内爆炸爆轰产物运动过程二维数值模拟研究(二)——泄压空间

为了研究泄压空间内爆炸爆轰产物运动及能量演化规律,采用五阶WENO有限差分格式,通过耦合求解两组分可压缩欧拉方程,自主编写了泄压空间内炸药爆炸过程二维数值计算程序。采用验证的程序数值探讨了泄压口大小、泄压口位置、炸药爆炸位置对爆轰产物运动及能量演化的影响规律。研究表明:上述因素不仅改变了爆轰产物的运动形态,同时改变了产物的泄出过程;泄压口的存在主要加快气体内能的泄出过程。本文研究可为舱室内爆炸毁伤评估提供一定的参考和依据。     

内爆炸爆轰产物运动过程二维数值模拟研究(一)——密闭空间

为了研究密闭空间内爆炸爆轰产物运动规律,采用五阶WENO有限差分格式,通过耦合求解爆轰产物质量分数输运方程与可压缩欧拉方程,自主编写了密闭空间内炸药爆炸过程二维数值计算程序。利用所开发的程序数值探讨了密闭空间内爆轰产物的传播过程及炸药形状、产物状态方程对爆轰产物运动的影响规律。研究表明:炸药形状的差异不仅改变了爆炸初期爆轰产物的膨胀形态,同时也改变了爆轰产物与周围空气的后期混合状态。状态方程对产物运动过程同样具有一定的影响,JWL状态方程中高压项可使得爆炸初期产物具有更大的膨胀能力。本文的研究可为进一步探讨考虑燃烧效应后爆轰产物扩张过程及毁伤评估提供一定的参考和指导。     

爆轰产物驱动飞片运动数值模拟研究

利用数值模拟方法,研究了主装药与飞片之间的空气隙厚度变化对飞片中载荷幅度和载荷上升时间、飞片速度和飞片变形量的影响。数值模拟与验证实验结果吻合得较好。结果表明,带空气隙的化爆加载装置可以在飞片中获得较小的载荷幅度和较长的载荷上升时间,并且可以降低飞片击靶速度,从而实现较低的冲击压力,但飞片变形量随着空气隙厚度增大而增大。     

圆柱形爆轰波的二维数值模拟

基于带化学反应的二维Euler方程,对圆柱形爆轰波的直接起爆和传播过程进行了二维数值模拟研究,拟分析起爆条件和初始压强对圆柱形爆轰波形成和传播的影响。研究发现,圆柱形爆轰波起爆成功向外传播的过程中,新的三波结构的生成标志着爆轰波进入稳定传播阶段。在起爆能量足够的情况下,起爆半径(曲率)的大小决定着三波结构初始形成时的数目和传播半径,起爆压强对其基本不产生影响;起爆半径大(曲率小)时,三波结构初始形成时的传播半径大、数目多,圆柱形爆轰波进入稳定传播阶段的传播距离长;数值模拟中,初始压强的提高,有助于圆柱形爆轰在较短的传播距离内进入稳定传播阶段。     

爆轰产物会聚流增压装置的二维数值计算

本文用二维流体、弹塑性体的多层介质的欧拉型编码即HELP程序对爆轰产物会聚流增压装置进行了数值计算。计算结果与实验基本符合,计算给出的流动图象可以说明实验中出现的一些现象。     

温压炸药坑道内爆炸冲击波的数值模拟研究

基于二次反应理论,采用AUTODYN程序对温压炸药(RDX/AP/AL/粘合剂=20/43/25/12,质量比)坑道内爆炸冲击波进行了数值模拟研究。将温压炸药与传统炸药TNT的计算结果进行了比较,结果表明:①在爆炸近区,温压炸药比TNT的爆炸冲击波超压峰值低。但在爆炸远区,温压炸药的爆炸冲击波超压峰值则逐渐超过了TNT,最高达到了TNT的1.48倍;温压炸药爆炸冲击波的冲量峰值始终高于TNT,约为TNT的1.33～1.43倍。②最小二乘拟合得到了温压炸药坑道内爆炸冲击波超压峰值随距离衰减的计算公式,具有一定参考价值。     

