水下爆炸冲击问题的物质点法研究
水下爆炸冲击波的数值模拟研究
图 @ 冲击波压力时程曲线结果的比较 $%&’ @ =05I4)%+01 02 I)*++,)* .%5* J%+.0)K /*.3**1 *LI*)%*1M* 20)5,>4 41- 789:;<
图 H 比冲量时程曲线比较 $%&’ H =05I4)%+01 02 %5I,>+* J%+.0)K /*.3**1 *LI*)%*1M* 20)5,>4 41- 789:;<
6 6 为了便于以后研究潜体结构在水下爆炸冲击波作用下的动态响应， 应该重点对 789:;< 程序与 =0>* 经验公式的冲击波峰值压力、 比冲量以及水质点速度的计算结果进行比较。 =0>* 的关于冲击波峰 值压力 ! 5 和比冲量 " 的经验公式如下
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SPH方法模拟水下爆炸研究进展
SPH方法模拟水下爆炸研究进展杨文山;孟晓宇;王祖华【摘要】The main technical problems and research status of SPH method in simulating warship underwater explosion are analyzed. The results show that the treatments of multiphase flow of larger density ratio, three dimensional or three dimensional simulations based on symmetric algorithms, non-reflecion ' boundary and other boundary problems are the main bottleneck technologies of SPH applications in the engineering of warship underwater explosion. Finally, the key research directions of SPH method to solve the problems of warship underwater explosion are put forward.%对SPH方法模拟舰船水下爆炸的主要技术问题及其研究现状进行分析.结果表明,大密度比多相流模拟、三维或基于对称算法的三维模拟、无反射边界等边界的处理是SPH方法实现舰船水下爆炸工程应用的主要技术瓶颈.提出SPH方法实现舰船水下爆炸工程应用的重点研究方向.【期刊名称】《舰船科学技术》【年(卷),期】2012(034)012【总页数】5页(P3-6,14)【关键词】SPH;水下爆炸;多相流;边界【作者】杨文山;孟晓宇;王祖华【作者单位】武汉第二船舶设计研究所,湖北武汉430064;武汉第二船舶设计研究所,湖北武汉430064;武汉第二船舶设计研究所,湖北武汉430064【正文语种】中文【中图分类】U661.720 引言随着SPH(Smoothed Particle Hydrodynamics)方法在具有材料强度的动态响应问题和具有大变形流体动力学问题上的成功应用，许多学者开始考虑用其模拟水下爆炸的可行性。
物质点法在冲击动力学中的应用研究
物质点法在冲击动力学中的应用研究冲击动力学是动力学的一个重要研究方向，涉及到航天航空工业等关键国防领域。
研究的难点包括了材料的冲击波传播、弹塑性本构、屈服准则、物态的状态方程、材料的损伤失效破坏等。
所以要完整的研究一个冲击动力学的动态响应过程在理论上是一个时间相关的强非线性体系，会遇到很大的困难。
本文采用一种新的无网格算法——物质点法，研究了冲击动力学中几个关键性的问题，包括：固体的高速碰撞、超高速冲击成坑、层裂、碎片云现象、气体的激波、空气中炸药爆炸响应。
并与传统的数值算法、实验结果和理论结果进行了一系列的对比，证明了物质点法在冲击动力学中巨大的优势。
具体内容包括：1.系统总结了冲击动力学的两类数值研究方法——传统的基于网格的数值方法和无网格数值方法，重点对物质点法的提出、发展、创新过程进行了论述。
对物质点法的应用和挑战做出了一个清晰的阐述。
2.引出物质点法的基本方程。
对物质点法的空间离散、时间离散、映射函数、边界条件、应力更新格式、人工体积粘性和时间步等关键问题进行了归纳。
