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。      

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。     

钝感炸药的超压爆轰与冲击起爆过程数值模拟

采用Hybrid反应率结合修正的JWL方程,研究了LX-17、超细TATB等钝感炸药的冲击起爆（SDT）过程,并计算了爆轰波的对碰现象。结果表明,该方法计算钝感炸药的冲击起爆过程与实验数据符合较好;计算爆轰波对碰区的峰值压力提高了10％。     

起爆高密度TATB炸药的飞片速度阈值

采用实验与数值模拟相合的方法研究了飞片起爆钝感TATB炸药的性能。设计了飞片可靠起爆钝感TATB炸药的起爆序列,利用全光纤位移干涉测速系统分别测出飞片可靠起爆和未起爆TATB炸药的速度,初步确定飞片起爆钝感TATB炸药的起爆速度阈值。采用DYNA2D程序对飞片起爆TATB炸药过程进行数值模拟,模拟结果与实验结果相符合。     

温度对发散冲击波引爆塑料粘结TATB炸药的影响

在温度为 2 0℃、- 30℃和 - 54℃条件下 ,用半球形传爆药输出的发散冲击波引爆密度1 90g/cm3的塑料粘结TATB钝感炸药 ,采用切面实验方法 ,通过电探针测试技术 ,观测了炸药中被引发的爆轰波或反应冲击波速度的增长或衰减过程。实验表明 ,温度降低 ,塑料粘结TATB钝感炸药的引爆性能发生显著变化。     

钝感炸药圆筒试验数值模拟

报导了采用二维Ｌａｇｒａｎｇｅ反应流体动力学程序ＷＳＵ，数值模拟钝感炸药ＩＨＥ－２三种装药直矩圆筒试验的圆筒膨胀过程，综合评估了ＩＨＥ－２的作功能力和圆筒试验的相似性，确定了ＩＨＥ－２炸药爆轰产物ＪＷＬ状态方程参数。     

IHE热点细观模拟研究

研究了疏松钝感高能炸药中冲击诱导热点形成机理。利用轻气炮对不同装填密度炸进行了冲击实验，回收炸药残骸进行理化分析，结果表明材料初始密度和颗粒大小对热点形成有着强烈的影响。高速照相观察到了甘油水溶液和硝基甲烷液体薄层中气泡和空心玻璃小球有落锤撞击下，压缩、爆破过程。数值模拟与实验观察基本吻俣。     

计算钝感炸药爆轰过程的一种新反应率模型

根据钝感炸药爆轰过程中含有激化过程和慢反应,建立了一种新的反应率模型。与其他反应率模型相比,这种反应率模型可以应用于较粗的网格。在每厘米50个网格条件下,炸药驱动铝飞片和钽飞片的自由面计算结果与实验结果很接近。同时,应用此反应率模型计算了钝感炸药驱动LiF过程,在每厘米50个网格的条件下,炸药与LiF间速度的计算值同实验值接近,且误差随网格尺寸变小而变小。这些表明,此反应率模型能够在较粗的网格条件下,比较准确地描述钝感炸药驱动飞片过程,有利于在工程实际中应用。     

波后慢放能过程对钝感炸药爆轰过程的影响

采用唯象反应率模型与慢放能函数相结合方法,研究钝感炸药波后缓慢放能过程对爆轰过程的影响,计算结果与实验对比分析表明,慢放能反应率模型可更好地描述钝感炸药的爆轰物理过程.     

