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。     

一种基于Hugoniot关系的爆轰产物等熵状态方程

对136组不同炸药的爆轰产物压力-粒子速度实验数据进行分段拟合,得到一个过C-J点的爆轰产物Hugoniot经验关系;对该经验关系进行Riemann积分,得到一个描述爆轰产物压力相对比容关系的爆轰产物等熵状态方程,该方程的参数仅为炸药的初始比容和C-J状态量,与传统经验等熵状态方程相比,不需要进行实验标定,因此可节约标定方程的实验成本和计算成本。为验证方程的合理性,采用该方程在压力相对比容平面上给出了Comp-B、HMX、PETN、ANFO、TNT以及LX-14炸药的爆轰产物等熵膨胀曲线,发现与采用JWL状态方程给出的相应炸药爆轰产物等熵膨胀曲线符合较好。     

根据爆轰产物的微观描述预估凝聚炸药的爆轰压力

40年代以来,从凝聚炸药的化学成分和密度直接计算它的爆轰性质有几种不同的方法,它们的共同点都是采用稳定流动的守恒定律和在爆轰的不连续面上的CJ条件,不同点在于对爆轰产物这样的非常稠密的气体和固体的混合物用什么样的状态方程来描述,本文综述几种状态方程的特点和它们所预估的爆轰压力值之间的差异。      

应用LJD理论计算凝聚炸药的爆轰参数

本文采用Buckingham 6-exp势并考虑多层分子对笼子势能的贡献,导出了LJD模型的状态方程。用它计算了51种CHNO系炸药爆轰产物的平衡成分和CJ参数。在TQ16机上计算每个CJ点的机时约为30秒。     

用VLW 状态方程计算水的冲击Hugoniot曲线

采用L-J(Lennard-Jones12-6)势函数,结合VLW 状态方程,计算了水的冲击压缩Hugoniot曲线。 将理论计算结果与实验结果进行了比较,当势函数参数/K=120、b0=30.42时,计算值与实验符合较好。与 采用BKW 状态方程计算结果相比,VLW 状态方程能够更准确地描述水的冲击Hugoniot曲线。     

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。     

PBX9502炸药爆轰产物的状态方程

采用vanderWaals等效单组分流体模型和Ross硬球微扰理论软球修正模型,计算了爆轰气相产 物的状态方程;用石墨相、金刚石相、类石墨液相和类金刚石液相4种相态描述凝聚成分,由Gibbs自由能最 小确定了不同状态下的凝聚产物相态。对爆轰产物混合系统采用自由能最小原理,通过化学平衡方程组求解 了炸药爆轰产物系统的平衡组分。使用该理论计算了高含碳炸药PBX9502Chapman-Jouguet(CJ)点的爆轰 参数,计算值与实验值符合很好;同时计算了3条等温线,并与Sesame库比较,发现温度超过1000 ℃时,计 算值与Sesame库的计算结果比较接近。在计算的5802K 等温线上发现了一个拐点,分析发现是由于在此 处游离态的碳发生了相变。     

JB-9014炸药超压爆轰产物的状态方程

根据P.K.Tang等提出的对炸药爆轰产物超压状态方程建模时只对JWL状态方程CJ等熵线中 高压指数项做修正的研究思路,首先给定超压状态下内能等熵线的修正项,再根据热力学定律对内能等熵线 求微分而得到沿压力等熵线的修正项。对JB-9014炸药超压爆轰冲击Hugoniot实验数据和声速实验数据同 时进行拟合,得到了3个JWL状态方程在超压爆轰状态下的修正项,并进行了分析与比较。得到超压修正项 的方法简单,3组超压修正项与P.K.Tang的修正项一样,都能很好地拟合超压Hugoniot数据。在实验数据 范围外,对超压状态下的声速-压力实验数据的拟合精度有所差别。     

组合状态方程在数值计算上的应用及分析

利用建立在爆轰产物实验等熵线数据上的组合状态方程以及常用的Jones-Wilkins-Lee (JWL)和Becker-Kistiakowsky-Wilson (BKW)爆轰产物状态方程进行了爆炸数值分析。状态方程数值计算的压力波形与实验波形的对比表明:组合状态方程和JWL状态方程计算的波形的到时、峰值、形状能够与实验吻合;BKW状态方程等熵式计算的数值波形峰值基本能够与实验吻合,但形状吻合不佳。     

