大口径爆炸激波管出口冲击波流场图像测量

为了获取大视场下爆炸冲击波的纹影图像以及冲击波与被测模型相互作用后的流场演化特征,开展了基于聚焦纹影的反射式高速纹影测试。利用激光光源和高反射膜建立了系统所需的光源输入,并通过简化刀口栅设计,实现了远距离大口径爆炸激波管出口冲击波流场图像演化特征以及与固体模型相互作用的高时空分辨特征。研究结果表明,设计的聚焦式反射纹影系统在80 m以上距离处获取了大口径大当量爆炸激波管出口处6 m×3 m视场的冲击波特征,以及与固体相互作用的高时空分辨图像和状态数据;相比传统聚焦纹影系统,该系统具有结构简单、可实现性强、测试距离远,覆盖视场大等特点;通过设计不同光源输入,探讨了激光光源在远距离拍摄中的优势;通过冲击波阵面与固体模型的相互作用特征,揭示了冲击波作用于被测固体模型后的形成、演化和绕流状态。该测量结果能够为武器装备在受到冲击波作用后的状态评估和响应特性分析提供直观的图像数据支撑。

基于高压气体驱动的爆炸波模拟激波管冲击波衰减历程控制方法

基于高压气体驱动的爆炸波模拟激波管,一般采用驱动段、喉部、膨胀段的结构形式,可产生特征与爆炸波接近的模拟冲击波,是实验室中开展长正压作用时间爆炸毁伤效应研究的理想平台。通过调整激波管的变截面结构和驱动段形状,实现冲击波超压衰减历程的控制,是此类爆炸波模拟激波管设计面临的核心问题之一。基于实验室现有的爆炸波模拟激波管结构,建立了激波管内一维流动数值计算模型;参考统计学理论,提出了基于决定系数的激波管模拟冲击波与标准爆炸波相似度评价方法;进而以变截面激波管的流动特性为基础,研究了驱动段形状对冲击波衰减历程的影响机理。研究结果表明:采用距离喉部越远、截面直径越小的驱动段形状,以决定系数为量化标准、优化驱动段形状,控制稀疏波、压缩波在激波管内的运动过程,可以获得接近于爆炸波指数衰减特征的模拟冲击波。

激波管模拟产生近场爆炸冲击波

激波管可以在实验室环境下模拟爆炸产生冲击波,具有参数易于控制和测量手段准确多样等优势,在爆炸冲击效应的研究中被广泛应用。但与真实爆炸相比,尤其是近场爆炸,激波管产生的冲击波存在正压作用时间难以缩短、超压峰值难以提升的困难。通过对激波管运行理论和数值模拟分析发现:缩短正压作用时间的关键是让反射稀疏波尽快追上入射激波;提升超压峰值的关键是提高驱动气体的驱动能力。为此,设计了一种驱动段为锥形截面的激波管,使得反射稀疏波更快地追上入射激波,从而有效减小激波管设备长度并缩短正压作用时间;同时,采用正向爆轰驱动技术,利用化学能代替高压空气驱动提高驱动气体声速,在低爆轰初始压力下可以获得高的超压峰值。数值计算结果表明,在入射激波马赫数(MS=2.0)相同条件下,相对于等截面驱动方式,采用锥形截面驱动方式时,激波管长度可以减少近2/3,正压作用时间可以缩短近1/2。激波管实验结果表明,锥形截面驱动激波管产生的超压曲线满足近场爆炸冲击波形要求,并获得了超压峰值为64.7~813.4 kPa、正压作用时间为1.7~4.8 ms的爆炸冲击波波形。该研究可为近场爆炸冲击波致伤及装备防护效应评价实验提供参考。