凝聚炸药非理想爆轰的数值模拟

本文对凝聚炸药非理想爆轰的数值模拟进行了系统介绍。对敏感、钝感炸药的理想与非理想爆轰的数值模拟方法、宏观反应速率方法及近年发展起来的ＤＳＤ（ＤｅｔｏｎａｔｉｏｎＳｈｏｃｋＤｙｎｔｉｍｉｃｓ）方法和波阵面追踪法,以及对这些方法的适应能力、存在的主要问题进行了分析与讨论。      

二维数值模拟爆轰中化学反应率的应用

续定常爆轰数值模拟中化学反应率与人为粘性的相关性,本文对体积起爆函数进行了一维、二维系统考查,并与Cochran反应率做了二维对比计算给出数值结果。数值模拟爆轰的复杂相互作用,应用体积起爆函数为好。     

钝感炸药爆轰性能的数值模拟

采用唯象反应率及相应状态方程对敏感与钝感两类炸药进行了数值模拟研究。结果表明:应用一般流体力学方程组的差分计算与反应率对释能过程的模拟，虽不能模拟爆轰波的精细结构及由此而引起的非理想效应，但仍能反映钝感炸药的部分性能。对数值模拟中的一些限制与条件，也进行了探讨。     

四种炸药爆轰波绕射数值模拟研究

报导了采用二维Ｌａｇｒａｎｇｅ反应流体动力学程序ＷＳＵ数值模拟计算ＲＨＴ－９０１、ＪＯ－９１５９、ＪＢ－９００１炸药绕直角和液体硝基甲烷炸药绕６０、９０、１２０角的爆轰波绕射过程,对绕爆机理进行了分析。经与实验观测结果比较,数值模拟较准确地再现了爆轰波的绕射过程。     

近水面水下爆炸二维Level-set数值模拟

水下爆炸是一个多介质、动边界、瞬态非线性过程,捕捉介质之间交界面的变化是数值模拟的一个难点.本文采用Level-set方法来描述水下爆炸气体产物和流体交界面以及自由表面变化,应用TVD (Total Variation Diminishing) 计算技术求解Level-set流场,首先建立了近水面水下爆炸的二维数值方法,然后,将该方法推广到流场内有刚性结构的情况,考虑了冲击波和刚性结构物的相互作用.为了模拟无限边界流场问题,引进了Thompson建立的无反射边界条件.     

PBX-01炸药水中爆轰产物状态方程研究

提出通过水中实验确定炸药的水中爆轰产物JWL状态方程参数的方法;选择PBX-01高能炸药进行水中实验,利用ANSYS/LS-DYNA程序建立炸药的水中实验模型,将实验结果与数值计算结果进行对比,确定PBX-01炸药水中爆轰产物的JWL状态方程参数。研究结果显示,圆筒实验确定的JWL参数在反映炸药水中爆轰产物的膨胀状态时有所不足,水中实验确定的JWL状态方程参数能够更准确地描述PBX-01炸药水中爆轰产物的膨胀过程,因此对水中爆炸的研究需要通过水中爆炸实验建一套状态方程参数。

     

含铝炸药爆轰产物JWL状态方程研究

对ＲＯＴ ９０１含铝炸药进行了爆轰产物ＪＷＬ状态方程研究。对ＲＯＴ ９０１炸药进行了２５ｍｍ和５０ｍｍ两种装药直径的圆筒试验,测试了圆筒膨胀过程的Ｒ ｔ关系。由冲击Ｈｕｇｏｎｉｏｔ关系和参考的ＰＯＰ关系拟合了ＲＯＴ ９０１炸药的反应速率。对两种装药直径的圆筒试验进行了综合分析和二维数值模拟计算,综合评估了ＲＯＴ ９０１的作功能力和圆筒试验的特性。通过对两种装药直径圆筒试验圆筒膨胀过程的解析分析计算和二维数值模拟,确定得到了ＲＯＴ ９０１含铝炸药爆轰产物ＪＷＬ状态方程参数。     

