爆轰波在阻尼段中的传播速度和爆压。发现爆轰波在通过阻尼段时有先衰减后又加强的现象。证实了多孔钢板等一类吸收材料既有吸收横波削弱爆轰波的作用,又有加强湍流使爆轰波得以恢复的作用。文中对吸收材料的粗糙表面产生自发转换形成新的横波的机制进行了探讨。     

气相爆轰物理的若干研究进展

爆轰现象的研究已经有一百多年的历史了,爆轰物理的研究取得了许多重要进展.本文从爆轰波的经典理论、胞格爆轰波的多波结构、气相爆轰波形成机理、气相爆轰波传播机制等方面综述了相关的若干研究进展,评述了这些进展的科学性与局限性,并探讨了将来可能的研究方向.这些研究进展主要包括:CJ(Chapman-Jouguet)理论和ZND(Zel'dovich,von Neumann,D?ring)模型、爆轰波多波结构、爆轰胞格特征、直接起爆和爆燃转爆轰过程、热点起爆机制、爆轰波稳定性、扰动爆轰波的传播等.爆轰波是以超声速传播的自持燃烧现象,涉及了激波相互作用、燃烧化学反应、湍流扩散和流动不稳定性等复杂的气动物理过程,相关研究具有重要的学科理论意义.另外,爆轰燃烧具有高效的热化学能释放特点,在先进的热力推进技术方面有着重要的应用背景,因此相关研究也具有重要的工程应用价值.      

爆轰波对碰区产物驱动金属圆管的研究

利用闪光X光照相、光学高速分幅照相实验,测得了金属圆管在两个爆轰波对碰后产物驱动外壳的膨胀、变形过程,该过程表明爆轰波对碰作用使得对碰处金属圆管相对贯穿断裂时间明显提前,对碰处金属圆管径向膨胀速度较非对碰处明显增加。利用拉格朗日二维流体动力学程序TTD2C,数值模拟了对碰驱动过程,计算结果与实验结果符合很好,且用Taylor断裂判据得到的金属圆管相对贯穿断裂时间也明显提前。     

CL-20混合炸药的爆轰波结构

基于爆轰数值模拟计算,分析了CL-20混合炸药爆轰反应的特征,设计了炸药与窗口的界面粒子速度测量实验装置;采用激光干涉法,测量了C-1炸药(CL-20/粘合剂/94/6)与窗口的界面粒子速度; 运用先求导、再分段拟合的方法,对界面粒子速度随时间的变化曲线进行了数据处理,确定了炸药爆轰CJ点对应的时间位置;根据CJ点对应的粒子速度,计算获得了炸药的爆轰反应区宽度和CJ爆轰压力。结果显示:密度为1.943 g/cm3的C-1炸药的爆轰反应时间为38 ns,CJ压力为34.2 GPa。     

低马赫数下斜爆轰波的结构

利用Euler方程和两步化学反应模型,对低马赫数入流时的驻定斜爆轰波进行了数值模拟,并重点研究了斜爆轰波的驻定过程和结构。数值结果显示,当入流马赫数较低时,即使其本身是附体的,在诱导区后侧的高压区的作用下,斜爆轰波也会从其起始位置向来流方向运动。在这种情况下,斜爆轰波会驻定在靠近斜面前缘的位置,诱导区的长度仅有1 mm左右。通过设置初始条件,让斜爆轰波在斜面前缘附近被触发,则其将一直维持在靠近斜面前缘的位置。     

高速弹丸诱导斜爆轰激波结构实验研究

斜爆轰推进系统在高超声速推进领域具有广阔的应用前景,其释热迅速、比冲高、燃烧室结构简单的优点吸引研究人员的持续关注.然而,斜爆轰的地面试验同时涉及到高速试验环境模拟、燃料与氧化剂混合、高温燃烧流场结构测量等技术难点,当前国内外系统的试验研究仍然十分有限,难以支撑斜爆轰发动机的研制.为了研究自持传播的斜爆轰激波结构与波面流动特性,基于爆轰驱动二级轻气炮开展了高速弹丸诱导斜爆轰实验研究,使用直径30 mm球头圆柱形弹丸发射进入充满氢/氧可燃混合气体的实验舱中以起爆斜爆轰波,并采用两种阴影技术对实验流动结构进行测量.实验中在不同速度、不同充气压力下观察到三种弹丸诱导激波结构,即激波诱导燃烧、弹丸起爆爆轰波和相对弹丸驻定的斜爆轰波,实验舱充气压力下降则会造成爆轰横波尺度增加与波面流动失稳.实验中,斜爆轰激波角与理论分析结果吻合较好,弹丸气动不稳定带来较大的弹丸攻角会对激波角测量带来一定偏差.通过对斜爆轰波波面法向传播速度的测量发现,随着远离弹丸,斜爆轰传播速度由弹丸飞行速度衰减至接近实验气体CJ速度,弹丸速度的降低会加速斜爆轰波传播速度的衰减.     

周期性非均匀介质中气相爆轰波演变模式研究

气相爆轰波在周期性非均匀介质中的起爆, 稳态传播和失效机制都极为复杂, 很多物理机制尚不明确, 是当前爆轰物理领域研究的热点和难点. 本文使用反应欧拉方程和两步化学反应模型对爆轰波在非均匀介质中的传播机理进行了数值模拟研究, 非均匀性由横向周期性分布的温度扰动体现, 重点分析不同波长、不同幅度的温度扰动对波阵面波系结构的影响. 计算结果表明, ZND爆轰波在温度扰动下向胞格爆轰波的转变主要受制于两种竞争性因素: 一是爆轰波内在的不稳定性; 二是温度扰动的波长和幅度, 前者是内因, 后者是外因. 温度扰动的存在抑制横波的发展, 延迟了ZND爆轰波向胞格爆轰波的演化, 并且内在不稳定性的增加可以减慢这种延迟现象. 这说明, 温度扰动可以在一定的范围内抑制胞格不稳定性的发展, 但是不能够终止这一过程. 温度的不连续性使得爆轰波阵面更为扭曲, 并在横波附近存在较弱的三波点结构, 即温度扰动可增加爆轰波固有的不稳定性, 改变爆轰波阵面的传播机理. 幅值较大的人工温度扰动可抑制爆轰波的传播和爆轰波自身的不稳定性. 爆轰波阵面胞格结构的形成取决于温度扰动与其自身的不稳定性.      

