凝聚炸药爆轰波在高声速材料界面上的折射现象分析

凝聚炸药爆轰在边界高声速材料约束下传播时,爆轰波会在约束材料界面上产生复杂的折射现象.本文针对凝聚炸药爆轰波在高声速材料界面上的折射现象展开理论和数值模拟分析.首先通过建立在爆轰ZND模型上的改进爆轰波极曲线理论给出爆轰波折射类型,然后发展一种求解爆轰反应流动方程的基于特征理论的二阶单元中心型Lagrange计算方法来数值模拟典型的爆轰波折射过程.从改进爆轰波极曲线理论和二阶Lagrange方法数值模拟给出的结果看出,凝聚炸药爆轰波在高声速材料界面上的折射类型有四种:反射冲击波的正规折射、带束缚前驱波的非正规折射、带双Mach反射的非正规折射、带λ波结构的非正规折射.     

爆轰波在炸药-金属界面上的折射分析

针对爆轰波在炸药-金属界面上折射时由实验获得的金属折射冲击波压力与经典爆轰波极曲线理论预测的压力存在显著差异这一问题, 本文展开了进一步的理论和数值模拟分析研究. 首先通过分析指出经典爆轰波极曲线理论的缺陷, 并对爆轰波极曲线理论进行了改进, 改进爆轰波极曲线理论给出了炸药爆轰波折射类型以及折射冲击作用点处的压力值. 然后发展了一个基于次特征理论来数值求解爆轰反应流动控制方程的二阶中心型Lagrange方法, 并数值模拟了一个典型的炸药爆轰波折射实验. 改进爆轰波极曲线理论和数值模拟分析结果表明, 爆轰波折射类型有三种:反射冲击波的正规折射、带Mach反射的非正规折射、无反射波的正规折射, 并且金属折射冲击波压力值随入射角增大而单调减小.     

爆轰波在弯管内传播过程数值分析

应用基元反应模型和频散可控耗散格式(DCD)对氢氧爆轰波在弯管内的传播过程进行了数值模拟.计算中氢氧混合物化学反应采用了8种组分20个反应方程式.在处理化学反应引起的刚性问题时采用了时间算子分裂的方法.计算结果表明,在弯管小曲率半径壁面附近,由于膨胀稀疏作用,爆轰波强度减弱,在局部出现前导激波与放热反应区的解藕以及二次起爆现象;在弯管大曲率半径壁面上爆轰波在马赫反射和正规反射之间相互转变,使爆轰波加强.弯管内的爆轰现象与弯管曲率半径有关.     

气相爆轰波马赫反射影响因素的实验研究

在矩形截面的爆轰管道中,对C2H2+2.5O2+8.17Ar和C2H2+5N2O在CJ爆轰状态下经过不同楔面所发生的马赫反射的影响因素进行了实验研究。实验中,由烟膜记录爆轰波马赫反射的胞格结构转变过程;采用纹影技术捕捉爆轰波马赫反射波阵面的不稳定性及波后流场分布。实验结果表明:两种实验气体在爆轰波马赫反射过程中均存在由CJ区域向过驱区域转变的胞格结构;初始压力对楔面与马赫反射三波点轨迹线之间的夹角(χ)影响明显,楔角θw对χ的影响随θw的增大而增大;根据实验测得的θw+χ与θw之间的关系,可知爆轰波马赫反射三波点轨迹线的斜率随着θw的增大而增大,与CJ区域内胞格轨迹线的相交距离也更短,使马赫杆后的过驱度升高。另外,不稳定气体C2H2+5N2O的不稳定性高于稳定气体C2H2+2.5O2+8.17Ar,导致二者的爆轰波马赫反射行为存在较大的差异。     

气相爆轰波马赫反射影响因素的实验研究北大核心CSCD

在矩形截面的爆轰管道中,对C2H2+2.5O2+8.17Ar和C2H2+5N2O在CJ爆轰状态下经过不同楔面所发生的马赫反射的影响因素进行了实验研究。实验中,由烟膜记录爆轰波马赫反射的胞格结构转变过程;采用纹影技术捕捉爆轰波马赫反射波阵面的不稳定性及波后流场分布。实验结果表明:两种实验气体在爆轰波马赫反射过程中均存在由CJ区域向过驱区域转变的胞格结构;初始压力对楔面与马赫反射三波点轨迹线之间的夹角(χ)影响明显,楔角θw对χ的影响随θw的增大而增大;根据实验测得的θw+χ与θw之间的关系,可知爆轰波马赫反射三波点轨迹线的斜率随着θw的增大而增大,与CJ区域内胞格轨迹线的相交距离也更短,使马赫杆后的过驱度升高。另外,不稳定气体C2H2+5N2O的不稳定性高于稳定气体C2H2+2.5O2+8.17Ar,导致二者的爆轰波马赫反射行为存在较大的差异。     

