装药速度对三波点高度的影响.pdf

第 卷 第 期兵 器 装 备 工 程 学 报 年 月 收稿日期:修回日期:作者简介:周至柔()男硕士研究生:.通信作者:蒋海燕()女研究员:.:./.装药速度对三波点高度的影响周至柔蒋海燕苏健军陈尧禹严家佳(西安近代化学研究所 西安)摘要:为研究装药速度对三波点高度的影响对不同速度下装药的近地动爆过程开展了数值模拟获取了动爆冲击波场演化历程图像定量研究了近地面动爆冲击波流场演化情况 仿真结果表明:装药速度对三波点的高度有较大影响在速度正方向上装药速度越大同时刻三波点高度越高且变化幅度随装药速度的增加而增大马赫波形成位置到爆心投影点的距离较静爆时更远在距爆心投影点相同水平距离处三波点高度越低在速度负方向上则反之在速度正方向距爆心投影点相同水平距离处 炸药和 炸药形成的马赫波高度相当二者的三波点迹线更贴近于地面 装药的三波点高度较高关键词:空中爆炸运动装药马赫反射三波点数值计算本文引用格式:周至柔蒋海燕苏健军等.装药速度对三波点高度的影响.兵器装备工程学报():.:.():.中图分类号:.文献标识码:文章编号:()():.:引言当冲击波以一定角度与壁面接触时会发生斜反射现象 当入射角较小时发生规则反射入射波和反射波的交线始终位于壁面上而当冲击波入射角超出某个临界值时入射波和反射波汇聚形成马赫波入射波、反射波和马赫波的交点也称为三波点开始离开壁面向上移动 冲击波超压作为常规战斗部的重要毁伤元之一在实际工程测试中主要借助测试地面反射压力和自由场压力来评判冲击波威力大小三波点的高度会直接影响冲击波超压测试的准确性如果自由场传感器的安装位置位于三波点以下测得的将是马赫波压力而非所关注的自由场压力因此研究三波点的高度对保证战斗部威力评价的准确性具有重要意义针对三波点高度变化规律徐彬等对马赫波临界反射角及三波点迹线开展了理论计算其结果与仿真结果符合得较好张玉磊等在基于现有研究的基础上进行总结经拟合得到了 爆炸场三波点高度的经验公式段晓瑜等对含铝炸药近地爆炸开展了数值模拟对比分析了铝含量对三波点高度的影响刘欢等针对不同装药形状对三波点高度的影响开展了研究发现长径比越小的柱形装药三波点高度越高 研究者们从炸高、药量、装药类型和装药形状等角度对三波点的变化规律开展了相应的研究但在实际使用时装药往往具有一定的速度装药速度影响下三波点的高度发生了改变姬建荣等通过开展动爆试验研究发现同时刻速度正向马赫杆高度高于速度负向但装药速度对近地空中爆炸三波点高度影响研究尚不充分为进一步研究装药速度对近地空中爆炸三波点高度的影响本文通过开展数值模拟获取不同速度工况下球形炸药空中爆炸历程图像分析了装药速度对马赫波形成位置及强度的影响定量研究了装药速度对三波点的轨迹线的影响并针对不同种类的装药开展近地动爆数值计算以期为冲击波自由场压力测试及试验数据分析提供参考 近地动爆冲击波数值模拟.几何模型试验采用火箭橇对试验装药进行动态加载以预设炸点爆心投影点记为参考点 沿弹道线方向距参考点 、处对称地布设了壁面压力传感器 当火箭橇到达指定位置后装药与橇体分离飞入试验场地在预设炸点位置处采用短延期瞬发引信在装药中心起爆预设炸高为 预设终点弹道速度为 /数值计算模型以动爆试验方案为基本物理模型仿真装药为.球形裸装药起爆点位于装药中心 利用数值仿真软件 对问题进行建模和求解以参考点 为中心建立/几何模型空气域尺寸为 .空气域下方为 .的沙土对网格收敛性进行分析确定空气域和沙土的网格尺寸均为 空气域采用 算法模型外围施加 边界条件来模拟无限空气域同时通过适当增大计算域的范围来消除边界的影响沙土采用 算法 种网格通过流固耦合算法相互作用 为便于说明将装药速度方向记为正方向与速度矢量的夹角为 装药速度正方向为 负方向则为 壁面压力传感器沿弹道线方向布设传感器到参考点的水平距离分别为、和 出于提高计算效率的考虑在计算时采用了映射的办法首先开展自由场球形装药动爆冲击波场二维计算再通过三维映射将二维冲击波场的计算结果映射到三维空气域中 二维模型空气域的尺寸为 网格尺寸为 为量化分析装药爆炸时刻装药速度对三波点高度的影响规律分别计算装药速度 为、和 /条件下的爆炸冲击波场 计算模型如图 所示图 数值计算模型.