大型激波管产生的长持时冲击波的特性研究

为得到长持时冲击波,在大型激波管高压段2个位置预设TNT和预充高压气体,进行了压力测试,并得到了测点处的压力时程曲线;又采用ANSYS/LS-DYNA软件对上述工况进行了数值仿真和参数校正;然后,对不同工况产生的冲击波特性进行仿真研究;最后,明确了不同装药位置、装药量、预充高压气体压力和泄压口长度对冲击波特性的影响。结果表明:当采用2处TNT装药,装药量和泄压口长度不变时,峰值超压和超压时长随着预充高压气体压力的增大而增大,峰值到达时间不一定降低;当预充高压气体压力和泄压口长度一定,2处TNT装药量增幅不大时,峰值超压和峰值到达时间会降低,但超压时间增加;同时增加TNT装药量和预充高压气体压力,会提高峰值超压,但对超压时长的影响不明显;当TNT装药位置为1个,装药量和泄压口长度一定时,预充高压气体压力增大会增加超压时长和峰值压力,与2处装药位置时规律一致,但冲击波的峰值到达时间降低;当其余条件不变时,减小泄压口长度会增加峰值超压压力,但是峰值到达时间却呈先减小、后增大的趋势。

爆炸驱动激波管冲击波压力参数研究

爆炸驱动激波管的作用是通过驱动段内的炸药爆炸产生冲击波,经扩张段的激波整形对目标物体进行平面波加载。为获得爆炸驱动激波管试验段内的冲击波超压环境,得到试验件的加载条件,通过数值模拟和量纲分析的方法,综合考虑装药质量、激波管结构尺寸、目标物体位置等参数的影响,建立冲击波压力峰值与上述参数之间的经验计算模型,并通过多种工况的考核试验对该模型的准确性进行了验证。结果表明:模型得到的计算值与试验值的平均相对偏差为10%,可满足工程应用的要求,且爆炸驱动激波管试验段内冲击波超压峰值主要与装药质量、爆心距、激波管直径及驱动段长度有关,其余参数的影响基本可以忽略。

基于BP神经网络的爆炸用激波管峰值压力预测方法

针对爆炸用激波管缺乏相应的经验公式和数值模拟时效性差的问题,同时为了快速得到激波管内的峰值压力,建立预测爆炸用激波管试验段峰值压力的四层反向传播(back propagation,BP)神经网络。采用数值模拟方法计算激波管试验段峰值压力,计算结果与激波管爆炸试验结果进行对比,平均相对误差为2.69%。证明激波管数值模型的准确性后,将数值模拟得到的195组激波管测得的峰值压力作为输出层,激波管驱动段TNT的药量、药柱的长径比以及爆炸比例距离作为神经网络的输入层。为了加快神经网络迭代速度和提高预测精度,使用自适应矩估计(adaptive moment estimation,ADAM)算法作为神经网络误差梯度下降的优化算法。结果表明,训练好的神经网络得到的预测结果与模拟值基本吻合,预测结果与数值模拟结果的平均相对误差为3.26%。BP神经网络模型能够反映激波管爆炸的峰值压力与影响因素之间的映射关系,采用BP神经网络模型计算时比数值模拟节约了大量运算时间。

爆炸激波管出口流场特征的纹影诊断与分析

冲击波是爆炸毁伤的主要载荷形式之一,炸药驱动激波管是较真实复现高超压冲击波场景的可能方式,当前亟需关注冲击波与产物分离状态、波阵面形态等实验参数测试问题,仅依靠传统电测原理的单一点源压力测量无法满足上述流场表征需要。基于反射式纹影原理并利用激光光源和系列光学元件,搭建了一套激波管出口流场诊断系统,将流动现象的可视化观测结果与传统压力测量相结合,完善流场特征诊断与分析方法。研究表明,该纹影系统能够清晰获得激波管出口的冲击波和产物运动流场图像,通过与压力测试与激波管点火时序的同步控制,可有效揭示压电式冲击波压力传感器数据振荡、压力突变、漂移等特征,以及爆炸后管道中应力波引起的管口及空气振动等现象。基于图像分析可分析获得炸药爆炸激波管出口冲击波运动速度和压力的空间衰减特性,该结果为更好理解炸药驱动激波管冲击波压力的形成和演化规律研究提供了诊断途径和分析基础。