对物质点法的三种基本形式：标准物质点法（MPM）、广义物质点法（GIMP）、对流域物质点法（CPDI）的本质差别进行了论述。
3.研究了物质点法在固体高速、超高速问题中的动态模拟能力。
采用Mie-Grüneisen状态方程研究了强冲击波，用Johnson-Cook本构方程研究了高温、高压、高应变率情况下的屈服应力，采用几种典型的损伤失效模型研究了最大等效塑性应变失效、最大拉应力失效、熔化失效等，研究了大变形框架下的Jaumann率增量型本构积分算法，研究了应力、状态方程的更新算法，考虑了绝热情况下的温升效应。
综合以上因素计算了Taylor杆冲击问题、厚板高速成坑现象、中板高速冲击层裂现象、超高速冲击碎片云现象。
并和已有的实验或相关文献结果对比发现，物质点法的精度和效率均提高不少。
4.针对气体中的激波问题，用广义物质点法进行了研究，其精度相对标准物质点法提高很多，但在二维问题中精度有所下降。
水下钻孔爆破的爆炸冲击波测试与分析
ｐ （ ｔ １ ＝０ ． ３ ９ ３ ６ ｅ 一
由上 述 公 式 得 出 ， 直 击 波 衰 减 的 时 间 常 数 是
：
孔上端 直接冲 出，作为水中冲击波并在水中传播 。 上述两种传播途径 中，冲击波在岩层的传播速度要 比水 中的传播速度 快，所 以，在岩层转播的冲击波 会最快 到达 ，这种 波就是所谓的前驱波 ，需要注意 的是前驱波通过岩层面的折射，能量大大减弱。
１ ． 水 下 爆 炸 冲击 波 基本 方 程
即 ：Ｋ ６ ０ １ ． ８ ５ ：ａ － １ ． ４ ２９ 。
根 据试 验 数据 ，可 以得 出 １ ｇ与 ２ ｇ条 件 下 ，随 着 距 离 的 变 化 ， 冲 击 波 压 力 峰 值 的规 律 ，通 过对 衰 减 规 律 的 分 析 ，得 出 ：随 着 爆 心距 的增 加 ， 峰 值 压
１ ． 爆 破 冲 击 波 测 试 系 统 爆 破 冲 击 波 测 试 的组 成 主 要 有 三 部 分 ： 传 感 部 件 ，而 是信 号 放 大 部件 三 是 数 据 采 集 及 图 形 显 示 部 件 。该 系 统 的运 行 机 理主 要 是 冲 击 波 的 信 号 通 过 传
感 器 部 件 ，将 其 转 换 成 微 弱 的 电 信 号 ，然 后 通 过 信
在 本 次 试 验 中 ，一 共 测 得 的 有 效 数 据 有 ７组 ，
水深均为 １ ． ５ ｍ 。其中炸药 的位置与传感器 的距离应 该在 ０ ． ５ ｍ的地方确保 药量为 １ ｇ与 ２ ｇ各一次：１ ｍ 处 的药 量 各 一 次 ，分 别 为 ｌ ｇ与 ２ ｇ ，２ ． ４ ｍ 处 的药
会越大。 同理 ，可 以得 到 １ ｇ与 ２ ｇ的条 件 下 ，二 次 压 力 波 压 力 峰 值 变 化 规 律 在 距 离 的变 化 下 与冲 击 波 的 变
CL-20基炸药水中爆炸气泡脉动实验研究
第38卷第4期爆炸与冲击V o l.38,N o.4 2018年7月E X P L O S I O N A N DS HO C K WA V E S J u l.,2018D O I:10.11883/b z y c j-2017-0093文章编号:1001-1455(2018)04-0855-08C L-20基炸药水中爆炸气泡脉动实验研究*冯凇1,饶国宁1,彭金华1,汪斌2(1.南京理工大学化工学院,江苏南京210094;2.中国工程物理研究院流体物理研究所冲击波物理与爆轰物理重点实验室,四川绵阳621999)摘要:为研究C L-20基炸药㊁C L-20基含铝炸药水下爆炸气泡脉动情况,在2mˑ2mˑ2m的实验水箱中开展小当量实验,采用高速摄影技术,得到炸药水中爆炸冲击波传播曲线,同时清晰地观测到气泡的产生㊁膨胀和收缩过程㊂拟合得到气泡脉动过程中气泡半径㊁速度㊁加速度对时间的变化曲线,对比分析了C L-20含铝与非含铝炸药水下爆炸气泡脉动规律㊂在实验条件下,首次直观地拍摄到C L-20含铝炸药水下爆炸的二次反应放热现象㊂实验表明:C L-20基含铝炸药的气泡半径㊁脉动周期都明显升高,半径增大13.7%,周期增大6.9%;冲击波峰值压力略有下降;水下爆炸测试技术以及高速摄影技术是研究观测含铝炸药二次反应的有效手段㊂关键词:气泡脉动;高速摄影;C L-20;含铝炸药;二次反应中图分类号:O381国标学科代码:13035文献标志码:A六硝基六氮杂异伍兹烷(C L-20)是一种高能量密度炸药[1],其爆压㊁爆速等参数均优于奥克托今(HM X)[2],在C