钝感炸药点火增长模型的欧拉数值模拟

在自主研发的二维多介质欧拉弹塑性流体力学程序中,通过引入点火增长的反应率模型以及炸药 减敏模型,借助网格自适应技术,研究钝感炸药的冲击点火、直径效应以及死区形成等爆轰现象。数值模拟结 果表明,该程序能够正确模拟平面爆轰波的爆速、CJ状态、vonNeumann尖点等爆轰参数;并能够较好模拟炸 药的直径效应。另外,通过引入考虑减敏效应的反应率模型,能较好地模拟钝感炸药的死区形成过程。     

CL-20基混合炸药的冲击起爆特征

为了研究CL-20基混合炸药的冲击起爆特征,深入分析冲击波作用下CL-20基混合炸药的爆轰成长规律,采用炸药驱动飞片冲击起爆实验方法,对CL-20、CL-20/NTO和CL-20/FOX-7三种压装混合炸药进行了冲击起爆实验,通过嵌入在炸药内部不同位置处的锰铜压力传感器,获得了炸药内部压力的变化历程。依据实验结果标定了混合炸药的点火增长模型参数,其中,利用反应速率方程中的两个增长项,分别模拟CL-20/NTO和CL-20/FOX-7混合炸药中两种组分的反应增长过程,得到这两种混合炸药的反应速率方程参数。并通过数值模拟的方法得到了三种炸药的临界起爆阈值和POP关系。研究结果表明:三种CL-20基混合炸药中,CL-20/NTO混合炸药具有更高的临界起爆阈值,而CL-20/FOX-7混合炸药具有更长的爆轰成长距离;此外,利用此套拟合双组分混合炸药反应速率方程的方法,可以对新型配方炸药的冲击起爆过程进行预测性计算     

HNS-Ⅳ炸药的点火增长模型

进行直径?10mm 的圆筒实验,根据冲击Hugoniot关系,拟合了HNS-Ⅳ炸药的未反应时的JWL 状态方程,并通过数值模拟确定了HNS-Ⅳ炸药爆轰产物JWL状态方程参数;测量炸药/窗口界面粒子速度 历程,结合数值模拟获得HNS-Ⅳ炸药的点火增长模型反应速率方程参数。研究表明,HNS-Ⅳ炸药点火增长 模型能够描述反应过程并与实验结果吻合较好。     

受热炸药的冲击起爆特征

设计了炸药驱动飞片起爆受热炸药的实验装置,该装置既能够对实验炸药进行均匀地加热,又能够避免高温对加载炸药的影响。利用设计的实验装置对PBXC10炸药（HMX/TATB复合炸药）进行了14、100、140、160和180 ℃等5种不同加热温度下的冲击起爆实验,测量了该炸药内部压力的成长历程。采用点火增长反应速率方程对PBXC10炸药冲击起爆进行了数值模拟。根据实验结果,标定了不同温度下PBXC10炸药的点火增长模型参数,并给出了模型参数随温度变化的关系式,获得了不同温度下炸药的Pop关系。研究结果表明:PBXC10炸药的冲击波感度随温度的升高而升高,但与HMX炸药相比,其冲击波感度对温度的敏感性明显降低,这是因为PBXC10炸药中的TATB具有较好的降感作用。     

不同点火方式下HMX基PBX炸药反应演化过程的特征分析

在长管强约束条件下对HMX基PBX炸药点火实验进行了数值模拟,分析了点火方式对炸药反应演化规律的影响,获得了弱冲击点火条件下炸药反应演化过程的特征图像。针对黑火药和雷管2种点火方式,分别构建了PBX炸药黑火药点燃和冲击起爆2类实验的唯象模型和数值模拟方法,通过数值模拟获得了钢管内炸药柱反应演化进程的特征图像,柱壳膨胀历程与实验结果符合较好。研究表明,不同点火方式下炸药反应演化进程存在较大差异。如果使用雷管点火,PBX炸药会在几微秒内发生爆轰反应;而使用黑火药点火,PBX炸药会在数毫秒内从缓慢燃烧转化为剧烈爆炸,但随着壳体破裂解体,管内压力骤降,抑制了反应演化向爆轰转变。黑火药点燃条件下整个反应演化过程可以分为4个主要阶段,其中管壁附近炸药柱表面燃烧传播优先于炸药柱中心基体反应,是弱冲击点火反应演化过程的重要特征之一。     

