金属桥箔水中电爆炸流场数值模拟研究

研究金属桥箔水中电爆炸等离子体特征及其流场变化规律,建立了桥箔水中电爆炸过程的多相流数值计算模型和计算方法。采用相变分数,实现了金属从固相到气相的质量传递计算。利用Saha电离平衡方程计算了等离子体的电离度,给出了考虑粒子数目变化及粒子间库仑作用的等离子体状态方程。对桥箔水中电爆炸过程进行了数值模拟计算,获得了桥箔电爆炸等离子体及冲击波形状特征,给出了桥箔水中电爆炸流场压力、温度、密度及速度等重要参数的变化规律。     

热量损失和气相凝结对电爆阀建压影响研究

为了研究爆炸燃气热量损失和气相产物凝结对电爆阀建压过程的影响,在一维半无限平板对流传热模型的基础上建立了一种简单的气相凝结仿真模型,预估的铝/高氯酸钾电爆管密闭爆发器试验曲线基本符合试验结果。基于仿真模型研究了铝/高氯酸钾电爆阀建压阶段对流传热和气相氯化钾凝结受传火孔影响的机理。结果表明:建压阶段燃气流动加剧了壁面对流传热和气相凝结,从而导致压力损失严重,传火孔直径越小影响越显著。对于采用金属粉末/高氯酸钾作为输出药的电爆阀,均应避免小传火孔结构。     

可储能电装甲箔电极爆炸温度的一种计算方法

可储能电装甲作为一种新型的电装甲,其防护性能与箔电极爆炸时等离子体温度密切相关。从电装甲的电爆炸机理出发,对其核心脉冲电容器爆炸时的箔电极的电流、电阻和表面积的计算进行了分析求解,进而提出了其箔电极爆炸时产生的等离子体温度的一种计算方法。     

30mm电热化学炮膛内压力波数值模拟研究

使用包含瞬态燃速公式的一维内弹道模型模拟30 mm电热化学发射过程,通过与发射实验结果相比较,验证了该模型的精确性。对比常规发射和电热化学发射膛内压力波曲线可知,电热化学发射技术可以有效降低膛内压力波。进一步分析输入电能、放电时序、发射药弧厚、装填密度等参数变化对膛内压力波的影响。研究表明：同步放电的条件下,电能比不大于0.042时,压力波峰值变化很小;电能比大于0.042时,压力波峰值随着电能比的增加迅速增大;首个负波幅值随着电能比线性递增,但受电能比影响小于压力波峰值;采用时序放电时,在控制压力波的前提下,电能比与放电电流的脉宽呈正比;在较高电能比下,压力波峰值与放电电流的脉宽呈反比;随着发射药装填密度的增加,膛内压力波增大;但在控制压力波的前提下,可输入的电能比无明显变化,首个负波幅值随着电能比的变化趋势不变;弧厚的变化对压力波的影响可忽略不计。     

内弹道对自动步枪枪管瞬态温场影响计算分析

为了探究在2种不同的内弹道条件下自动步枪连发射击过程中枪管温度场的差异,建立了普通自动步枪身管三维传热模型,通过试验验证了模型的正确性。进行了瞬态温度场仿真计算,得到了“膛压缓和上升内弹道方案”和“膛压快速上升内弹道方案”2种内弹道条件下30发和150发连续射击后枪管温度场与位移场的空间分布及演化情况。计算结果表明:“膛压缓和上升内弹道方案”与“膛压快速上升内弹道方案”相比,瞬态温度和位移上升速率更大。第一个方案除枪管尾部区域略低外,其他大部分区域瞬态温度分布较高,且温度引起位移变形也变大。2种方案的差异在膛口处达到最大值。瞬时高温对内壁产生烧蚀作用,这对枪管寿命和冷热偏不利。因此自动步枪内弹道调整为膛压快速上升内弹道方案对步枪性能提升更有利。     

并联电爆炸丝断路开关断流特性模拟与分析

为了研究电爆炸丝长度、根数以及直径对并联电爆炸丝断路开关断流特性的影响,理论分析了并联电爆炸丝断路开关的物理模型,推导了相关设计参数的计算方法,建立了基于时变电阻的仿真模拟模型,并分析了断路时间、断路电流和断流效果等特性的变化规律.结果表明该模型很好地符合实验结果,并能够很精确、便捷、直观地得到电爆炸断路开关断流的一般规律,为设计并联电爆炸丝断路开关的参数选择提供了参考依据.     