非理想爆轰的推飞片效率

本文采用一定形式的状态方程,模拟爆轰波后稀疏波区内介质的放能,初步解析地讨论了非理想爆轰波的推飞片效率问题,并与相应CJ爆轰波的情况进行了对比。由本文的结果可见:(1)对CJ点之后释放能量的非理想爆轰波,波后压力分布与瞬时释放能量的多少和CJ点之后释放能量的多少和快慢有关。(2)非理想爆轰的推飞片效率,除炸药与飞片质量比之外,不仅依赖于CJ点之前瞬时释放出来的能量Q,还依赖于CJ之后释放的能量q和标志释放快慢的参数n。(3)非理想爆轰波、包括弱爆轰的推飞片效率,对所讨论的参数与CJ爆轰相似,均存在一个最佳的选择。     

混合炸药爆速预报的新方法

为了提高混合炸药爆速尤其是含铝混合炸药爆速的计算精度,基于体积加权法思路构造一种新的混合炸药爆速计算公式,对近50种常见的混合炸药配方进行了计算,并与实验值进行对比,结果很好吻合,最大误差低于3%,平均误差低于1%,与BKW和Urizar常用方法相比,计算精度有显著提高。     

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。     

Nonideal thermoequilibrium calculations using a large product species data base

Thermochemical data fits for approximately 900 gaseous and 600 condensed species found in the JANAF tables (Chase et al. 1985) have been completed for use with the TIGER non-ideal thermoequilibrium code (Cowperthwaite and Zwisler 1973). The TIGER code has been modified to allow systems containing up to 400 gaseous and 100 condensed constituents composed of up to 50 elements. Gaseous covolumes have been estimated following the procedure outlined by Mader (1979) using estimates of van der Waals radii for 48 elements and three-dimensional molecular mechanics. Molecular structures for all gaseous components were explicitly defined in terms of atomic coordinates in Å (Hobbs and Baer 1992a). The Becker-Kistiakowsky-Wilson equation of state (BKW-EOS) has been calibrated near C-J states using detonation temperatures measured in liquid and solid explosives and a large product species data base. Detonation temperatures for liquid and solid explosives were predicted adequately with a single set of BKW parameters. Values for the empirical BKW constants ,, , and were 0.5, 0.174, 11.85, and 5160, respectively. Values for the covolume factors, _i, were assumed to be invariant. The liquid explosives included mixtures of hydrazine nitrate with hydrazine, hydrazine hydrate, and water; mixtures of tetranitromethane with nitromethane; liquid isomers ethylnitrate and 2-nitroethanol; and nitroglycerine. The solid explosives included HMX, RDX, PETN, Tetryl, and TNT. Color contour plots of HMX equilibrium products as well as thermodynamic variables are shown in pressure and temperature space. Similar plots for a pyrotechnic reaction composed of TiH₂ and KClO₄ are also reported. Calculations for a typical HMX-based propellant are also discussed.This article was processed using Springer-Verlag T_EX Shock Waves macro package 1.0 and the AMS fonts, developed by the American Mathematical Society.     

固体炸药爆轰温度的实验研究

用光电比色高温计测定了固体炸药TNT、Tetryl、PETN的爆轰温度及爆轰前沿和透明液体相互作用后的爆轰产物的温度。为了讨论实验误差,还研究了爆轰温度随密度的变化以及不同透明液体对爆温测量的影响。     

强爆轰驱动飞片的数值模拟研究

在一维流体动力学程序中,使用了JWLT状态方程,对强爆轰驱动飞片的实验模型进行了数值模拟研究,得到了炸药爆轰产物的压力和密度分布,验证了强爆轰的存在,同时得到了二级飞片自由面的速度曲线,与实验测量结果符合较好,为解释实验结果和设计新的强爆轰实验提供了计算依据,同时验证了程序的正确性。     

一种与爆轰参数封闭的JWL方程参数确定方法

利用数值模拟和理论计算分析了炸药JWL状态方程参数与爆轰参数封闭的重要性;获得了利用圆筒实验测试结果计算炸药爆轰产物绝热等熵指数和爆压的方法;建立了与爆轰参数封闭的JWL状态方程参数的确定方法,并依据公布的圆筒实验数据,应用于两种典型炸药JWL状态方程参数的确定,获得的参数与炸药爆轰参数严格封闭,数值模拟结果与实验结果一致性好,表明炸药JWL参数确定方法合理可靠。     

高-低爆速圆板炸药串联爆轰引起平面爆轰波的变凸现象

为分析高-低爆速圆板炸药于空中串联爆轰时平面爆轰波在传播过程中演变成凸面波的现象,分别对平面爆轰波阵面后爆轰产物状态参数的分布、有效药量与柱面装药几何尺寸的关系、爆轰产物的状态方程及强爆轰关系式进行了讨论。并以100 mm50 mm的TNT与RC炸药串联爆轰为例,描述了平面爆轰波演变为凸面爆轰波的过程,预估了爆轰波的平面范围和波形差。预估结果与实验结果基本符合。