铝粉/空气二维黏性两相爆轰的数值模拟

为了深入研究爆轰波形成和传播的机理与特性,建立了管内铝粉/空气二维黏性两相爆轰过程的数学模型,采用守恒元与求解元方法进行数值计算,并对其物理参数的分布进行了分析。结果表明:管内燃烧转爆轰的初期,压力沿径向变化明显,与壁面碰撞有明显的反射波;燃烧转爆轰的中后期,压力沿轴向变化明显,但径向效应仍不能忽视,碰撞形成的反射波对最终稳定爆轰波的形成影响较大。研究结果同时表明:不仅铝粉颗粒初始半径对爆轰波的形成与传播有一定的影响;而且气体的黏性作用在研究爆轰管内近壁面处流场时不容忽视。研究结果有利于进一步揭示铝粉燃烧转爆轰的机理。     

PBX-9501强爆轰产物状态方程的数值模拟

利用P.K.Tang的JWL强爆轰产物状态方程改造了DEFEL二维弹塑性流有限元源程序,并用改造后的DEFEL程序模拟了一系列飞片撞击PBX-9501炸药的一维强爆轰过程,给出了炸药驱动二级飞片(铝)的速度。计算得到的产物状态参数与实验测量结果符合较好,验证了增加修正项的新状态方程可较好地描述高能炸药的超压爆轰的高压流体动力学过程。     

钝感炸药爆轰波传播和驱动的数值模拟研究

为实现对非理想爆轰波传播和爆轰驱动问题的精确计算,研究了与贴体坐标下Level Set方法相结合的爆轰冲击波动力学(DSD)计算方法;根据Hamilton-Jacobi方程的Godunov差分格式,提出了非正交的贴体坐标系中Level Set函数方程的差分格式及其相应的数值方法;并将该DSD方法与二维流体动力学程序TD...     

空气自由场中强爆炸冲击波传播二维数值模拟

编写了适用于模拟具有高密度比、高压力比的强激波问题的二维柱对称多介质流体计算程序。利用有限体积方法求解流体的Euler方程组,采用level set方法捕捉爆炸产物与空气的运动界面,并通过求解物质界面两侧Riemann问题的精确解来计算爆炸产物与空气之间的数值通量。研制了三角形网格自适应技术来实现网格的自动加密和粗化,在保证捕捉激波峰值的前提下有效地提高了计算效率。利用计算程序对1 kt TNT当量的空气自由场强爆炸问题进行数值模拟,计算得到的峰值超压、冲击波到达时间等物理参数与点爆炸理论结果基本一致。

     

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。     

高能炸药散心爆轰波绕射传播的数值模拟

从曲面爆轰波的Hugoniot 关系式出发,应用燃烧模型模拟散心爆轰波的传播,分析了空间步长不是足够小时,不能同时准确给出爆轰波走时及波阵面物理量的原因。对球壳装药散心爆轰波的长程绕射作了二维计算,应用燃烧模型并细分空间网格。除起爆点附近,计算的爆轰波走时与实验相差均在0 .2s 以内;稳定传播的爆轰波波阵面压力计算值接近pJ。可见,应用燃烧模型模拟散心爆轰波的传播,化学反应区内的空间步长需足够小。最后对Program 燃烧模型不能很好地模拟多维效应作了分析。     

爆轰产物状态方程的水下爆炸反演理论研究

由于水下爆炸过程中爆轰产物的信息以水中压缩波形式向外传递,本文旨在探讨如何利用水下爆炸试验数据确定爆轰产物的状态方程。相较于常规圆筒试验,水下爆炸试验具有装置简单成本低、装药尺寸限制少、测定压力范围更广的特点,更适用于大药量或非理想炸药的现场测试。本文从水中冲击波轨迹和波后压力时程曲线出发,发展了由冲击波及其波后流场还原水气界面的逆特征线算法,以及根据水气界面确定爆轰产物状态方程的遗传算法。与水下爆炸正演结果对比,发现逆特征线法可以较准确地还原水气界面的位置和压力参数,有效压力下限可达2 MPa,远低于圆筒试验的测试下限0.1GPa。根据水气界面的反演结果,遗传算法也能稳定地优化JWL方程参数,8种常用炸药的等熵衰减压力误差在爆压至0.01 GPa的区间内都小于3%。结果表明,利用本文的逆特征线算法和遗传算法,理论上可以反演出压力范围较宽、准确性较高的爆轰产物状态方程。