用三项式点火增长反应速率模型计算JB-9014的反应区

在一维流体动力学编码SSS程序中,利用三项式点火增长反应速率模型对钝感炸药JB-9014的反应区进行了计算。计算中,未反应炸药采用固态HOM状态方程,产物采用气态JWL状态方程,计算得到了钝感炸药JB-9014化学反应区的峰值压力、CJ压力、反应区宽度和反应时间等参数,计算结果与实验结果符合较好。分析表明,三项式点火增长反应速率模型可用于研究钝感炸药的反应区结构。     

正庚烷云雾爆轰特性的研究

本文从理论和实验上研究了正庚烷的云雾爆轰特性。实验中采用红外技术、传感器技术、烟膜技术分别测量了正庚烷云雾引爆的延迟时间tDDT,爆速D,爆压p和爆轰波阵面结构。在理论上提出了含有化学反应项的液滴燃烧模型,进行了正庚烷云雾爆轰过程的数值模拟。计算结果和实验基本符合。     

气体-燃料液滴两相系统爆轰的数值模拟

用两相流体力学模型对气体 燃料液滴系统进行了研究。数值模拟了点火后两相系统爆轰波的发展过程，得到爆轰波的结构和参数。数值模拟结果表明气体 燃料液滴系统爆轰波有较宽的反应区，因而两相爆轰波的曲率对爆速的影响效应十分明显。进行了燃料液滴尺寸对爆轰波的结构和参数的影响的数值模拟。除了很小的液滴外，燃料液滴在爆轰波前导激波面和ＣＪ面间不能完全气化。随着液滴尺寸的增加，燃料液滴在爆轰波前导激波面和ＣＪ面间释放出的能量随之减少，爆轰参数也随之下降。     

GPU-accelerated smoothed particle hydrodynamics modeling of jet formation and penetration capability of shaped charges

The prediction of the penetration of three-dimensional (3D) shaped charge into steel plates is a challenging task. In this paper, the smoothed particle hydrodynamics (SPH) method is applied to simulate the jet formation generated by the shaped charge detonation and its damage to steel plates. The Jones–Wilkins–Lee (JWL) equation of state (EOS), Tillotson EOS, and elastic–perfectly plastic constitutive model were incorporated into SPH for the modeling of explosive detonation and dynamic behavior of metal material. The compute unified device architecture (CUDA) parallel programming interface has been employed in SPH to improve the computational efficiency of SPH. Firstly, the constitutive models and EOSs are validated by 3D TNT slab detonation and aluminum–aluminum (Al–Al) high velocity impact. Then the jet formation of the shaped charge detonation and its penetration into the steel plates are investigated using the graphics processing unit (GPU)-accelerated SPH methodology. The numerical results of these test cases are compared against the published experimental data or analytical result, which shows that the GPU-accelerated SPH methodology is capable of tackling the 3D shaped charge detonation and penetration involving millions of particles with high computational efficiency.     

一维与二维爆轰传播的时空关联特性数值研究

一维爆轰传播的理论完备、计算准确, 二维斜爆轰传播由于壁面与黏性效应, 大尺度、高精度预测还有一定难度. 利用Euler方程和H₂-Air基元反应模型, 对二维有限长楔面诱导的斜爆轰和活塞驱动一维非定常正爆轰进行计算比较研究, 从时空两个维度方面, 分析了两者在起爆过程、稀疏波传播、爆轰波面演化中的关联特性. 研究结果表明: 在过驱动度相同的条件下, 经过时空变换的活塞驱动一维爆轰传播与二维驻定斜爆轰在起爆区波系结构、波面演化特征和主要参数分布规律方面无论定性或者定量对比均符合较好, 所以, 一维非定常爆轰和二维驻定斜爆轰具有时空相关性. 两者的差异主要体现在过驱动斜爆轰受稀疏波影响过渡到近Chapman-Jouguet (C-J)爆轰状态所需的弛豫时间不同, 原因可能是起源于活塞和壁面稀疏波强度的差异. 本文提出的一维与二维爆轰传播的时空关联方法不仅有助于认知斜爆轰起爆、过驱爆轰产生、胞格爆轰演化的三阶段规律, 还可以对比揭示壁面、边界层和黏性效应的影响, 应用在斜爆轰发动机燃烧室设计中能够有效节约计算时间和成本, 并降低复杂度.      

