冲击波在有机玻璃中衰减特性的数值模拟与实验研究

为了研究《国家军用标准—炸药试验方法—卡片式隔板法》(国军标)条件下冲击波在有机玻璃中的衰减特性,对其传播规律和衰减特性进行了数值模拟研究.采用显示有限元程序AUTODYN,并利用理论计算及锰铜压力计测试方法验证了数值模拟的可靠性.结果表明:通过实验测得的国军标条件下冲击波在有机玻璃中的衰减规律为p=17.0e-0.0537x,数值模拟结果与实验结果基本吻合,能够准确预测冲击波在有机玻璃中的衰减规律.利用数值模拟方法分析讨论了冲击波压力在隔板中的衰减特性.研究发现:随着隔板长度的增加侧向稀疏波的影响将会越来越显著.     

水下爆炸近场载荷的试验与数值模拟

借助于小药量水下爆炸试验及数值模拟研究了水下爆炸近场载荷及其运动特性。试验在爆炸水箱中进行,采用同时分幅扫描超高速光电系统拍摄炸药爆炸后视场600 mm×600 mm以内的冲击波及爆轰产物演化过程。使用LS-DYNA软件的ALE方法计算了水下爆炸近场冲击波、爆轰产物气体运动特性,以及冲击波峰值压力和爆轰产物气体与水介质边界压力变化特性,数值模拟结果与试验结果有很好的近似。在试验和数值模拟基础上,提出了适用于水下爆炸近场的冲击波运动、峰值压力的变化规律,并建立了爆轰产物气体初期膨胀运动规律及压力变化。     

冲击波在有机玻璃中输入和传播规律研究

采用自制的锰铜压阻法试验装置,测定了有机玻璃隔板内不同传播距离处的冲击波压力,并对试验结果进行了指数拟合.为了验证试验结果,首先进行了理论分析.对隔板中的冲击波初始压力进行了预估,然后采用动力学程序对该过程进行了数值模拟.得到了有机玻璃隔板中的冲击波初始压力和传播规律.计算结果与试验结果吻合良好,说明了试验装置与试验方法的科学性和可靠性.从而为冲击波感度试验的计量研究提供了必要的技术保障.     

梯恩梯密度对冲击波感度的影响

采用大隔板法、电测法、压阻法及高速摄影技术,对几种不同密度的压装和注装梯恩梯药柱,做了一系列的实验,得到了不同装药方法下各种密度的50％爆轰时隔板厚度、起爆压力和起爆深度。实验结果表明,炸药成型方法和密度对冲击波感度有明显的影响。     

加速老化对JH-14性能的影响试验和数值模拟

为了解老化过程对传爆药爆炸和安全性能的影响,将JH-14药柱放置于71℃、空气环境中恒温加热0 d、4 d、19 d、38d和76 d,用板痕试验检验了老化前后JH-14的起爆能力。通过SSGT小隔板试验测试了不同试样的冲击波感度。利用AUTODYN模拟施主炸药产生的冲击波在有机玻璃隔板中的衰减规律。试验和计算结果表明:老化前后试样的起爆能力没有显著变化,不同老化时间试样的临界起爆隔板厚度分别为6.9 mm、7.0 mm、7.5 mm、8.1 mm和7.8 mm,隔板中对应的冲击波超压分别为2.91 GPa、2.85 GPa、2.60 GPa、2.40 GPa和2.50 GPa,试样的直径和高度都随老化时间的增加而增加,说明冲击波感度的变化主要是药柱密度的微小改变造成的。     

坑道口部爆炸冲击波压力传播规律

坑道口部是防护的重点和难点.利用显式动力学有限元软件,通过合理简化假设,对典型的等截面直墙圆拱坑道口部爆炸的冲击波波动过程进行了数值模拟,形象揭示出坑道中冲击波压力传播规律,即坑道中冲击波压力首先直线上升至最大值,随后由于坑道壁来回反射,出现了与自由大气中理想冲击波指数衰减不同的多个波峰震荡,并得到了峰值压力随距离衰减的模拟结果.再采用相似比为1/5的室外大比例模型,对0.8 kg,0.6 kg和0.4 kg 3种集团装药在坑道口部爆炸的冲击波压力传播规律进行了试验研究,由实测数据拟合出了冲击波峰值压力计算经验公式.结果表明,试验拟合公式与数值模拟及其他经验公式一致性较好,具有一定的工程使用价值.     