电磁轨道炮瞬态磁场测量与数值模拟

为研究电磁轨道炮的磁场特性,建立三维瞬态电磁场计算模型,采用时域有限元/边界元耦合方法进行求解,获得了电枢的膛内运动过程,以及电流密度和磁通密度的时空分布,讨论电枢与轨道间的滑动电接触在电流扩散过程中产生的速度趋肤效应。在发射实验中,用B探针测量电枢运动及磁场,分析了发射过程中的瞬态磁场变化特点,与数值模拟结果进行对比,验证了电磁轨道炮三维瞬态电磁场计算模型的有效性。     

某大口径机枪枪管的瞬态热弹耦合动力响应分析

以某大口径机枪枪管为研究对象,建立了枪管的热弹耦合模型,使用与温度相关的材料模型,计算了枪管在高频循环动态热脉冲和动态压力脉冲共同作用下的瞬态温度响应和瞬态应力响应,分析了热脉冲与压力脉冲的耦合效应,并对拟静态计算法和动态全耦合计算法进行了比较.研究表明:热脉冲与膛压脉冲的动力响应具有表面效应,枪管内膛表面承受脉冲冲击最强,动力效应最大,动力效应沿径向向外迅速衰减;热脉冲与膛压脉冲在内膛表面耦合效应十分明显,采用动态全耦合方法进行计算更加准确.     

液体工质电热化学炮膛内流动特征研究

应用两维多相流模型对液体工质电热化学炮内弹道过程进行了数值模拟，并利用颗粒轨道模型刻画液体颗粒在膛内的分布和运动情况，进一步详细给出了等离子体和液体工质相互作用的若干细节．计算的膛内压力曲线与实验一致．运用壁面函数法分析了较大界面波振幅对液体工质电热化学炮内弹道过程的影响．计算结果显示：气液界面处波动振幅的增大会导致膛内出现较复杂的流场情况，压力和温度状况也会趋于复杂．这预示了膛内液体工质燃烧的不均匀性，并揭示出由Kelvin-Helmholtz不稳定性产生的两相界面的大幅波动是引起液体工质不稳定燃烧的主要因素．     

基于电能的桥箔爆炸FIRESET模型修正

针对FIRESET电爆炸模型认为爆炸过程中导体动态电阻是比作用量的函数,在应用于分析桥箔电爆炸放电回路与研究爆炸箔电爆炸特性时,存在计算误差大、不能直观反映电爆炸过程的缺点,采用电能取代比作用量,引入初始电阻率修正项,从而对FIRESET桥箔电爆炸的非线性动态电阻模型进行修正;利用修正模型对Al、Cu、Ni/Al多层膜3种爆炸箔的电爆炸曲线进行计算,结果几乎与测试结果完全重合,有效地改进了FIRESET模型的模拟偏差。表明利用电能修正FIRESET模型可以直观地反映电爆炸过程中由于温升和相变导致爆炸箔电阻变化的一般规律,有效地仿真电爆炸过程。     

某大口径火炮弹丸卡滞的内弹道计算与分析

针对某次膛炸事故,从经典内弹道和一维两相流内弹道两个方面建立了弹丸卡滞的内弹道数学模型,并进行了计算与分析。经典内弹道计算结果认为,在弹丸发生卡滞时刻,大部分发射药已燃烧,膛压曲线处于下降阶段,弹丸卡滞后,膛压虽有一定程度的上升,但膛压上升幅值并不大。一维两相流内弹道计算结果认为:弹丸卡滞时,膛底压力明显处于下降阶段,而弹底压力则在峰值附近,当弹丸突然停止运动后首先引起弹底压力骤升,上升幅值超过50%,压力波从弹尾向膛底传播引起膛底压力上升,压力波到膛底后反射,又向弹底传播,形成膛内压力的剧烈震荡,且压力波整体上呈振荡收敛趋势。     