L-20炸药中加入金属粉(铝粉)可以大幅度提高其爆炸能量[3-5]㊂随着当代水下武器的发展,提高炸药的水中爆炸威力一直是各国科研人员的研究热点㊂目前,C L-20基及其含铝炸药已经陆续应用到水下武器战斗部中[6]㊂炸药水中爆炸后,首先在水介质中产生初始冲击波并向四周传播,随后爆炸产物在水介质中形成气泡,开始不断的收缩与膨胀[7]㊂冲击波载荷与气泡脉动载荷对于水下舰船㊁潜艇将产生一定程度的损害,但二者引起的毁伤却并不相同㊂虽然气泡脉动的压力要远小于冲击波压力,但其作用时间却远大于冲击波,尤其当爆炸中心距离附近目标物较近时,会产生 鞭状效应 [8],造成目标物结构的破坏,这对于研究炸药水中气泡脉动过程具有重要的战略意义㊂在实验室条件下,汪斌等[9]采用高速摄影技术得到P E T N水下爆炸的气泡脉动过程以及水射流过程㊂王树山等[11]利用高速录像技术得到R D X水下爆炸气泡脉动过程与水幕形成过程㊂马坤等[12采用1.2m爆炸容器模拟深水爆炸过程,利用高速相机拍摄小当量T N T深水下爆炸气泡脉动过程,拟合得到气泡脉动周期与气泡最大半径随爆炸深度增大的衰减系数㊂然而,前人的研究主要针对理想炸药气泡脉动情况,关于含铝炸药的气泡脉动实验鲜有报道㊂在此基础上,本文中利用高速摄影技术,观测C L-20基炸药和C L-20基含铝炸药水中爆炸气泡脉动过程,对比分析二者水下爆炸气泡运动时的不同现象;分析铝粉对于气泡脉动过程的影响规律,为计算炸药的能量输出规律提供实验数据,为水下爆炸武器㊁水下爆炸气泡动力学提供数据研究基础㊂1实验部分1.1实验样品实验样品包含2种配方圆柱形压装药柱,每种配方2发,共4发,实验药柱的具体状态如表1所示㊂图1为水中爆炸实验时所用药柱㊂*收稿日期:2017-03-27;修回日期:2017-06-02基金项目:国家自然科学基金项目(11102091);高等学校博士学科点专项科研博导类基金项目(20113219110010)第一作者:冯凇(1989- ),男,博士;通信作者:饶国宁,n j r a o g u o n i n g@163.c o m㊂表1实验药柱参数T a b l e 1P a r a m e t e r s o f e x pl o s i v e g r a i n 工况炸药公式炸药尺寸/(mmˑmm )密度/(g㊃c m -3)1C L -20/E s t a n e /G /W ⌀15ˑ14.681.929295/3.5/0.5/1⌀15ˑ14.681.9293C L -20/A l /E s t a n e /G /W ⌀15ˑ14.211.993480/15/3.5/0.5/1⌀15ˑ14.201.994图1实验药柱F i g .1C h a r ge c o l u m n 1.2 实验装置实验在2mˑ2mˑ2m 的水箱中进行,水箱由5mm 厚的钢板焊接而成,内装自来水,水面高度为1.6m ,炸药位于水箱水平面的中心位置,实验时利用细线将装配好的待测药柱悬挂在水中,药柱距离水箱底部的距离为0.8m ,距离水面的距离也为0.8m ㊂药柱中心㊁压力传感器和高速摄像机处于同一条水平直线上,实验选用P C B 138系列水下爆炸压力传感器,传感器的灵敏度为0.1445V /M P a,传感器敏感部位与炸药中心位于同一高度,药柱中心与传感器的距离为0.7m ,与高速摄像机的距离为1.4m ,高速摄像机为A P X -R S 数字式高速相机,拍摄频率为10000s -1,在1m s 内能够得到10幅气泡脉动图像,实验采用L E D 冷光源作为外照明光图2爆炸水箱示意图F i g .2I l l u s t r a t i o no f e x pl o s i o nw a t e r t a n k 源,其发出的光线亮度高㊁显色好,满足实验要求㊂ 炸药在水箱中爆炸时,为了避免来自界面处反射波对冲击波以及气泡脉动信号的影响[13],实验设计时,在水箱内壁周围粘贴一层白色吸波材料,当冲击波波阵面传至水箱界面时,消除强反射冲击波,保证测量数据不受干扰[14],装置如图2所示㊂1.3 实验过程如图3所示,实验中以同步脉冲发生器为高压起爆台,由高速摄影机及示波器提供触发信号,以实现实验控制台和各类数据的记录同步㊂药柱起爆后,高速摄相机获得气泡脉动图像,P C B 传感器测得冲击波压力㊂图3测试系统示意图F i g .3I l l u s t r a t i o no f t h e t e s t s ys t e m 658爆 炸 与 冲 击 第38卷2 结果与讨论2.1 C L -20基理想炸药气泡脉动1号药柱与2号药柱,为平行实验,实验结果重复性较好,此处我们以2号药柱为例㊂实验得到的C L -20基理想炸药气泡脉动过程,如图4所示,从图中可以清晰地观测到2号药柱水下爆炸气泡的产生㊁膨胀和收缩过程㊂炸药起爆后,高温高压的爆炸产物剧烈压缩周围水介质,并迅速向外膨胀,形成爆炸气泡,此时气泡内压力最大,且不均匀分布,气泡内有少量的爆轰产物从气泡表面溢出(t =0.2m s);随着气泡膨胀增大,气泡内部压力逐渐减小,由于惯性的作用,气泡过度膨胀,t =22.5m s 附近时,气泡膨胀到最大半径为59.9c m ,此时气泡内压力最小,气泡膨胀过程基本呈球形,膨胀过程中气泡的中心位移很小,几乎保持不动㊂由于气泡的过度膨胀,气泡在静水压力作用下收缩,气泡半径迅速减小:t =41.0m s 时,气泡仍为球形;t =45.1m s 时,气泡下表面收缩速度更快,底部先开始坍塌,向气泡内部凹陷,产生竖直向上的射流;t =46.4m s 附近时,气泡收缩至最小半径并迅速上浮,从气泡收缩过程开始,图42号药柱水中爆炸后气泡脉动过程图像F i g .4E x p e r i m e n t a l p i c t u r e s o f b u b b l e p u l s e f o r c a s e 2u n d e r w a t e r e x pl o s i o n 图5距离2号药柱0.7m 处压力时程曲线F i g.5P r e s s u r e h i s t o r i e s o f s h o c kw a v e a t 0.7mo f c a s e 2c h a r ge c o l u m n 气泡表面爆炸产物溢出时产生清晰迹线,此时气泡内的压力远高于周围流体压力,气泡将再次膨胀;t =47.1m s 时,气泡上表面开始向上凸起;t =50.2m s 时,气泡继续膨胀,同时不再是规则的球形,随着爆炸产物的溢出,气泡表面也不再是光滑的表面㊂随后,气泡又开始新一轮的脉动,随着脉动过程中能量的消耗,各气泡脉动周期和气泡半径极大值逐渐减小,直至气泡能量被消耗殆尽㊂ 实验得到距药柱0.7m 处压力时程曲线,如图5所示㊂从图5中可以清晰地分辨出冲击波㊁第一次气泡脉动㊁第二次气泡脉动压力及周期,实验数据没有明显的干扰信号㊂由图5可知,首先传播的是初758 第4期 冯 凇,等:C L -20基炸药水中爆炸气泡脉动实验研究始冲击波,冲击波峰值压力高,压力为15.49M P a ,持续时间短,波形陡峭㊂冲击波过后,当气泡半径达到最大值时开始收缩,水中压力将低于静水压力,出现负压;而后当气泡半径邻近最小值时,水中的压力又逐渐上升,出现二次压力波,二次压力波的峰值压力虽远低于冲击波的峰值压力,但持续时间长,基本呈对称形状㊂因此其作用不容忽视,如图6所示㊂二次压力波之后还会出现三次压力波,二次压力波和三次压力波之间也会出现负压,但是二次压力波过后的气泡能量所剩无几,其作用可忽略不计,在此不作相关讨论㊂图6距离2号药柱0.7m 处冲击波压力与气泡第一次脉动压力时程曲线F i g .6P r e s s u r eh i s t o r i e s o f s h o c kw a v e a n db u b b l e p u l s e s a t 0.7mo f c a s e 2c h a r ge c o l u m n 2.2 C L -20基含铝炸药气泡脉动实验得到的C L -20基含铝炸药气泡脉动过程如图7所示㊂以3号药柱为例,与理想炸药相比,二者的气泡脉动规律大体一致㊂当t =25.3m s 附近时,气泡膨胀到最大(半径为68.1c m );t =50.2m s 附近时,气泡半径收缩至最小㊂对于含铝炸药,C o o k 等[15]提出了二次反应理论,首先是单质炸药和其他组分的爆轰,其次是在C -J 面之后,铝粉与爆轰产物间的二次氧化反应㊂二次反应放热发生时刻为炸药爆轰后的十几到几十微秒,铝粉相对于炸药是惰性物质,在反应动力学上对反应物的浓度起稀释作用,因而导致爆速㊁爆压及波阵面上的化学能降低㊂C L -20基含铝炸药达到气泡半径最大的时间以及气泡半径都比理想炸药大一些,这些都充分说明了含铝炸药二次反应放热的特点㊂图8反映了含铝炸药二次图73号药柱水中爆炸后气泡脉动过程图像F i g .7I m a g e s o f b u b b l e p u l s e f o r c a s e 3u n d e r w a t e r