巷道瓦斯爆轰衰减规律及参数分析

应用爆轰理论、爆炸力学和爆轰物理学等基本理论和方法，建立了掘进巷道瓦斯爆轰的物理模型和一维不定常流动的数学关系式．目的在于利用瓦斯爆轰的波强度变化方程研究掘进巷道瓦斯爆轰的衰减规律．通过推导认为平面爆轰渡衰减迹线有渐近线，但却不能在有限距离内转变为C-J爆轰状态，而柱面和球面散心强爆轰波却可以在某个有限距离内衰减到C-J状态，文中推导了这个有限距离．另外，掘进巷道瓦斯爆轰波传播过程中，可以根据已知波前状态参数推导出能表征爆轰衰减规律的超压表达式，同时利用Hugoniot曲线对超压的衰减进行了描述，图2，参9．     

含铝炸药水下爆炸特性研究

对1kg柱形某含铝炸药进行了水下5m的水池爆炸实验,并基于AUTODYN软件模拟了含铝炸药水下爆炸冲击波与气泡脉动规律,研究了非理想爆轰对冲击波与气泡特性的影响.模拟研究表明,Miller能量释放模型能够准确地反映含铝炸药的非理想爆轰过程,可准确模拟出冲击波后期压力值、气泡二次压力以及气泡的周期与半径,计算值与实验值具有较好的一致性.以此为基础研究了装药参数及起爆方式对近场冲击波压力峰值的影响,有限元模型、方法以及计算结果对相关研究和计算具有一定的参考价值.     

改性双基推进剂冲击波响应过程的研究

研究了改性双基推进剂冲击波响应过程,其中包括冲击波起爆、爆轰、冲击波成长及化学反应等,并与高能炸药进行了比较。结果表明,改性双基推进剂具有与非均质炸药相似的冲击波起爆、爆轰及冲击波成长过程;临界起爆压力为1.1 GPa具有较大的危险性。     

空气隔层对水中冲击波衰减效果的实验研究

依据一维击波绝热透、反射理论和冲击波在空气、水中的衰减规律,分析了水中空气隔层对水下爆炸冲击波衰减的原理,并通过两次小药量模型实验对分析结果进行了验证.结果表明,空气隔层不仅可以削弱水中冲击波峰值压力,而且可以有效减少冲击波的冲量和总能量,从而可以有效防止水中爆炸冲击波对保护目标的破坏.     

半封闭空间瓦斯爆炸冲击波传播距离研究

为揭示瓦斯在强爆和弱爆情况下冲击波超压变化规律,利用一维爆炸物理模型和爆炸理论,构建了冲击波超压随距离变化的数学模型,并用一端开口的半封闭爆炸试验装置,在保持瓦斯浓度和其他条件不变,仅改变点火能量大小实现了瓦斯爆燃和爆轰,验证理论求解.结果表明:半封闭受限空间内,爆燃情况下火焰传播速度要远小于爆轰条件下火焰传播速度,爆燃火焰传播速度为亚音速,爆轰为超音速;爆轰与爆燃的冲击波超压的理论解都小于实验值,但整个传播变化趋势基本一致;极强冲击波最大超压值与传播距离成反比,极弱冲击波最大超压值与传播距离的平方根成反比;爆燃和爆轰冲击波在燃烧区内的传播变化趋势与理论解基本吻合.研究结果为防治瓦斯爆炸破坏及爆炸事故灾害勘验提供了技术和理论支持.     

激光支持等离子体爆轰波流场研究

采用高速纹影摄影法记录激光支持等离子体爆轰波流场的演化,得到流场冲击波阵面形状和尺寸随时间变化规律。建立激光支持等离子体爆轰波流场演化的物理模型,采用计算流体力学方法模拟计算激光击穿空气后,激光作用时间内及激光作用结束后等离子体流场演化过程。结果表明,纹影摄影法能有效观测到激光支持等离子体爆轰波的传播情况。等离子体爆轰波在激光作用初期为椭球形,随着时间的增加逐渐转变为球形。计算的等离子体爆轰波流场密度分布图与实验结果基本吻合。     

一维平面爆轰波的周期推进模型

一维平面对称爆轰波的推进具有周期性.其冲击波前沿(该处未发生化学反应)对于波后是亚音速的,由于后续扰动不断追上而衰减.炸药微元被冲击波压缩和加热,经过延迟期,由快速放热而形成冲击波,称为"化学冲击波",追上原冲击波前沿,使之增强到初始强度,至此完成一个周期.     