材料模型及参数炸药的状态方程采用 方程进行描述其压力与体积关系如式()所示所使用的材料状态方程参数值见表 ()()()式()中、和 分别表示爆轰产物的压力、单位体积的内能和比容、和 为独立的物理常数表 炸药模型参数 炸药类型/()/()/.兵 器 装 备 工 程 学 报:/./土壤采用线性压实态状态方程和颗粒强度模型共同描述空气采用 状态方程描述其状态方程如式()所示:()()式()中:为气体压力 为理想气体等熵绝热指数其值为.为空气密度./为单位参考体积的初始能量./.模型及算法验证为验证模型参数设置的有效性将试验测得的压力时程曲线与仿真结果进行比对 由于试验时炸点实际位置沿弹道线方向前移了.为了使模型及算法验证时的测点位置与试验时一致在校验模型时将高斯点到参考点 的水平距离分别变更为.、.、.、.、.和.其余参数设置不变具体的比对结果如图 所示图 冲击波试验曲线与模拟曲线的对比.由图 可知仿真结果与试验结果相比压力时程曲线基本一致冲击波到达时间及正压作用时间较为接近但实测曲线出现了明显的反射波这是因为受实际试验条件限制试验场地边缘处存在土坡因此试验实测的压力时程曲线出现了明显的反射现象数值模拟中的流出边界避免了反射波的形成仿真的边界条件设置对所关心的冲击波到达时间和压力的影响较小 将测点距爆心的水平距离记为 进一步比对峰值压力其结果如表 所示 由表 可知由仿真获取的各测点处冲击波超压数据与试验值接近除个别点外误差均小于 由此可见模型参数设置合理所建立的数值计算模型可以反映动爆冲击波近地爆炸流场的演化情况表 仿真结果比对 /./.结果及讨论.装药静动爆冲击波流场演化图 为装药静止爆炸时不同时刻的压力云图 由图 可知:空中爆炸冲击波在经过一段时间的传播后.时冲击波最先到达爆心地面投影点 与地面接触 冲击波与在接触地面形成反射波随着冲击波的传播在.时反射波追赶上入射波并汇聚形成马赫波三波点也逐渐离开地面向外移动图 静爆冲击波流场演化云图.装药速度 为/的不同时刻动爆冲击波场流场演化情况如图 所示 由图 可知:与静爆时冲击波在爆心地面投影点处首次接触地面所不同由于在装药速度影响下冲击波各向传播速度发生了改变冲击波首次接触地面位置不在参考点 而是沿正方向移动了一定距离在装药速度的影响下三波点的位置分布也发生了变化.时在速度正向形成三波点装药速度负向均形成三波点的时间晚于正向随着冲击波的传播三波点的高度逐渐增大但同时刻速度正向三波点的高度高于负向马赫杆底部到参考点 的距离也是正向大于负向周至柔等:装药速度对三波点高度的影响图 动爆冲击波流场演化云图.提取 方向和 方向上位于马赫反射区内 测点处的压力时程曲线并与静爆时 测点处的压力时程曲线作比较其结果如图 所示 由图 可知:与静爆时相比在装药速度的影响下冲击波到达时间和压力均发生了改变在方向上 测点处冲击波超压为.而在 方向相同水平距离处冲击波超压为.小于静爆时的.冲击波的到达时间也较静爆时要长可见装药速度对冲击波场压力带来了方向性的变化图 压力时程曲线.装药速度影响下三波点高度发生变化的原因是受装药爆炸时刻存速的影响冲击波各向传播速度发生了改变当冲击波传播方向与装药速度方向一致时冲击波的传播速度最大随着两者速度矢量夹角 的增大冲击波的传播速度不断减小当 小于 后冲击波的传播速度开始小于静爆 随着冲击波的传播入射波与地面作用形成反射波与静爆时相比在速度正向入射波的传播速度更快反射波与入射波汇聚并相互作用形成马赫波的位置距离参考点 更远由于速度正向入射波强度比静爆时要高因此同时刻速度正向马赫波的强度更大三波点的高度较静爆时更高而在速度负向则反之三波点高度较静爆时更低马赫杆底部离参考点 更近 图 为装药速度影响下近地爆炸冲击波场分布情况示意图图 动爆冲击波近地爆炸示意图.装药速度对三波点高度的影响图 为不同速度工况下装药速度正负向三波点高度随时间的变化曲线图 三波点高度 时间曲线.由图 可知:在速度正向和负向三波点的高度均随时间的增长而增大同时刻速度正向的三波点高度高于负向如在.时正向三波点的高度为.而在速度负方向三波点的高度为.小于静爆时的.