双脉冲发动机Ⅱ脉冲点火瞬态工作特性研究

针对双脉冲发动机Ⅱ脉冲点火过程,基于Fluent流场仿真软件平台,建立了数学物理仿真模型,并编写了用户自定义函数(UDF)模拟动态点火具质量流率边界及装药燃烧加质过程。研究了隔层破开前、破开后及稳定建压3个阶段的流场瞬态特性,分析了隔层破开对内流场的影响。研究结果表明:点火初期,装药内孔压力传播速率较外孔快; 隔层破开前,燃气聚集并反向传播导致尾部压力上升速率反超头部; 破开后,燃气压缩低压气体产生压力冲击波,内流场剧烈振荡,对燃烧室不同位置造成一定影响,距级间孔越近,影响越大,反之则越小。     

Ni/Cu复合多层膜电爆炸等离子体发射光谱特性及飞片推动性能

为探索复合多层膜爆炸箔电爆炸的作用机理,开展了Ni/Cu复合多层膜爆炸箔性能研究。采用电化学沉积方法制备了相同厚度的Ni/Cu复合多层膜(调制周期分别为200 nm/300 nm和300 nm/400 nm)及纯Cu、Ni金属膜,通过等离子体发射光谱特性测试分析,计算获得了不同放电电流条件下不同结构的Ni/Cu复合多层膜、纯Cu、Ni金属膜电爆炸等离子体电子温度。通过匹配加速膛、飞片进行了爆炸箔推动飞片的PDV速度测试和分析,获得了不同放电电流条件下Ni/Cu复合多层膜、纯Cu、Ni金属膜爆炸箔推动飞片性能。研究结果表明:在电流为2.5 kA时,(Ni_(200)Cu_(300))_8和(Ni_(300)Cu_(400))_5Ni_(300)电爆炸等离子体发射光谱强度以及等离子体电子温度均高于纯Cu和纯Ni,说明Ni/Cu复合材料在相同条件下电爆炸储能密度更高;在电流为2.5 kA时,Ni/Cu复合材料中的Ni开始对等离子体推动飞片起促进作用,(Ni_(200)Cu_(300))_8和(Ni_(300)Cu_(400))_5Ni_(300)爆炸箔推动飞片的加速时间更长,最终速度均高于纯Cu爆炸箔。     

高压气体发射装置内弹道特性及膛口流场分析

根据非定常可压缩流动的Navier-Stokes方程和Spalart-Allmaras湍流模型,基于计算流体力学分析软件,采用动网格技术,对弹丸在气室高压气体作用下的运动规律及其流场特性进行了仿真。主要研究了4种不同气室初始气压下膛内平均压力、弹底压力、气室底部压力、弹丸运动参数的变化规律,进一步分析了在气室初压为2.5 MPa下不同时刻马赫数等值线的变化规律。研究结果表明：膛内气流存在振荡现象,气室底部压力、弹底压力变化具有波动性;气室初始气压的大小影响气室底部压力、弹底压力振荡幅度及弹丸出炮口速度;弹丸在管内运动速度及运动时间随距离变化的关系均近似抛物线分布。     

等离子体增强火炮发射性能的实验研究

在30mm电热化学发射装置上进行了输人电能、装填密度和火药种类影响发射性能的实验研究。实验结果表明：在等离子体脉冲的作用下．火药燃烧过程得到增强．燃气生成速率提高，导致较陡的起始压力上升曲线。在较大能量和脉宽的电脉冲作用下，在不增加最大膛压的情况下能有效地提高炮口初速。某些经过表面处理的火药可以在抑制最大膛压升高的同时保持等离子体对火药燃烧的电增强效应，提供了一种提高发射效率的有效途径。     

