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。     

带隔板装药爆轰波马赫反射理论研究和数值模拟

基于三波理论和Whitham方法对带隔板装药爆轰波相互作用后发生的正规反射和非正规反射进行了理论分析,给出了爆轰波发生马赫反射时临界入射角和马赫杆增长角等参数的变化规律,提出了马赫杆高度的计算模型。基于凝聚炸药爆轰Jones-Wilkins-Lee(JWL)模型和冲击起爆的Lee-Tarver模型,利用有限元计算软件对带隔板装药爆轰波的传播过程进行了数值模拟。结果表明,发生马赫反射后,随着爆轰波的传播,马赫杆的高度不断增加。数值模拟结果与理论计算结果吻合较好,说明本文中采用的理论模型和数值模拟方法能够较准确地描述带隔板装药爆轰波马赫反射的传播过程。     

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。     

气相爆轰波绕射流场显示研究

采用基于红宝石激光器（波长694.3 nm）的纹影系统,对气相爆轰波绕射进行了初步的流场显示研究。采用单色激光和合适半带宽（15 nm）的滤光片,有效地消除了爆轰波自发光对流场显示的影响。合理设置激光器同步控制系统的触发延时,得到了序列的爆轰波阵面纹影照片。结果表明：图像清晰地显示了爆轰波阵面的诱导激波、横波及化学反应区。当爆轰波在左尖点处绕射,受稀疏波作用,诱导激波与化学反应区明显分离,导致爆轰波衰减为爆燃。分离的诱导激波和折皱的化学反应区在纹影图上清晰可见。诱导激波在垂直支管右壁面反射,诱导二次起爆。畸变爆轰波在水平和垂直支管中均发生马赫反射。提高初压,爆轰波受分叉口几何属性的影响减小,畸变爆轰波在水平和垂直支管下游较易恢复为自持爆轰波。     

拐角角度对爆轰波拐角效应的影响

利用高速摄影技术研究了拐角角度分别为６０、９０、１２０情况下注装ＴＮＴ中爆轰波的拐角绕射现象。结果表明,拐角距离和死区面积随拐角角度的变化而变化。拐角为６０时没有明显的爆轰波滞后现象;随着拐角角度的增大,拐角距离减小;拐角为１２０时,有死区（ 未爆区） 存在。     

炸药中爆轰波拐角绕射现象研究

本文利用多狭缝扫描技术对三种不同硅炸药内爆轰波绕过惰性介质时的现象进行研究,获得了炸药内爆轰波的传播结节和炸药性质对不稳态爆轰区域的影响。     

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。     

一维粉尘爆轰波结构的数值计算

本文发展了P.Wolanski等人建立的关于一维自持粉尘-空气混合物的爆轰模型,考虑了气、固两相通过击波以后的温度弛豫效应。作者根据文献中所建立的Chapman-Jouguet条件的表述:在定常爆轰的C-J平面上,我们有M=1和dM=0,给出了一种确定自持爆速的有效算法。这一方法具有独立于方程组的积分方式,因而优于至今人们给出的其他同类算法。用改进后的模型和算法,作者对粉尘爆轰波结构的基本特征和参数影响作了初步探讨。文中一些理论结果还与国外同类实验结果进行了对比。     

气相爆轰波在半圆形弯管中传播现象的实验研究

对气相(2H2/O2/Ar系统)爆轰波在半圆形弯管中的传播现象进行实验研究。用烟迹膜记录了弯管中爆轰波的胞格结构,采用压电传感器测量了沿弯管内外母线指定点的压力时间曲线,得到了爆轰波沿弯管内、外母线的平均速度和胞格尺寸的变化。结果表明:当平面爆轰波进入弯管后,受壁面的几何形状作用,诱导激波阵面发生弯曲。沿诱导激波阵面,自内母线到外母线方向,激波强度逐渐增大。同时,爆轰波后的化学反应区也受到影响,胞格尺寸发生较明显的变化。在本文条件下,当初压p08.00kPa,受扰动的爆轰波在弯管出口下游仍恢复为强度不变的稳定爆轰。胞格记录的三波点迹线表明:受扰动的爆轰波在出口段发生了马赫反射。实验结果还表明:当p0降至5.33kPa,平面稳定爆轰波经过半圆形弯管后,其强度发生衰减并直至出现熄灭。     

气相爆轰波在收缩管道中的传播

详细介绍了对气相爆轰波沿收缩管道传播时发生Ｍａｃｈ反射的系统研究。管道中安装了不同楔角的楔块，采用了多种气体组分按不同的初压分组进行实验。在烟薰玻璃片上记录到了爆轰波Ｍａｃｈ反射的三波点迹线，其两侧胞格尺寸和密度的变化清晰可见。推算了爆轰波从Ｍａｃｈ反射向规则反射转变的临界角。压力传感器记录了Ｍａｃｈ反射时楔面上压力和速度的变化。上述参数与空气激波Ｍａｃｈ反射作了比较。编制了爆轰波Ｍａｃｈ反射计算程序，检验了ＣＣＷ理论对于爆轰波传播的可用程度，理论值和实验值在楔角不大于３０时相当吻合。     

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。     

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。     

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。     

激波聚焦诱导点火和爆轰的数值研究

以二维轴对称多组分Euler方程为基础,采用非正交结构化网格和改进的波传播算法,模拟了激波在抛物形反射壁面聚焦反射诱导点火和爆轰的过程,描述了其流场形态。讨论了预混气组成、入射激波强度及反射壁面形状对点火和爆轰的影响。结果表明,激波在抛物形反射壁面顶点处聚焦反射可形成局部高温高压区域,该区域在一定条件下可点燃预混气甚至形成爆轰,其中低稀释剂浓度的预混气、较大的入射激波Mach数和较深的反射壁面有利于可燃预混气形成爆轰。     

Re-initiation phenomenon of gaseous detonation induced by shock reflection

The two-dimensional, time-dependent, reactive Navier–Stokes equations including the effects of viscosity, thermal conduction and molecular diffusion were solved to reveal the wave evolution and chemical dynamics involved in the re-initiation process. The computation was performed for hydrogen–oxygen–argon mixtures at the low initial pressure (8.00 kPa), using detailed chemical reaction model. The results show that, the decoupled leading shock reflects on the right wall of the vertical branch. High temperature and pressure behind the reflected shock induce the generation of hot spots and local explosion. Therefore, the re-initiation of gaseous detonation occurs. In the re-initiation area, there exist very high OH concentration and no H ₂ concentration. However, in front of reflected shock, there exist relatively high H ₂ concentration and no OH radicals. Additionally, the shock–flame interaction induces RM instability. This results in the fast mixing between hot reacted gas mixture and the relatively cold unreacted gas mixture and accelerates the chemical reactions. However, the shock–flame interaction contributes much less to the re-initiation, in contrast with shock reflection. The transition of leading shock from regular reflection to Mach reflection happens during the re-initiation. The computed evolution of wave structures involved in the re-initiation is qualitatively agreeable with that from the experimental schlieren images.      

Analysis of double-Mach-reflection wave configurations with convexly curved Mach stems

The wave configuration of a double Mach reflection (DMR) with a convexly curved Mach stem and the resulted flow fields are analyzed. An analytical model describing the formation of a with a curved Mach stem and predicting its wave configuration is proposed. The transition criterion from a with a straight Mach stem to a with a curved Mach stem is also suggested. Predictions based on the analytical model are compared to experimental results. The agreement is found to be good to excellent. Received 5 July 1996 / Accepted 18 March 1998