e x pl o s i o n 858爆 炸 与 冲 击 第38卷图83号药柱水中爆炸后气泡脉动过程铝粉二次反应图像F i g .8B u b b l e p u l s e f o r c a s e 3s e c o n d a r y r e a c t i o n p r o c e s s o f a l u m i n u mu n d e r w a t e r e x pl o s i o n 反应放热的现象:炸药爆轰结束后,铝粉与爆炸产物的二次反应放出大量的热,使气泡内的反应产物温度不断升高;在气泡收缩至最小半径时,此时气泡内压力最大,在持续的高压与高温作用下,气泡内部高图9距离3号药柱0.7m 处压力时程曲线F i g.9P r e s s u r eh i s t o r i e s a t 0.7m o f c a s e 3c h a r ge c o l u m n 温的二次反应产物产生火球㊂摄像机以幅频10000s -1拍摄,在1m s 内能够得到10幅气泡脉动图像,而气泡内部捕捉到49.5~49.8m s 四张图片,时间间隔只有0.4m s ,这也充分体现了高幅频摄像机在观测水下爆炸气泡实验中的优势㊂实验得到距C L -20基含铝炸药0.7m 处压力时程曲线,如图9~10所示㊂对比图5,C L -20基含铝炸药与C L -20基理想炸药水下爆炸冲击波传播规律大体相同,峰值压力为15.20M P a ,略低于C L -20基理想炸药;此外,从2幅图中可以直观地看出,2种炸药的脉动周期㊁二次压力波的大小及区别㊂4发实验水下爆炸参数如表2所示,1与2,3与4为平行实验,从实验结果来看,重复性较好㊂图10距离3号药柱0.7m 处冲击波压力与气泡第一次脉动压力时程曲线F i g .10P r e s s u r eh i s t o r i e s o f s h o c kw a v e a n db u b b l e p u l s e s a t 0.7mo f c a s e 3c h a r ge c o l u m n 表2实验药柱参数T a b l e 2P a r a m e t e r s o f e x pl o s i v e g r a i n 工况脉动周期/m s气泡半径/c m压力峰值/M P a146.7560.615.52246.7659.915.49349.9768.115.20450.4367.615.12958 第4期 冯 凇,等:C L -20基炸药水中爆炸气泡脉动实验研究2.3 C L -20基理想炸药与含铝炸药气泡脉动对比由图4和图7可以看出,气泡在膨胀阶段基本为球形,气泡收缩阶段为不规则球形,为了对比C L -20基理想炸药(2号药柱)与含铝炸药(3号药柱)的气泡脉动情况,对气泡半径进行近似处理㊂图11为2号药柱与3号药柱水下爆炸气泡半径随时间的变化曲线㊂与理想炸药相比,含铝炸药爆轰后气泡脉动周期较长,气泡半径较大:对于2号药柱非含铝炸药,气泡的脉动周期为46.76m s ,气泡最大半径为59.9c m ,3号药柱含铝炸药,气泡的脉动周期为49.97m s ,气泡最大半径为68.1c m ;C L -20基含铝炸药的气泡半径㊁脉动周期都明显升高,半径增大13.7%,周期增大6.9%㊂ 将气泡脉动过程中的直径-时间变化关系对时间微分,可以得到气泡膨胀㊁收缩速度随时间变化的关系曲线[16](图12)㊂图12中纵坐标为正值的曲线段对应气泡膨胀过程,炸药爆轰结束后,对应气泡膨胀速度最大,2号药柱起始膨胀速度约为132m /s ,3号药柱起始膨胀速度约为138m /s ,随着时间的推移,气泡膨胀速度逐渐减小直至零,此时对应气泡最大半径,气泡停止膨胀;纵坐标为负值的曲线段对应气泡收缩过程,随着时间增大收缩速度绝对值逐渐增大,2号药柱气泡收缩最大速度约109m /s (t =44.1m s ),3号药柱气泡收缩最大速度约为105m /s (t =48.0m s ),达到最大收缩速度后,气泡继续收缩同时收缩速度逐渐减小,当收缩速度为零时,气泡达到最小半径,此后气泡继续下一轮的膨胀和收缩㊂由于气泡脉动过程中抵抗水的阻力消耗了部分能量,气泡的起始膨胀速度大于收缩阶段的最大速度㊂从图12可以看出,速度纵坐标为正值代表气泡膨胀阶段,3号药柱气泡曲线段在2号药柱曲线段上方,说明含铝炸药气泡膨胀速度大于非含铝炸药,由于铝粉与爆炸产物的二次反应放热,使气泡内的压力升高导致膨胀速度加快;速度纵坐标为负值即气泡收缩阶段,3号药柱气泡曲线段在2号药柱曲线段上方,说明2号药柱非含铝炸药气泡收缩速度大于3号药柱含铝炸药,因为气泡收缩过程由流场中周围流体静压力驱动,当周围水的静水压力相同时,3号药柱含铝炸药气泡收缩速度小,表明3号药柱含铝炸药气泡内压力比2号药柱非含铝炸药气泡大,这从侧面反应了铝粉的二次反应放热特点㊂图11脉动过程中气泡半径随时间的变化F