液体发射药迫击炮内弹道燃烧稳定性

为研究液体发射药迫击炮内弹道特性,搭建60 mm液体发射药迫击炮瞬态测试系统,对其燃烧室压力变化与迫击炮弹初速进行测试。在试验基础上,基于非定常欧拉-拉格朗日模型和液体发射药蒸发-燃烧模型建立带燃烧反应的液体发射药迫击炮两相流计算模型,对内弹道过程中的反应流场进行模拟,分析复杂气相流场与液体发射药喷射燃烧间的耦合关系及压力振荡形成机理。结果表明：60 mm液体发射药迫击炮燃烧稳定性好,具有工程化潜力;数值模拟与试验结果吻合度较高,且可以复现压力振荡现象,计算模型具有合理性;液体发射药的喷射与燃烧均受燃烧室内气涡的影响;反射波引发的液体发射药集中燃烧使压力表现为一种振荡发展。     

电爆炸桥箔电导率模型研究

电爆炸桥箔是冲击片雷管的重要组成部分，其电导率是电爆炸过程中的重要参数。在分析桥箔状态变化的物理原理基础上，提出了将电导率分3个阶段来讨论：桥箔加热初始阶段、本征爆炸阶段和等离子体阶段。根据各个阶段的特点，建立了电爆炸过程桥箔电导率的计算模型。用此模型模拟的结果与实验结果具有很好的一致性。     

脉冲点火射流与高氯酸铵/端羟基聚丁二烯固体推进剂耦合燃烧的试验研究及数值模拟

为了研究高氯酸铵/端羟基聚丁二烯(AP/HTPB)在底部排气药柱二次点火过程中的耦合振荡燃烧,建立了AP/HTPB二维三明治燃烧模型,气相区采用二步总包反应,使用用户自定义函数模拟点火射流的作用。在AP/HTPB与点火具的耦合燃烧试验背景下,进行了点火射流频率在125~500 Hz、热流密度峰值在1.9~3.9 MW/m²工况下的数值模拟。模拟结果表明：在振荡燃烧初始阶段,气相热反馈相对于点火射流作用较弱,由于点火射流的主导作用使得X组分（NH₄ClO₄）呈现周期性变化;由于气相温度上升,气相热反馈相对于点火射流作用较强,AP/HTPB燃烧逐渐稳定;点火射流热流密度的提高对AP/HTPB振荡燃烧有显著抑制作用,点火射流频率的提高对AP/HTPB振荡燃烧抑制作用较弱。     

熔融铝液遇水爆炸弛豫现象研究

熔融铝液遇水碎化发生直至爆炸产生的过程是熔融铝液遇水爆炸的弛豫过程,在此过程中,碎化后的铝液滴因快速热交换、物态变化等导致界面不稳定加剧,使铝液滴进一步细碎化。次级碎化的发生使传热效率增加,这样相互促进的作用导致碎化区域呈几何级数增长,局部温度急剧上升和气相组分急剧增加会形成高压区域并迅速在混合体系内扩展传播,最终导致能量的急剧释放而爆炸。针对熔融铝液遇水爆炸弛豫现象建立了碎化模型,利用热力学定律对不同阶段的过程进行了时间上的划分和计算。讨论碎化触发条件,分析爆炸发生情况,为熔融铝液遇水爆炸过程的进一步研究提供理论基础。     

航行体水下高膛压与高速发射载荷特性

水下高膛压高速发射航行体后形成的多相流场复杂多变，产生的载荷影响尚未明确。针对某小口径水下航行体高膛压、高初速冷发射过程，开展发射载荷特性研究，分析航行体发射过程中内弹道阶段、溢出燃气与水相互作用阶段、水锤效应阶段的流场特性与力学特点。基于多相流模型和动网格方法，建立航行体水下高速冷发射过程数值模型，进行气-汽-液多组分数值仿真，对不同时期发射筒的载荷特性及其成因进行分析。研究结果表明：水下航行体高速发射载荷主要来源于内弹道过程与水锤效应，航行体出膛后筒内燃气溢出造成的低压区产生载荷较小；与低膛压、低初速发射工况不同，高膛压发射工况下筒内气体高速大量溢出，水锤效应压力峰值的幅度衰减明显。