Page 23 - 《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 477
进行测试，采用示波器进行记录，测试结果如图 6 所 AUTODYN 程序中的“EXSIE”用户子程序，重新编译形
示。可以看出，原始的电流曲线和电压曲线存在明显 成定制化的 AUTODYN 计算程序，能够实现向计算模
的相位差，在电流为零的时刻，电压值不为零，表明测 型中选定的材料按照任意形式的曲线进行能量输入。
试电压中除了电阻电压外，还包含明显的感生电压。 3.2 计算结果及分析
由于感生电压对于加热金丝电爆炸产物没有作用，因 仿真获得的电爆炸产物膨胀距离随时间的变化规
此在根据式（2）和式（3）计算 E 和 Q（t）之前，必须首先 律与实验结果的对比如表 4 所示，数值模拟获得的密
0
将测试电压曲线中的感生电压消除。考虑到电流为零 度云图与对应时刻的激光干涉测试图像的对比如图 8
的时刻，电阻电压也为零，此时测试电路两端的电压完 所示。由表 4 可以看出，在不同的时刻，冲击波波阵面
全由电感产生，因此可以根据此时电流的瞬时变化率 的传播距离与实验结果基本吻合，误差不超过 10%，
和测试电压值计算得到电流零点时的测试电路电感 表明本研究采用的计算模型能够正确描述金丝电爆炸
值。从实验数据出发，对电感的变化规律用 2 次函数 产物在膨胀过程中的动力学特性，但是也可以看出初
进行拟合，然后将电感函数代入式（4）以消除感生电 始阶段计算所得的膨胀距离小于实验结果，随着时间
压对测试电压曲线的影响，消除感生电压之后的电压 的推移，计算所得的膨胀距离逐渐接近并超过实验测
曲线如图 6 所示，明显可以看到，修正后的电压相位与 试结果，分析认为这主要是由于在实际物理过程中，电
电流基本保持一致。 流产生的焦耳热主要集中在金丝初始位置附近，到膨
U′ = U - L(d I/ d t) （4） 胀后期，该部分能量对于爆炸产物膨胀的影响是逐渐
分别采用修正前后的电压曲线和电流曲线的积分 变小的，而在数值模拟过程中，是将该部分能量均匀注
可以获得修正前后能量输入曲线，如图 7 所示，可以看 入到电爆炸流场中，导致扩大了后期注入能量对电爆
出，在去除了电感电压之后，修正后的能量输入要明显 炸 产 物 膨 胀 的 影 响 ，使 得 后 期 的 计 算 膨 胀 距 离 逐 渐
小于修正前的能量输入。截止到爆发点 t =132 ns 的沉 偏大。
c
积 能 量 E =0.18 J。 在 计 算 过 程 中 ，Q（t）的 输 入 通 过
0
表 4 电爆炸产物膨胀距离随时间变化规律仿真结果与实验结
AUTODYN 软 件 的 二 次 开 发 实 现 ，通 过 编 写 果对比
Table 4 Comparison of the product travel distance between
the simulation and experimental results
simulation travel experimental travel
time /ns error / %
distance / mm distance / mm
160 0.09 0.10 10.0
206 0.46 0.51 -9.8
304 0.94 0.99 -5.1
336 1.10 1.12 -1.8
492 1.75 1.63 7.4
图 6 测试电流电压曲线和消除电感后的电压曲线
Fig.6 Measured current and voltage trace and modified voltage 从图 8 可以看出，受电极塞约束作用的影响，数值
仿真中密度较大的区域集中在靠近底板的部位，实验
测试中激光干涉条纹较为模糊的区域与数值仿真结果
中密度较大的区域基本重合，表明流场中心部位干涉
条纹较为模糊确实是由于物质密度较大导致激光无法
穿透导致的。另外从数值仿真结果还可以看到，由于
爆炸产物的膨胀速度远远大于空气中的声速，因此压
缩空气形成了空气冲击波，在爆炸产物外界面和冲击
波波阵面之间形成了一个密度较大的受压缩空气薄层
图 7 修正前后能量输入曲线 区域，对应于激光干涉条纹外缘的双层条纹现象，进一
Fig.7 Original and modified energy history 步验证 2.3.1 节中对干涉条纹的分析。
CHINESE JOURNAL OF ENERGETIC MATERIALS 含能材料 2019 年 第 27 卷 第 6 期 （473-480）