i g.11V a r i a t i o no f b u b b l e r a d i u s w i t h t i m e i n p u l s e p r o c e ss图12脉动过程中气泡膨胀㊁收缩速度随时间的变化F i g .12V a r i a t i o no f e x p a n d i n g a n d c o n t r a c t i n g ve l o c i t i e s of t h eb u b b l ew i t h t i m e i n t h e p u l s e p r o c e s s将气泡脉动速度时间关系曲线对时间微分,拟合得到气泡脉动加速度随时间变化关系[16],如图13所示㊂气泡膨胀过程中加速度的绝对值逐渐减小,即膨胀速度变化逐渐减慢,对应图12中速度曲线逐渐平缓以及图11中气泡半径逐渐增大;气泡收缩过程加速度绝对值逐渐增大,即速度变化加快,对应图12中速度曲线逐渐陡峭以及图11中气泡半径逐渐变小㊂从图13中可以看出,气泡刚开始膨胀阶段,2号药柱非含铝炸药气泡加速度绝对值要大一些,随着气泡的继续膨胀,3号药柱含铝炸药气泡加速度绝对值慢慢超过2号药柱非含铝炸药直至气泡最大半径处,加速度绝对值接近于零;随后气泡开始收缩,2号药柱非含铝炸药气泡加速度绝对值大于3号药柱含铝炸药,这都是含铝炸药中铝粉二次反应的缘故,释放的热量继续支持气泡的脉动过程㊂068爆 炸 与 冲 击 第38卷图13脉动过程中气泡膨胀㊁收缩加速度随时间的变化F i g .13V a r i a t i o n o f e x p a n d i n g a n d c o n t r a c t i n g ac c e l e r a t i o n s o f a b u b b l ew i t h t i m e i n t h e p u l s e p r o c e s s 3 结 论为研究C L -20基及其含铝炸药水下爆炸气泡脉动过程规律,采用水箱实验及高速摄影技术,基于小当量炸药水中爆炸试验,得到结论如下:获得C L -20基及其含铝炸药气泡脉动过程的图片,水中爆炸冲击波传播曲线;拟合得到气泡半径㊁速度㊁加速度与时间的变化曲线,对比分析发现,C L -20基含铝炸药的气泡半径㊁脉动周期都明显升高,半径增大13.7%,周期增大6.9%,冲击波峰值压力略有下降,C L -20基含铝炸药气泡膨胀速度快,收缩速度慢;在实验条件下,通过高速摄相技术,捕捉到C L -20基含铝炸药中铝粉与爆炸产物的二次反应放热,致使反应产物产生火球现象,可为今后的含铝炸药爆炸机理的研究提供了有效的实验手段㊂ 感谢中国工程物理研究院化工材料研究所聂福德研究员和杨志剑助理研究员提供的实验样品。
CL-20基含铝炸药水下爆炸实验研究与数值模拟
CL-20基含铝炸药水下爆炸实验研究与数值模拟冯凇;饶国宁;彭金华【期刊名称】《含能材料》【年(卷),期】2018(026)008【摘要】为了研究含铝粉与不含铝粉的六硝基六氮杂异伍兹烷(CL-20)基高聚物粘结炸药(PBXs)的水下爆炸过程,制备了含铝量分别为0和15％的两种炸药,设计了一个水下爆炸实验装置,得到了炸药的冲击波压力历程、气泡周期和气泡脉动图.计算了两种炸药的冲击波能量、气泡能量和水下爆炸总能量.采用AUTODYN软件模拟了水下爆炸过程.结果表明,当铝含量从0增大到15％时,水下爆炸总能量由1.4倍TNT当量增加到1.7倍TNT当量.气泡脉动过程中,时间从49.5 ms到49.8 ms 时,含铝炸药气泡内产生火光.含铝炸药与非含铝炸药超压分别为15.16 MPa与15.51 MPa,气泡二次压力分别为2.25 MPa与2.35 MPa,气泡周期分别为50.20 ms与46.76 ms,气泡最大半径分别为67.87 cm与60.27 cm;仿真得到含铝炸药与非含铝炸药参数超压分别为14.90 MPa与15.14 MPa,气泡二次压力分别为2.16 MPa与2.27 MPa,气泡周期分别为49.32 ms与45.90 ms,气泡最大半径分别为66.32 cm与58.89 cm.