气相爆轰波在分叉管中传播现象的数值研究

数值研究气相爆轰波在分叉管中的传播现象.用二阶附加半隐龙格-库塔法和5阶WENO格式求解二维欧拉方程,用基元反应描述爆轰化学反应过程,得到了密度、压力、温度、典型组元质量分数场及数值胞格结构和爆轰波平均速度.结果表明:气相爆轰波在分叉管中传播,分叉口左尖点的稀疏波导致诱导激波后压力、温度急剧下降,诱导激波和化学反应区分离,爆轰波衰减为爆燃波(即爆轰熄灭).分离后的诱导激波在垂直支管右壁面反射,并导致二次起爆.畸变的诱导激波在水平和垂直支管中均发生马赫反射.分叉口上游均匀胞格区和分叉口附近大胞格区的边界不是直线,其起点通常位于分叉口左尖点上游或恰在左尖点.水平支管中马赫反射三波点迹线始于右尖点下游.分叉口左尖点附近的流场中出现了复杂的旋涡结构、未反应区及激波与旋涡作用.旋涡加速了未反应区的化学反应速率.反射激波与旋涡作用并使旋涡破碎.反射激波与未反应区作用,加速其反应消耗,并形成一个内嵌的射流.数值计算得到的波系演变和胞格结构与实验定性一致.     

环形通道内爆轰波的起爆机制

旋转爆轰发动机环形燃烧室和预爆轰管的设计是影响发动机点火性能的关键因素。为了获得环形燃烧室中的起爆机制，使用多帧短时开快门摄像法，研究了不同含量氩气稀释的乙炔-氧气爆轰波经直管道沿切向进入环形通道中的传播过程和模式，重点关注爆轰波的失效和重新起爆机制。通过分析胞格模式发现环形通道内爆轰波的传播模式可以分为亚临界、临界和超临界3种状态。环形通道内爆轰波在顺时针和逆时针方向同时传播，根据初始压力和环形管道宽度的不同，会出现完全熄爆模式、熄爆-重新起爆模式和完全不熄爆模式，对应亚临界、临界和超临界3种状态。3种状态在顺时针和逆时针方向出现的顺序并不一致，相比较而言逆时针方向更易熄爆。研究同时也发现重新起爆通过两种方式实现：一种是通过解耦爆轰波与内壁面的反射以及其后的横向爆轰波，另外一种是通过燃烧转爆轰。通过分析直管的临界管径发现，随着环形通道宽度的增大，对于高浓度或低浓度氩气稀释的乙炔-氧气爆轰波，其临界管径均趋近于经典衍射问题中不稳定爆轰波的临界管径。实验研究结论将为旋转爆轰发动机燃烧室和预爆轰管的结构设计提供技术支持。     

预制破片与轻质壳体阻抗匹配对破片初速及完整性的影响

依据杀伤战斗部装药对破片爆轰加载过程的特征,设计了与其较为相似的滑移爆轰单元结构实验模型,采用闪光X射线照相方法获得了预制破片和轻质壳体在两种典型排布顺序下的破片初速及破损情况,并结合应力波传播理论对实验结果进行了分析。结果表明:破片外置时,初始应力波由低阻抗金属材料向高阻抗金属材料传播,破片受到壳体传入的冲击波及空气传入的拉伸波作用,初速较高,轻微破损;破片内置时,初始应力波由高阻抗金属材料向低阻抗金属材料传播,虽然破片受到爆轰产物传入的冲击波及壳体反射的拉伸波作用,但初速相对偏低,易发生破损,甚至有明显层裂现象。     

