Page 19 - 《含能材料》火工品技术合集 2015~2019
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亚 微 秒 内 金 丝 电 爆 炸 的 激 光 探 针 测 试 及 三 维 动 力 学 仿 真                                                   473

            文章编号：1006‑9941（2019）06‑0473‑08

            亚微秒内金丝电爆炸的激光探针测试及三维动力学仿真


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            王万军 ，孙秀娟 ，张 雷 ，雷 凡 ，郭 菲 ，杨 爽 ，付秋菠                   1
           （1. 中国工程物理研究院化工材料研究所，四川 绵阳 621999；2. 空军装备部驻绵阳地区第二军事代表室，四川 绵阳 621999）
            摘  要： 为了获得亚微秒时间尺度内金丝电爆炸流场的演化规律，采用激光干涉测试技术，对直径为 0.04 mm 的金丝电爆炸流场
            膨胀过程进行了实验分析，采用光电探针建立了流场演化过程与放电电流曲线在时间维度上的对应关系；考虑爆发点之后的焦耳热
            沉积，采用包含能量补充项的 JWL 状态方程描述金丝电爆炸产物的动力学行为，对金丝电爆炸过程进行了三维动力学仿真研究。
            结果表明，在储能电容为 0.22 μF，充电电压为 3900 V 的条件下，金丝电爆炸产物的最大膨胀速度可达 8913 m·s ，在传播 1.63 mm
                                                                                                  -1
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            后下降为 3000~4000 m·s ，该条件下的最大输出压力大于 2.4 GPa；数值模拟结果与试验结果的对比显示，计算所得电爆炸产物传
            播距离随时间的变化规律与实验结果基本一致，表明采用考虑能量补充项的 JWL 状态方程能够较好的描述金丝电爆炸产物的动力
            学行为，电爆炸产物膨胀过程中界面压强和密度的衰减规律能够用多项式函数描述。
            关键词：亚微秒；电爆炸；流场演化；激光干涉；动力学仿真；JWL 状态方程
            中图分类号：TJ55；O384；O381              文献标志码：A                                    DOI：10.11943/CJEM2018336







                                                                和扫描摄影，对亚毫秒时间尺度内水下金属丝电爆炸
            1   引 言                                             过程中的冲击波传播特性、气炮增长和等离子体半径
                                                                                        ［9］
                                                                变化规律进行了研究；王坤 等利用皮秒激光探针，对
                金属丝电爆炸是爆炸丝雷管和断路开关的关键物
                                                                纳秒时间尺度内的能量沉积结构、铝丝膨胀速度以及
            理过程。以爆炸丝雷管为例，其作用原理为：放电回路
                                                                其核冕结构进行了研究；张桂夫等                 ［10］ 采用高速摄影，
            的开关闭合瞬间，储能电容放电，形成峰值为数千安培
                                                                揭示了毫秒时间尺度下直管中爆炸诱导气泡和射流的
            的脉冲电流，金属丝在脉冲电流的作用下，发生快速的
                                                                典型演变过程。在数值模拟方面，蒋吉昊                   ［13］ 等采用一
            固‑液‑汽连续相变，并且最终形成高温高压等离子体，
                                                                维磁流体模型，获得了电爆炸丝电流、电压随时间的变
            激发与其接触的炸药发生快速化学反应并且形成爆
                                                                化，以及电爆炸过程中爆炸丝的密度随空间的分布；贺
            轰 ［1-3］ 。等离子体压力和密度随时间和空间的变化规
                                                                佳等  ［14］ 通过自编的一维数值计算程序建立了微型金
            律是认识爆炸丝雷管作用机理的关键问题。国内外学
                                                                属箔电爆炸的数值模拟方法。
            者针对金属丝的电爆炸问题开展了大量实验和数值模
                                                                     可以看出，目前对金属丝电爆炸的实验测试大多
            拟研究，在实验研究方面，Grinenko A             ［4-5］ 和 Sarkisov
                                                                是在亚毫秒时间尺度内开展，而且主要研究金属丝的
            G S ［6-7］ 等对铝丝、铜丝和钨丝在水下和真空中的电爆                      膨胀速度、半径变化等特性，对输出压力等不易直接观
            炸过程开展了系统的实验研究；国内的学者也开展了                             测的物理量研究仍较少，而且并未建立金属丝电爆炸
            大量的实验观测        ［8-12］ ，张寒虹等 ［8］ 采用高速阴影摄影            流场演化与放电曲线的关联；数值模拟仍以简化的一

                                                                维仿真为主，对于非轴对称条件下的三维数值模拟研
            收稿日期：2018⁃12⁃03；修回日期：2019‑01⁃31
            网络出版日期：2019‑04‑01                                   究仍相对较少。本文采用激光探针测试技术，对非轴
            基金项目：国家自然科学基金面上项目（11872342）                         对称条件下金丝电爆炸产物的膨胀过程进行实验测
            作 者 简 介 ：王 万 军（1989-），男 ，助 理 研 究 员 ，主 要 从 事 爆 炸 与 冲 击  试，并且基于光电探针建立不同时刻流场图像与放电电
            动力学、火工品集成设计研究。e‑mail：wangwanjun@caep.cn
                                                                流曲线在时间轴上的对应关系；采用 JWL 状态方程描述
            通 信 联 系 人 ：付 秋 菠（1977-），女 ，副 研 究 员 ，主 要 从 事 火 工 品 集 成
            设计研究。e‑mail：fuqiubo@caep.cn                         电爆炸产物的动力学行为，建立一种金丝电爆炸流场演
            引 用 本 文 ：王 万 军 ,孙 秀 娟 ,张 雷 ,等 . 亚 微 秒 内 金 丝 电 爆 炸 的 激 光 探 针 测 试 及 三 维 动 力 学 仿 真 [J]. 含 能 材 料 ,2019,27(6):473-480.
            WANG Wan‑jun, SUN Xiu‑juan, ZHANG Lei,et al. Sub‑microsecond Interferometry Diagnostic and 3D Dynamic Simulation of the Bridgewire Electrical
            Explosion[J]. Chinese Journal of Energetic Materials（Hanneng Cailiao）,2019,27(6):473-480.
            CHINESE JOURNAL OF ENERGETIC MATERIALS              含能材料                2019 年  第 27 卷  第 6 期 （473-480）
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