实验与仿真结果吻合良好.【总页数】10页(P686-695)【作者】冯凇;饶国宁;彭金华【作者单位】南京理工大学化工学院,江苏南京210094;南京理工大学化工学院,江苏南京210094;南京理工大学化工学院,江苏南京210094【正文语种】中文【中图分类】TJ55;O384【相关文献】1.含铝炸药水下爆炸及其对舰船毁伤的数值模拟 [J], 赵倩;聂建新;王秋实;段晓瑜2.黑索今基含铝炸药水下爆炸性能的实验研究 [J], 荣吉利; 赵自通; 冯志伟; 韦辉阳; 潘昊; 徐洪涛; 辛鹏飞3.CL-20基含铝炸药组分微结构对其爆炸释能特性的影响 [J], 冯晓军; 薛乐星; 曹芳洁; 刘谦; 李欣4.含铝炸药近场水下爆炸冲击波的实验及数值模拟 [J], 孙远翔;田俊宏;张之凡;师明飙5.铝氧比对CL-20基含铝炸药水下能量输出结构的影响 [J], 孙晓乐;万力伦;杨琢钧;刘平;彭继武;刘海伦因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
铝化炸药水下爆炸冲击波特性分析
铝化炸药水下爆炸冲击波特性分析摘要：本文采用一维流体动力学、与时间相关的JWL 爆轰产物状态方程以及压力指数为1/6的反应速率方程，计算分析了铝化炸药水下爆炸冲击波特征参数对反应速率的依赖关系。
结果表明，反应速率常数存在阈值，只有反应速率足够大，才能充分利用爆炸能量。
根据铝粉粒度与反应速率常数的相关性，通过控制铝粉粒度可以设计不同的能量输出特性。
关键词：铝化炸药；冲击波；水下爆炸1 引言火药和炸药的能量输出具有明显的差异。
通常火药的化学反应以燃烧方式进行，可在较长的时间内生成高温气态产物，因而具有较高的冲量输出。
而传统炸药的能量释放是以爆轰波的形式快速进行的，表现为输出压强高、时间短。
虽然两者单位质量释放的能量大小具有相同的量级，但它们的能量释放速率的差异导致了威力的不同。
在实际应用中，往往需要根据目标的爆炸毁伤特性来设计相应炸药的能量输出，因此仅采用理想炸药对爆炸能量的释放进行控制是非常有限的。
特别是对于炸药在土岩介质或水中的爆炸作用，其静态能量输出显得尤为重要。
以铝化炸药为代表的非理想炸药兼顾了火药和炸药的能量释放特性，为爆炸能量释放速率的设计提供了一种非常有效的手段。
典型的铝化炸药通常由理想高能炸药、氧化剂、铝粉和粘结剂等组分构成，其化学反应过程首先是高能炸药组分的快速爆轰，然后是其它组分非理想地低速分解或氧化反应。
因此，通过控制两步化学反应的能量分配比例和低速反应的能量释放速率，可以调整水下爆炸的冲击波能和气泡能的大小，达到对特定目标的最大毁伤效果。
有限元程序能够对铝化炸药的水下爆炸过程进行深入的分析[1]，但需要不断地重分网格，于是耗时较多。
而采用一维流体动力学描述炸药的水下爆炸效应则是一种简单、有效的方法[2]。
本文利用一维流体动力学数值计算，对低速能量释放速率与水下爆炸冲击波的相关性进行了分析。
2 一维流体动力学计算方程由于炸药的水下爆炸是包含爆轰产物和水介质两种物质的流动问题，因而适合采用Lagrangian 方法。
在水下爆炸冲击波作用下的新型冲击因子
在水下爆炸冲击波作用下的新型冲击因子水下爆炸是一种常见的爆炸形式，它在水下环境中产生的冲击波对周围环境和结构物造成了巨大的影响。
在水下爆炸冲击波作用下，会产生许多冲击因子，这些因子对于研究水下爆炸的影响和防护措施具有重要意义。
一、冲击波传播特性水下爆炸冲击波的传播特性是研究冲击因子的基础。
冲击波在水中传播时，会受到水的阻力和粘滞力的影响，使得冲击波的能量逐渐减弱。
此外，水的密度和压力也会对冲击波的传播产生影响。
因此，研究冲击波在水中的传播特性，可以帮助我们了解水下爆炸对周围环境和结构物的影响程度。
二、冲击波压力水下爆炸冲击波的压力是造成冲击因子的主要因素之一。
冲击波的压力与爆炸源的能量、距离和介质特性等因素相关。
在水中，冲击波的压力会随着距离的增加而减小，但相对于空气中的爆炸来说，水下爆炸的压力更加集中和强大。
因此，在水下爆炸冲击波作用下，周围环境和结构物所承受的压力将会很大，这是造成冲击因子的重要原因之一。
三、气泡效应水下爆炸冲击波产生的气体会形成气泡效应，这也是造成冲击因子的重要因素之一。
在爆炸发生后，爆炸源周围的水会迅速蒸发形成气体，而这些气体会形成一个或多个气泡。
这些气泡在上升过程中会带动周围的水形成一个巨大的气泡云，并造成剧烈的涡流和压力变化。