动爆冲击波场三波点高度的变化与装药速度大小正相关以静爆时的三波点高度为参照在装药速度正向装药速度越大三波点上升的幅度越大相应地在装药速度负向装药速度越大同时刻三波点高度的下降幅度也越大 以计算工况下变化幅度最大的 时刻为例当装药速度从 /增加到 /时装药速度正向三波点的上升幅度和装药速度负向三波点的下降幅度分别从.和.增加到.兵 器 装 备 工 程 学 报:/./和.提取各速度工况下速度正方向马赫波形成的位置其结果如表 所示 由表 可知在速度正方向马赫波形成位置比静爆时离参考点 更远马赫波形成时的入射角更大随着装药速度的增加在速度正方向上马赫波形成时的入射角逐渐增大表 马赫波形成位置 /()/.进一步地将不同速度工况下三波点的高度随爆心距的变化情况绘制成图由图 可知在距离参考点 相同距离处与静爆时的三波点高度相比速度正向的三波点高度较低三波点的轨迹更贴近地面在距参考点 处静爆时三波点高度为.相同位置处装药速度为、和 /的三波点高度分别为.、.和.装药速度越大三波点的轨迹线越低而在速度负方向则出现了相反的情况装药速度越大三波点的轨迹线越高(图)造成这一现象可能的原因是与静爆时相比在速度正方向入射波的传播速度更大反射波追上入射波形成马赫波时的的位置比静爆时更远、临界入射角 更大 随着装药速度的增大马赫波形成位置距离参考点 逐渐变远因此在马赫波形成后到同一位置动爆时装药速度更大的工况下马赫波传播的距离更短三波点的高度更低在速度负向则相反.装药类型对动爆三波点高度的影响为研究装药类型对动爆条件下三波点高度的影响开展了在 /速度条件下相同等效装药量(.)在.炸高下的 种工况的空中动爆冲击波数值仿真计算从图 可以知道 种装药三波点高度的变化趋势相同均是随着马赫杆底部到参考点 距离的增加而增大但不同的是在离参考点 相同的距离上 炸药和 炸药的三波波高度相当二者的三波点迹线更贴近于地面而 装药的三波点相比于两者更高 装药类型影响动爆三波点高度的原因应该是在装药速度的影响下爆轰产物各方向上的传播速度不再相同因此爆轰产物压缩空气介质形成的冲击波各方向上的传播速度也不相同 当改变装药类型时初始冲击波与爆轰产物的压力和质点速度也相应发生了改变进一步加剧了冲击波各向传播速度的不均匀性单位能量高的装药初始冲击波的冲击波传播速度更快因此在相同位置处炸药和 爆炸产生的冲击波传播速度较 更快在速度正方向入射波与反射波汇聚形成马赫波的位置离参考点 的距离更远到同一位置 炸药和 炸药爆炸形成的马赫波移动的距离更短三波点的高度与 相比就要低一些图 不同速度下三波点高度 爆心距曲线.图 动爆三波点迹线示意图.图 不同炸药三波点高度 爆心距曲线.周至柔等:装药速度对三波点高度的影响 结论本文采用数值计算软件 对运动装药近地爆炸过程进行了模拟并将计算结果与试验结果进行对比验证了计算模型的准确性 在理论分析的基础上对近地动爆冲击波演化历程图像进行分析定量研究了装药速度对动爆冲击波场三波点高度的影响并初步对不同装药类型对动爆冲击波三波点高度的影响开展了研究 主要结论有:)在速度正方向相较于静爆同时刻三波点高度随着装药速度的增加而增大且变化幅度随装药速度的增加而增大在速度方向则反之)在装药速度正方向装药速度越大马赫波形成位置到爆心投影点的距离较静爆时更远在距爆心投影点相同水平距离处三波点的高度越低)在相同装药速度下速度正方向上 炸药和 形成的马赫波高度较为接近而 形成三波点迹线高于 炸药和 炸药参考文献:.:.杜红棉曹学友何志文等.近地爆炸空中和地面冲击波特性分析和验证.弹箭与制导学报():.():.唐亦康孔德仁.炸药爆炸场中三波点轨迹的数值模拟研究.测试技术学报():.():.徐彬陈志坚郭长铭.球面激波在固壁上马赫反射的数值计算及试验研究().爆炸与冲击():.().():.张玉磊袁建飞蒋海燕等.近地爆炸三波点高度预测及验证.爆破器材():.():.郭炜俞统昌金朋刚.三波点的测量与实验技术研究.火炸药学报():.():.段晓瑜郭学永聂建新等.基含铝炸药三波点高度的数值模拟.高压物理学报():.():.刘欢徐春冬张建伟等.炸药爆炸场中三波点高度影响的数值模拟研究.弹箭与制导学报():.():.姬建荣苏健军陈君等.动爆冲击波传播特性实验研究.兵器装备工程学报():.():.科学编辑 杨继森 博士(重庆理工大学教授)责任编辑 唐定国兵 器 装 备 工 程 学 报:/./