激光支持等离子体爆轰波温度的实验测量

 高能量激光聚焦空气产生等离子体,等离子体进一步吸收激光能量会形成激光支持等离子体爆轰波。等离子体爆轰波温度是表征爆轰波的一个重要参数,研究等离子体爆轰波温度对于深入了解激光支持等离子体爆轰波形成机理有重要意义。分析了激光聚焦空气形成等离子体爆轰波过程和影响等离子体爆轰波温度的主要因素。采用多通道瞬态光学高温计,测量了不同激光发射能量下空气中形成的激光支持等离子体爆轰波的辐射强度,获得了一系列等离子体爆轰波温度动态变化曲线。测量结果表明：等离子爆轰波温度在随时间演化过程中出现3个峰,最高温度在7 000～10 000 K范围内;激光能量与等离子体爆轰波温度没有明显的相关性。     

猛炸药RHT-901和钝感炸药IHE-2的爆轰波直角绕射

 采用高速转镜分幅相机和电探针技术研究了猛炸药RHT-901和钝感炸药IHE-2的爆轰波直角绕射图像和不同位置上的爆轰波传播时间。从研究得出，两种炸药都在拐角顶点附近绕射，爆轰波传播时间增长，爆速变小。但是两种炸药绕射爆轰波的状态不一样，钝感炸药IHE-2中爆轰波绕过直角时，在拐角顶点附近约10 mm范围内炸药未完全反应，猛炸药RHT-901中爆轰波绕过直角时未出现类似现象。两者相比，钝感炸药中绕射爆轰波速度变化大，波阵面曲率半径小，而猛炸药的绕射爆轰波速度变化小，波阵面曲率半径大。这说明炸药的爆轰波绕射与炸药的冲击感度、反应区宽度有关。     

气相爆轰波的高速摄影观测

文章介绍了利用转镜高速摄影机与纹影仪组成高速纹影摄影系统观测气相爆轰波的方法。     

空气中激光支持爆轰波实验及理论分析

为了研究激光击穿空气产生的等离子体爆轰波形成机制和传播规律,利用高能量CO2激光器产生强激光,进行了空气中产生激光支持等离子体爆轰波实验。实验中:设置了诱导靶板,用于诱发和定位空气中的激光支持爆轰波;以激光器升压过程球隙放电产生的光信号作为触发源,触发高时间分辨率(纳秒级)的高速相机,记录了激光支持爆轰波的成长和传播全过程。分析了激光支持爆轰波的形成机理和传播规律。采用C-J爆轰理论,计算了激光支持爆轰波的压力和温度。研究结果表明:激光支持等离子体爆轰波形成初期,等离子体爆轰波发光体为球形;随着时间增加,等离子体爆轰波发光体的形状类似流星,且头部为等离子体前沿吸收层,亮度较高,而尾部等离子体温度较低,亮度较弱。等离子体爆轰波高速向激光源的方向移动,爆轰波速度高达18 km/s,温度约为107K。随着激光强度的减弱,爆轰波速度迅速按指数规律衰减,当爆轰波吸收的激光能量不能有效支持爆轰波传播时,爆轰波转变为冲击波。     

一维爆轰波在扰动来流中传播的数值研究

爆轰波在静止气体或定常来流中的传播得到了广泛研究, 然而在扰动来流中的传播研究较少。这方面的研究不仅是爆轰传播机制的重要组成部分, 还可为爆轰发动机的应用提供参考。文章基于两步诱导-放热总包反应模型, 开展了一维爆轰波在正弦密度扰动来流中的传播数值模拟。通过对数值结果分析, 获得了放热反应控制参数与爆轰波内在不稳定性的关系, 并在此基础上研究了扰动波长和幅值对一维爆轰波动力学过程的影响。研究发现, 在波前施加连续扰动会诱导爆轰波表现出更复杂的动力学行为, 且影响过程与爆轰波的内在不稳定性相关。对于稳定爆轰波, 扰动只在特定波长范围内引起前导激波后的压力振荡。对于不稳定爆轰波, 扰动会进一步强化其内在不稳定性。扰动幅值越大, 对爆轰波动力学过程的影响越显著。      

CE/SE方法数值模拟炸药粉尘爆轰

采用CE/SE方法数值模拟悬浮在空气中的RDX炸药粉尘的两相爆轰过程.炸药颗粒在爆轰波阵面后的高温高速气流中加速并升温,释放能量支持爆轰波传播.数值模拟爆轰波管中的粉尘爆轰,得到爆轰波流场中的物理量分布,确定爆轰参数,数值结果与文献符合较好.数值模拟复杂通道中的炸药粉尘爆轰,预测了爆轰波的发展和传播过程以及爆轰波后的流场演化.数值结果表明CE/SE方法能成功模拟气体-固体两相爆轰,为粉尘爆轰的研究提供了新的数值预测手段.     