这种气泡效应会对周围环境和结构物产生巨大的冲击力和摩擦力，从而造成冲击因子。
四、声波效应水下爆炸冲击波产生的声波也是造成冲击因子的重要原因之一。
爆炸产生的冲击波会引起周围水分子的振动，从而形成声波。
这些声波在水中传播时会引起压力变化和震动效应，对周围环境和结构物产生影响。
声波效应不仅会造成物体振动和位移，还会对水下生物产生伤害。
因此，在进行水下爆炸研究时，需要考虑声波效应对周围环境和结构物的影响。
五、沉积物悬浮水下爆炸冲击波作用下，爆炸产生的能量会使得底部沉积物悬浮起来，形成一个底部悬浮云。
这种沉积物悬浮现象会对周围环境和生态系统产生影响。
沉积物悬浮不仅会改变水质，还会对水下生物产生伤害，并且对于海底设施和管道等结构物也会造成损坏。
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水下爆炸冲击问题的物质点法研究
开展水下爆炸以及结构在水下爆炸载荷作用下的动力响应研究在军事国防
和民用建设领域均具有重要意义。
水下爆炸及其结构的冲击响应研究是十分复杂的问题，它涉及爆轰物理学、冲击动力学、流固耦合、弹塑性动力学等诸多学科，对其进行理论分析和实验研究是一个巨大的挑战。
近年来，随着计算机技术的不断提高以及各种数值方法的迅速发展，数值模拟已经成为水下爆炸问题研究领域中的重要研究手段。
流场或结构的极大变形、运动物质交界面、多相介质耦合作用以及自由表面等特性存在于水下爆炸整个过程中，这使得采用传统基于网格的数值方法对水下爆炸问题进行研究成为一项非常困难的工作。
物质点法（Material Point Method, MPM）是一种新型的无网格粒子算法，它结合了基于物质描述的拉格朗日方法和基于空间描述的欧拉方法二者的优点，在处理大变形时不存在基于网格的数值方法出现的网格畸变问题，而且物质点法能方便的跟踪材料的变形历史以及实现对物质界面的精确描述，这些优点使物质点法在冲击动力学诸多领域中得到了广泛应用。
本文在前人研究的基础上，进一步发展了物质点算法，并将物质点法扩展到水下爆炸冲击研究领域中。
推导了物质点法控制方程的空间以及时间离散格式，给出了物质点法显式积分算法，编写了基于物质点法基本理论的计算程序。
建立了高能炸药爆轰计算模型，采用物质点法数值模拟了高能炸药爆轰过程，计算得到的爆轰波主要表征参数与解析解和实验数据吻合较好，为下一步水下爆炸冲击问题研究奠定了基础。
针对水下爆炸冲击波在自由场中传播具有球面对称性质这一特点，本文提出了球对称形式的物质点法，为了验证所提方法的准确性，对球形炸药水下爆炸问题进行了数值计算，计算结果与实验数据以及经验公式计算结果吻合较好。
在此基础上提出了基于物质点法的重映射算法，采用此方法可有效提高三维水下爆炸问题的求解效率。
建立了二维水下爆炸计算模型，数值模拟了二维水下爆炸问题，数值计算结果与光滑粒子流体动力学方法（Smoothed ParticleHydronamics, SPH）计算结果以及经验公式计算结果进行了比较，结果吻合较好，物质点法与SPH
算法计算精度相当，但在物质交界面的处理上物质点法具有明显的优势。
对近自由面水下爆炸一系列物理现象进行了数值模拟。
给出了物质点法多介质耦合求解过程，研究了自由表面对冲击波的切断现象，
并成功再现了近自由水面上水冢的形成过程。
采用物质点法定量研究了空气隔层削波规律，结果表明空气隔层可以有效削减水下爆炸冲击波强度。
建立了金属材料的弹塑性本构模型及其在爆炸冲击状态下的状态方程，研究了结构在水下爆炸载荷作用下的瞬态塑性动力学响应。
由于柯西应力材料导数会受到刚体转动的影响，本文引入了客观的Jaumann应力率进行应力的更新，并给出了物质点法显式应力更新算法。
在物质点法中引入了多种材料失效准则，并在计算中考虑了材料的动态失效问题。
为了克服冲击波造成的强间断给数值求解带来的困难，引入人工粘性对间断面进行光滑处理。
并对引入人工粘性后的物质点法应力更新格式进行了修正。
给出了基于物质点法的流固耦合求解格式，物质点法将流体和固体在同一求解域内进行计算，流固耦合算法简单直接，十分适合求解与近场水下爆炸相关的流固耦合问题。
当前无网格法的研究仍处于起步阶段，还有很多需要完善的地方。
在分析软件的开发方面，有些商用软件已经集成了一些基于无网格算法的程序模块，然而这些计算模块功能简单仅仅作为程序的辅助功能出现，其核心算法仍然是传统基于网格的数值方法。
本文基于物质点法开发了具有一定通用性的数值计算程序，为水下爆炸冲击问题研究提供了全新的数值计算平台。