舱室在爆炸冲击载荷作用下的结构毁伤研究

为了研究舰船舱室在反舰导弹作用下的毁伤效果,模拟典型舱室进行数值仿真。分析了爆轰波和冲击波的破坏模式,研究了在爆炸冲击载荷作用下的舱室响应过程;同时结合材料失效原理,给出破坏准则。数值模拟结果表明:舱室是封闭空间,弹药爆炸产生的爆轰波和冲击波在舱壁面上多次反射;由于角隅部位汇聚冲击波而受到的超压作用要大于舱室壁面,所以破坏的部位首先出现在甲板中心到与围壁之间的角隅部位。舱室的主要破坏模式是沿着角隅部位开裂,最终舱室发生解体。通过模拟不同厚度的舱室结构可知,装药量一定时,舱壁越厚舱室抗爆能力越强。     

FAE街道爆炸的三维数值模拟与面向对象编程

采用气液两相方程,对燃料空气炸药（FAE）气液两相爆轰的爆轰波发展过程进行数值模拟,以此结果作为计算的初值,用三维有限体积TVD方法和面向对象编程技术,模拟FAE爆炸产生的冲击波在街道中的传播规律以及对建筑物的毁伤效应,计算结果表明,三维有限体积TVD方法描述了FAE爆炸冲击波的反射,绕射,传播等物理现象,在计算机模型的构造和管理中,C＋＋和面向对象编程技术体现出极高的优越性,对连续边界的处理,采用了垂直扰动法,得到了清晰的物理图像。     

火焰聚心和激波聚焦诱导爆震波

对几种不同结构形式的爆震发生器进行了数值模拟,来研究激波聚焦和火焰聚心现象、气动特性及其机理。数值计算采用多组分理想气体详细的化学反应机理、二维轴对称非定常流动Navier-Stokes方程来模拟流体动力学和化学动力学过程。数值计算发现用较低的点火能量对射流火焰燃烧器中可燃混合物点火,层流火焰在狭窄管壁作用下加速,射流火焰在轴线上汇聚过程,有利于激波的加强。强激波加速火焰,在多重激波与火焰反复作用下,激波和火焰面之间出现热点,热点迅速放大并形成压力很高的过驱爆震波,而后衰减为稳定的爆震波,不同的激波聚焦腔爆震波的形成过程不同。对数值计算的结果分析得出了起爆距离和稳定爆震距离,为进一步试验提供参考。     

基于SD_Toolbox和Cantera的气体C-J爆轰参数计算及规律分析

为研究混合气体爆轰问题,通过利用冲击爆轰专业计算工具箱SD_Toolbox和开源的化学反应动力学计算代码Cantera研究了气体C-J爆轰参数计算方法与规律。结果表明:将SD_Toolbox和Cantera耦合可以进行混合气体爆轰问题的C-J爆轰参数计算;以H_2/O_2、CH4/O_2和C_2H_2/O_2三种不同的混合气体组分为例,在化学反应比初始条件下,分别计算了其C-J爆轰参数;通过与文献中结果的比较,验证了计算的准确性。可见,基于SD_Toolbox和Cantera可以进行气体C-J爆轰参数规律分析,包括初始温度、初始压力和爆炸气体浓度对爆轰产物压力、密度、温度和爆轰波速的影响规律等。     

尾喷管对2-stage PDE性能影响的数值模拟

为研究尾喷管长度和扩张角度对两级脉冲爆震发动机凹面腔内激波会聚起爆及推力性能的影响,选取了一系列不同尾喷管长度和扩张角度的2-stage PDE模型进行数值模拟.单次爆震结果表明,尾喷管长度和扩张角度对2-stage PDE凹面腔中的射流碰撞和起爆过程影响很小.凹面腔的壁面压力和单位面积冲量随尾喷管长度增大而增加,且在较长形式的尾喷管中会出现多次激波相交和会聚,但是频率随尾喷管长度增大而减小.尾喷管壁面压力和冲量的轴向分量随扩张角度增大,凹面腔内的激波会聚和起爆频率不变.考虑凹面腔和尾喷管的综合作用,带有45°扩张角的尾喷管的2-stage PDE性能最好.