Numerical Simulation of Explosive Dust Detonation with CE/SE Method

采用CE/SE方法数值模拟悬浮在空气中的RDX炸药粉尘的两相爆轰过程.炸药颗粒在爆轰波阵面后的高温高速气流中加速并升温,释放能量支持爆轰波传播.数值模拟爆轰波管中的粉尘爆轰,得到爆轰波流场中的物理量分布,确定爆轰参数,数值结果与文献符合较好.数值模拟复杂通道中的炸药粉尘爆轰,预测了爆轰波的发展和传播过程以及爆轰波后的流场演化.数值结果表明CE/SE方法能成功模拟气体-固体两相爆轰,为粉尘爆轰的研究提供了新的数值预测手段.     

铝粉-空气混合物爆燃转爆轰过程及爆轰波结构

 在长为32.4 m、内径为0.199 m的大型长直水平管道中,对铝粉-空气两相流的燃烧转爆轰（DDT）过程及爆轰波结构进行了实验研究。对铝粉-空气混合物弱点火条件下DDT过程不同阶段的特征进行了分析,实验结果显示混合物经历了缓慢反应压缩阶段、压缩波加速冲击波形成阶段、冲击反应过渡阶段、冲击反应向过压爆轰过渡阶段和爆轰阶段,得到了混合物各阶段的DDT参数,由此进一步分析了DDT浓度的上、下限。在1.4 m爆轰测试段的4个截面的环向上各均匀安装8个传感器,对爆轰波结果进行测试,并对铝粉-空气混合物爆轰波的单头结构进行了分析。     

基于半隐式算法的反应欧拉方程数值计算

在处理反应欧拉方程中源项所引起的刚性问题时,发展了一种IMEX(Implicit-Explicit)型Additive Runge-Kutta半隐式算法,此方法能够节省计算时间和内存;该算法对方程中的非刚性对流项进行显式计算,刚性源项则用半隐式格式计算。为了验证该算法的可行性,通过对典型的马赫反射、二维气相爆轰、爆轰波的传播和爆轰胞格结构进行了数值模拟。模拟结果表明:该算法能够很好地处理由源项引起的刚性问题,准确地反应马赫反射情况,且得到的胞格结构与实验结果十分吻合。     

以高温燃气为试验介质的爆轰波风洞

为了满足高温燃气流动研究的需求,提出了一种新的实验装置——爆轰波风洞.该风洞基本原理是利用高压气体驱动爆轰波后高温气体,为其提供消除Taylor稀疏波的运动边界条件,使爆轰波后气流保持均匀恒定所需状态.在结构布置上,爆轰波风洞与激波风洞类似,因此很容易利用激波风洞实现爆轰波风洞的运行模式,但两者的流动过程和参数间关系有明显的区别.首先理论分析了爆轰风洞流动过程并得出参数间关系,而后据此开展了实验验证.理论和实验结果表明该装置可以产生多种类型、不同状态的高温燃气,并可实现对燃气状态的准确控制.该装置实验能力和应用范围还能进一步扩展.      

激光作用铝靶爆轰波流场观测与理论分析

进行了强激光作用铝靶实验,采用纹影照相法,观察爆轰波流场演化过程,分析了爆轰波衰减规律。根据冲击波运动的自相似性,采用点爆炸模型描述了激光作用下爆轰波流场的演化,计算了波阵面速度、压力和温度。结果显示:爆轰波阵面沿迎着激光光源方向较快传播,波阵面形状由最初的半椭球形逐渐向半球形转变,在演化过程中扰动区结构复杂,存在多个密度间断层。在爆轰波开始传播阶段,波阵面的压力和温度较高但下降很快。     

爆轰波对碰驱动下加环紫铜圆管对碰区的变形特性

爆轰波对碰驱动下金属圆管对碰区易出现过早断裂现象，为了推迟圆管对碰区的断裂时间，文中在紫铜圆管对碰部位设计了铝保护环结构，以研究加环后紫铜圆管对碰区的膨胀变形特性及其对圆管对碰部位破裂时间的影响。采用高速分幅摄影、脉冲x光照相两种观测技术，对加环紫铜圆管在爆轰波对碰驱动下的膨胀变形及破坏过程进行了观测。实验装置示意图及高速分幅摄影实验结果见图I。