基于空气激波管的GFRP层合板抗爆性能研究

基于激波管原理自制了80 mm口径的空气冲击波加载装置,并进行了冲击波峰值、速度等参数与破膜压力之间关系的标定。在此基础上,开展了GFRP层合板抗爆性能研究,并用3D全场应变测量系统获取了层合板的动态响应过程。结果表明:使用空气激波管产生的冲击波可以合理模拟爆炸波的加载过程;在冲击波峰值压力为0.93~3.93 MPa之间时,GFRP层合板在冲击波加载过程中的挠度随冲击波压力的增大有S形增大的趋势,卸载之后残余变形很小;预制2 mm小孔的层合板在峰值压力为3.5 MPa的冲击波作用下,发生了撕裂破坏,说明初始损伤严重影响了GFRP层合板的抗爆炸冲击能力。

激波管内压力脉冲演化特性及模拟空爆冲击波的方法研究

为利用激波管实现空中爆炸冲击波的模拟,开展了管内压力脉冲演化特性的研究。结合激波管内压力脉冲特性的实验和数值模拟,分析高压气体驱动激波管内形成类似于空中爆炸冲击波激波的过程,总结得到激波管参数对激波特征的影响规律。研究结果表明:激波管内产生的激波是平面波;适当调整激波管高压段与低压段的长度比,可以使低压段内反射稀疏波追赶上右行激波波阵面,在追上位置处形成类似空中爆炸冲击波的激波,高压段压力和长度的减小,稀疏波更容易追赶上激波波阵面;结合量纲分析,建立了形成模拟空中爆炸冲击波所需最小低压段长度,以及所形成的激波峰值超压、正压持续时间等特征参量与激波管内压力、长度等参数之间的关系,为模拟空中爆炸冲击波激波管的设计提供基础理论和数据支撑。

用于激波增强的变截面激波管设计

相对于常规等截面激波管,相同长度管道条件下,变截面的设计可显著增强入射激波的强度.考察了变截面收缩曲面对激波管内部气体流动特性的影响,进而设计该类新型激波管.基于理想不可压缩一维流动、可压缩流动、经验公式和经验公式加R等4种理论方法,建立了不同的变截面收缩曲面替换段的二维几何模型.以上理论模型结合有限元分析,开展数值模拟研究,获取了亚音速和超音速工况下压力分布等值线云图,进而分析了不同长度收缩曲面的影响.结果表明:相对于其他3类理论方法,基于经验公式加R设计的收缩曲面更适用于变截面激波管的设计.

基于可视化激波管的甲烷着火过程均质性解析

利用高速摄像机拍摄了激波管内甲烷的自着火过程,并结合压力和CH信号曲线试验值、模拟值的比较,分析了甲烷着火过程的均质程度,其中,初始压力和当量比分别为1.07 MPa和0.5.结果表明:甲烷在初始温度为1 547 K下发生均质着火,着火位置接近端壁.而温度为1 286 K下甲烷发生非均质着火,管内出现明显的预着火点,且面积逐渐增大进而传播引燃未燃区,着火位置距端壁较远;同时,压力和CH信号迅速上升对应时刻的试验值和机理预测值之间差异较大,仅依靠试验采集的压力和CH信号不易准确判断激波管内甲烷是否存在预着火.此外,甲烷着火过程的均质性与反射激波后测试区温度均匀性呈强相关.