圆球诱发斜爆轰波的数值研究

斜爆轰发动机是飞行器在高马赫数飞行条件下的一种新型发动机,具有结构简单、成本低和比冲高等优点.但是斜爆轰发动机的来流马赫数范围广,来流条件复杂,为实现斜爆轰波的迅速、可靠引发,采用钝头体来诱发.利用Euler方程和氢氧基元反应模型,对超声速氢气/空气混合气体中圆球诱导的斜爆轰流场进行了数值研究.不同于楔面诱发的斜爆轰波,球体首先会在驻点附近诱发正激波/爆轰波,然后在稀疏波作用下发展为斜激波/爆轰波.模拟结果显示,经过钝头体压缩的预混气体达到自燃温度后,会出现两种流场:当马赫数较低时,由于稀疏波的影响,燃烧熄灭,钝头体下游不会出现燃烧情况;而当马赫数较高时,燃烧阵面能传到下游.分析表明,当钝头体的尺度较小时,驻点附近的能量不足以诱发爆轰波,只会形成明显的燃烧带与激波非耦合结构;当钝头体的尺度较大时,流场中不会出现燃烧带与激波的非耦合现象,且这一特征与马赫数无关.通过调整球体直径,获得了激波和燃烧带部分耦合的燃烧流场结构,这一流场结构在楔面诱发的斜爆轰波中并不存在,说明稀疏波与爆轰波面的相互作用是决定圆球诱发斜爆轰波的关键.     

气相爆轰驱动二级轻气炮内弹道数值模拟

二级轻气炮是超高速弹丸驱动技术中使用最广泛的技术之一, 它在超高速气动物理现象及材料高速碰撞下力学性能的实验研究和验证方面起着不可或缺的作用. 中国科学院力学研究所基于爆轰驱动方法研制了一座大型二级轻气炮, 可弥补高压气体驱动能力有限和火药使用受限的不足. 本文基于经过实验验证的准一维数值模拟方法, 详细研究了该设备的内弹道动力学参数及发射性能, 并探讨了不同发射方法及装填参数对设备性能的影响规律和机理. 研究结果表明, 氢氧爆轰驱动相比于高压气体驱动具有明显优势; 不同爆轰驱动方式对弹丸发射性能影响较小, 但其影响到整个设备的强度设计; 对装填运行参数的研究表明增大爆轰段充气压力可以有效加强轻气炮发射性能, 而活塞质量变化对发射速度的影响较为复杂, 轻气炮实际运行中受设备设计指标及模型材料性能的限制, 优化过程中需要同时调整3种参数以达到轻气炮最佳性能.      

激波诱导的燃烧粉尘云边界层的结构

足够强的激波扫过铺有可燃粉尘的界面时，波后形成燃烧的粉尘云边界层。为揭示其内部结构，本文对该现象进行了实验和理论两个方面的研究。理论计算表明燃烧粉云边界层可分为三个区域：诱导区、反应区和扩散区，诱导区的粉尘浓度最高，计算获得的粉尘云轮廓和点火延迟与实验结果基本吻合．     

气相爆轰波胞格尺度与点火延迟时间关系研究

讨论点火延迟时间和爆轰波胞格尺度的内在关系,将点火延迟时间作为特征参量来模拟胞格尺度. 分别对两个总包单步化学反应模型和一个基元反应模型的点火延迟时间进行了数值模拟研究. 对于满足当量比的氢气/空气混合气体,分析了不同初始压力下点火延迟时间随初始温度的变化关系. 研究表明:总包单步反应模型的点火延迟时间不随压力变化,且与初始温度呈线性关系. 基元反应模型的点火延迟时间随压力变化,而且存在理论上的S 型曲线,但是在拐点区域和低温区域与CHEMKIN 计算的结果相差1~3 个量级. 现有模型模拟的胞格尺度普遍偏小,其相应的点火延迟时间也偏小,胞格尺度与点火延迟时间具有正相关性. 入射激波后的气体的点火延迟时间与三波点的运动周期一致,是定量化模拟胞格的关键因素.      

气相爆轰波平衡胞格稳定性实验研究

本文详细介绍了研究气体爆轰的烟迹法以及采用所提出的方法得到的爆轰波通过柔性材料壁面前后平衡胞格形成、消失和重新恢复的全过程烟迹照片。实验按初压不同分五组进行。从烟迹照片中各时期的胞格尺寸、横波的变化出发,对上述过程中横波强度变化情况及柔性壁面对横波的作用和影响进行了分析,对平衡胞格恢复的条件进行了讨论。     

爆轰波直接合成致密相氮化硼研究

采用石墨相氮化硼与高能炸药混合后直接爆轰的方法,合成致密相氮化硼。实验表明,在爆轰过程的高温高压作用下,低密度的石墨相氮化硼(gBN)可以转化为致密相氮化硼。这种方法合成的致密相微粉中含有纤锌矿型氮化硼(wBN)和立方氮化硼(cBN)两种物相,合成的转化率为16％,每千克炸药可生产28克(140克拉)以上。