多元混合PBX炸药冲击起爆的多元Duan-Zhang-Kim反应速率模型研究

提出了多元混合PBX炸药孔隙塌缩热点模型新的处理方法，构建了新的细观反应速率模型，系列数值模拟结果与实验结果均一致，表明该细观反应速率模型可较好地描述和预测炸药组分配比及颗粒度对多元混合PBX炸药冲击起爆过程的影响。PBX炸药冲击起爆过程主要受热点点火过程和燃烧反应过程共同作用:HMX占主导成分的PBXC03炸药，起爆压力低，冲击起爆过程受热点点火影响较明显，热点点火后的燃烧反应速度较快，表现为加速反应特性；TATB占主导成分的钝感PBXC10炸药，起爆压力高，冲击起爆过程主要受点火后的燃烧反应过程控制，且点火后燃烧反应速度较慢，表现为稳定反应特性。     

PBX-9404的化学反应速率方程及起爆特性

通过对炸药化学反应速率方程的分析,建立了基于Kim弹粘塑性球壳塌缩热点模型原理的三项式化学反应速率方程模型。运用遗传算法确定了反应速率方程相关参数,通过与Forest-Fire反应速率模型数值模拟结果的对比对所建模型的合理性进行了验证。将所建反应速率方程模型嵌入有限元程序对PBX-9404炸药起爆过程进行数值模拟,根据模拟结果分析了炸药遭受冲击加载后炸药孔隙率、颗粒尺寸等变化对炸药冲击起爆过程的影响。     

退役单基药的冲击起爆特性

为了研究退役单基药的冲击起爆特性,参照GJB772A-97中卡片式隔板法实验方法,分别开展了退役单基药的连续爆速实验、冲击波感度实验及锰铜压力计实验,观测了其冲击起爆的爆轰建立过程,得到了临界隔板值以及临界起爆压力。在连续爆速实验中,隔板厚度为50 mm时,观察到了退役单基药反应冲击波不断增长的过程,并在90mm处转变为爆轰; 在冲击波感度以及锰铜压力计实验中,测得其临界隔板厚度为50~52 mm,临界起爆压力为1.35~1.49 GPa。对退役单基药的冲击起爆过程进行了数值模拟,结合三种实验的实验结果,标定了其点火增长模型反应速率方程参数。     

含RDX四组元HTPB固体推进剂的冲击起爆特性研究

为了研究含RDX四组元HTPB固体推进剂的冲击起爆行为和在低温条件下的适应性,在常温和低温条件下,对该固体推进剂进行了冲击加载拉氏分析实验。采用锰铜压力计测量了推进剂中不同位置处的压力变化历程,采用电离探针测量了固体推进剂的爆速。分析了固体推进剂的爆轰成长规律,获得了推进剂的临界起爆压力、爆速、爆压和爆轰成长距离等爆轰特征参量。通过对比不同条件下的特征参量发现,低温对固体推进剂的冲击起爆特性影响较小。此外,还对固体推进剂的冲击起爆过程进行了数值模拟,标定了固体推进剂点火增长模型的反应速率方程参数和推进剂的未反应JWL状态方程参数。     

炸药爆轰驱动水的初期过程

采用高速转镜分幅相机,利用阴影照相技术研究了PBX-01炸药爆轰产物在水中的初期演变过程, 获得了爆轰产物与水界面在不同时刻的图像。利用LS-DYNA程序对该实验进行了数值模拟,得到了水中冲 击波迹线、炸药爆轰产物与水界面随时间膨胀的位置、速度。数值计算结果与实验结果具有较好的一致性,所 得参数可为进一步设计改进实验提供参考。理论分析表明,水在爆轰产物作用下的最高瞬间温度约342K, 未到达水在实验压力条件下的相变汽化温度。     

爆轰波拐角传播三维数值模拟

为了研究爆轰波在拐角中的传播特性以及拐角爆轰低压流场现象,用LSDYNA 3D程序对三种常见的拐角装药的爆轰波传播特性进行了数值模拟,清晰显示了爆轰波因拐角处爆轰波传播面积的变化而产生的衰减 增长过程,讨论了侧向三通中爆速的变化情况,并得到了拐角处低压爆轰区的尺寸。     

冲击波作用下乳化炸药压力减敏的表征方法

引入一个新的物理量压力减敏程度,来更合理地表征乳化炸药发生压力减敏的难易程度,为研究其作用机理提供量化的分析工具。分别利用乳化炸药发生压力减敏前后的爆炸冲击波峰压及其对数、冲击波能量和总能量计算压力减敏程度,比较并分析计算结果的优劣。结果表明,几个参数计算的结果都能达到相近的效果,用冲击波峰压计算起来简单方便,冲击波能量计算效果较好。用冲击波参数计算的压力减敏程度能够反映乳化炸药压力减敏的本质,建议采用冲击波峰压计算压力减敏程度,在数值差别不明显时采用冲击波能量来计算。     

PBX-9404炸药高压反应速率方程的研究

研究了ＰＢＸ ９４０４ 炸药在高幅值冲击波加载下的化学反应速率方程。将所得高压反应速率方程与Ｊｏｈｎｓｏｎ 等的经验热点模型的低压项结合,得到ＰＢＸ ９４０４ 炸药的冲击波起爆反应速率模型。利用一维特征线程序模拟该炸药的冲击波起爆过程和爆轰波传播过程。     