简化CH4/O2/N2基元反应模型在爆轰模拟中的应用

基于改进的全耦合TVD格式和简化的基元化学反应模型,建立了二维可燃预混合气爆轰波传播过程的模型并编制了相应的CFD程序,对CH4／O2／N2预混气爆轰波的形成和传播进行了数值模拟。使用不同的计算初始条件来考察模型的计算模拟能力,计算结果表明,该模型能够精确捕捉爆轰波及其波后的反射过程,同时,也能够预测不同计算初始条件下爆轰波的传播轨迹。计算结果与相同条件下CJ爆轰理论模型的计算结果进行了比较,两者符合较好,这表明简化的CH4／O2／N2机理能够较好地应用于可燃气爆轰过程的数值计算中。     

正向爆轰驱动高焓激波风洞的数值模拟

对充满氢氧可燃气体、带扩容腔的正向爆轰驱动的激波风洞进行了数值模拟。计算采用了欧拉方程,频散可控耗散差分格式（DCD）和改进的二阶段化学反应模型。在扩容腔附近采用二维轴对称计算模型,而在驱动段和被驱动段的直管道部分则采用一维计算模型。本文分析了爆轰波在管道中的传播、反射和绕射过程。计算结果表明扩容腔的尺寸对爆轰波的传播、反射、汇聚等起着决定性的作用;带扩容腔的正向爆轰驱动的激波风洞能够得到平稳的持续时间较长的气流,提高了实验的精确度和可重复性。     

爆震室壁面条件对脉冲爆震发动机爆震性能的影响

在爆震室内快速形成稳定传播的爆轰波是脉冲爆震发动机的关键．本文利用有限速率化学反应模型,考虑粘性、热对流,基于N-S方程对氢气与空气/氧气为反应混合物的爆震发动机爆震室内流场进行计算．从流场压力、速度、涡量、湍流动能等方面研究爆震室壁面条件对燃烧爆轰性能的影响,分析流场爆轰波压力与流场湍动能的关系,讨论可燃气体燃烧转爆轰的机理．结果表明：爆震室内燃烧爆轰机理受到化学反应能量释放、壁面摩擦效应、壁面与外界热交换的影响．在文中讨论的范围内,相比于半圆形和三角形的爆震室装置,矩形的爆震室增强装置能在更短的时间内得到较高的爆轰波压力和湍动能峰值．壁面粗糙层高度（粗糙度）影响爆震室的燃烧爆轰性质．当壁面粗糙度为0.15mm时,粗糙度对爆轰的激励作用大于抑制作用,能较快形成稳定的爆轰波,且推力为35.5N;随着壁面对流换热系数的增大,爆震室壁面的散热加剧．当壁面对流换热系数大于临界值2.6W/(m2·K)时,爆震室内不能形成稳定的爆震波．     

惰性颗粒抑爆过程的数值模拟

对高温火球诱导的爆炸及惰性颗粒的抑爆过程进行了数值研究。由于扰动特征时间 ,两相弛豫特征时间和化学平衡特征时间的差异 ,这种带激波的两相化学反应流守恒方程具有刚性。利用处理包括组元守恒方程的全耦合TVD格式和可处理方程源项的Lax Wendroff Rubin格式分别求解气相和颗粒相 ,并根据各特征时间的比值用分步法处理方程的刚性。计算结果反映了均温燃烧火球在可燃环境中形成加速火焰和激波 ,进而成长为爆轰波的过程 ,以及惰性颗粒对爆轰波的抑制过程 ,反映了激波、化学反应和惰性颗粒之间的相互作用和耦合。计算结果表明 ,仅当颗粒浓度大于某值时才能有效抑制爆轰 ,否则无论多大的颗粒散布区域 ,皆不能使爆轰波完全抑制 ,爆轰波或是在其中发展为两相爆轰波 ,或是穿越该区域后重新成长为气相爆轰。