Curved shock theory

Curved shock theory (CST) is introduced, developed and applied to relate pressure gradients, streamline curvatures, vorticity and shock curvatures in flows with planar or axial symmetry. Explicit expressions are given, in an influence coefficient format, that relate post-shock pressure gradient, streamline curvature and vorticity to pre-shock gradients and shock curvature in steady flow. The effect of pre-shock flow divergence/convergence, on vorticity generation, is related to the transverse shock curvature. A novel derivation for the post-shock vorticity is presented that includes the effects of pre-shock flow non-uniformities. CST applicability to unsteady flows is discussed.     

MgH2对乳化炸药的压力减敏影响实验

将储氢材料MgH₂作为敏化剂和含能材料引入到乳化炸药的配方中,通过冲击波动压发生装置和水下爆炸实验研究MgH₂对乳化炸药抗冲击波性能的影响,并与玻璃微球敏化的乳化炸药进行对比。研究结果表明,MgH₂能够显著减弱压力减敏作用对乳化炸药爆轰性能的影响,且同等受压程度下爆炸威力远大于玻璃微球敏化的乳化炸药。最后,通过扫描电镜研究受压乳化炸药微观结构,得出乳化基质破乳和有效“热点”减少是乳化炸药受冲击波作用后爆轰压力降低的主要影响因素。     

温压炸药能量输出结构的初步研究

为了研究温压炸药后燃反应及其对空中爆炸冲击波的影响规律,采用实验和数值模拟相结合的方 法对温压炸药能量输出结构进行了初步研究。结果表明,距爆心较近时冲击波压力时程曲线上呈现两个峰 值,而在较远处则存在较宽的正压作用区,该炸药正压作用区冲量为相同质量TNT的约1.6~1.8倍。并根 据JWL-Miller模型参数得出后燃反应释放的能量占总能量的约1/3,以及非理想组分反应度随时间的变化 关系,在完全燃烧的理想情况下,后燃持续时间可达400ms。说明温压炸药中铝粉等高能添加剂的后燃反应 对增强冲击波效应和提高炸药做功能力有显著贡献。     

爆炸冲击波作用下颅脑损伤机理的数值模拟研究

爆炸引起的颅脑损伤已经成为现代战场单兵的主要致伤形式，而相关的致伤机理尚未完全阐明。本文中，针对头部在爆炸冲击波作用下的动态响应及相关致伤机理进行了数值模拟研究。首先，基于颅脑的核磁共振切片建立了人体头部三维数值模型，该模型真实地反映了颅脑的生理特征与细节构造；利用该模型对人体头部碰撞实验进行数值模拟，模拟结果与实验结果吻合良好，验证了头部模型的有效性。在此基础上，基于欧拉-拉格朗日耦合(Euler-Lagrangian coupling method，CEL)方法发展了爆炸冲击波-头部流固耦合模型，对头部受到爆炸冲击波正面冲击工况进行了数值模拟，分别从流场压力分布、脑组织压力、颅骨变形与加速度等方面对头部动态响应过程进行了分析。爆炸冲击波峰值压力在流固耦合作用下增大为入射波的3.5倍，致使受到直接冲击处的颅骨与脑组织发生高频振动，相应的振动频率高达8 kHz，这与碰撞载荷下的脑组织动态响应是完全不同的。同时，该处颅骨的局部弯曲变形会沿着颅骨进行“传播”，影响着整个颅骨的变化构型，从而决定了脑组织压力与损伤的演化过程。     

基于相变松弛法则的水下爆炸空化模型研究

水下爆炸过程中存在着大量的空化现象,空化的产生、演化及其溃灭过程对于水下冲击波传播、爆炸气泡运动以及水下结构物冲击损伤都会产生重要影响。本文基于多相可压缩流体理论模型,考虑空化发生过程中汽-液两相流体亚平衡状态下两相之间发生的热力学-化学平衡机制,分析汽-液两相介质之间的质量和热量交换,从而实现对相变过程的自动捕捉。该系统的控制方程采用分步法处理,首先利用二阶MUSCL-Hancock格式和HLLC黎曼求解器来求解齐次双曲型方程,再采用牛顿迭代法求解相变方程。数值测试结果表明,本文的计算模型对于空化相变过程具有较好的捕捉能力。最后将该模型应用到水下近水面爆炸空化的数值模拟当中,研究发现空泡的溃灭压力峰值约为冲击波压力峰值的15%,有效作用时间是冲击波载荷有效作用时间的2倍以上。本文的空化相变模型能够为水下爆炸空化现象的机理研究提供重要支撑。