高压气体驱动激波管的数值模拟与参数影响分析

爆炸荷载作用下建筑构件的动态响应与损伤破坏的试验研究对于结构抗爆设计具有重要的参考价值。为了探究激波管参数对末端荷载峰值和持时的影响,首先,基于商用有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA开展了典型激波管试验的数值模拟,通过对比膨胀段末端反射超压和测试构件的挠度时程,验证了激波管有限元模型、参数取值和数值分析方法的准确性;然后,设计了末端尺寸为3 m×3 m的激波管,开展了激波管几何参数和驱动段超压对末端反射超压的参数影响分析,结果表明:超压峰值和持时随驱动段长度、直径和超压的增大而增加,随膨胀段角度减小而增加;最后,给出了基于反射超压峰值和持时的激波管设计方法,并通过设计算例进行了验证。

单向砌体填充墙激波管试验和动力行为分析

为研究远场爆炸荷载作用下单向砌体填充墙的动力行为及其失效破坏机理,首先,基于研发的压缩空气驱动大截面(3 m×3 m)激波管开展了两面不同厚度单向实心砌体填充墙的面外加载试验,获得了作用在墙体表面的反射超压荷载时程、墙体面外挠度时程及墙体的变形失效模式。其次,建立了激波管精细化有限元模型,提出了砌体墙简化微观有限元建模方法,以及扩展砖块的Riedel-Hiermaier-Thoma材料模型和接缝的内聚力接触模型参数取值计算方法,对激波管中的压力传播以及试验墙体面外动态响应和损伤破坏开展了数值模拟。最后,基于爆炸荷载作用下单向砌体填充墙面外抗力方程和等效单自由度模型对试验墙体中心点面外挠度时程进行预测。结果表明:减小墙体高厚比可以增大框架拱推力,从而显著提升墙体的抗爆性能,厚105 mm的墙体在经历1次激波管试验后发生倒塌,而厚235 mm的墙体在经历6次激波管试验后仅有轻微损伤;墙体表面反射超压荷载时程的试验和数值模拟结果均为均布脉冲型荷载,且两者吻合很好,验证了激波管设计和激波管精细化有限元模型的合理性;数值模拟和理论预测的墙体动力行为与试验结果吻合较好,可为砌体填充墙抗爆评估与分析提供参考。

基于逆传感网络模型辨识的激波管动态压力重构

提出一种基于逆传感网络模型辨识的激波管动态压力重构方法。首先,基于经验模态分解,将压力传感器动态响应信号分解为一系列不同频带的分量;然后,采用相关系数和振铃幅值占比指标,实现振铃分量和趋势分量的识别,构建逆传感网络模型训练集和测试集;最后,基于双向长短期记忆神经网络训练及测试,建立压力传感器逆传感网络模型,实现激波管动态压力重构。分别通过仿真试验和激波管测量试验验证该方法对于动态压力重构的性能。仿真试验结果显示,重构的动态压力信号的RMSE(root mean square error)和MAPE(mean absolute percentage error)远小于传统趋势估计法,其值比长短时记忆(long short-term memory, LSTM)方法得到的结果分别减小了2倍和5倍,并且在不同阶数的压力传感器仿真试验中验证了该方法的鲁棒性,通过对比不同压力传感器系统下该方法的动态压力重构精度,验证了该方法的适用性;激波管测量试验结果显示,模型训练和测试输出的RMSE和MAPE分别为0.001 6 V、0.003 6%和0.002 5 V、0.062%,重构得到的激波管动态压力在平稳区间内的平均相对误差约为2.14%。

单脉冲激波管在化学动力学研究上的应用

本文介绍单脉冲激波管的运行原理与实验装置,介绍了近年来单脉冲激波管在化学动力学研究方法上的新进展,包括使用对比速率法和自由基清扫技术,以及在反应气体中释入自由基的方法等.

激波管波形控制技术研究

激波管可以产生纳秒级的阶跃压力信号,常被用以校准动态压力测试系统的响应特性。激波管产生激波的方法有自然破膜法和主动破膜法。主动破膜技术可以通过控制膜压比实现对激波速度及阶跃压力等参数的控制,从而提高激波管试验的可靠性。对不同机构的主动破膜装置进行校准试验,分析了不同装置性能和阻塞比对激波波形的影响,旨在针对不同阶跃压力试验设计适当的主动破膜装置提供理论依据。

小型生物激波管的研制及其初步应用

利用激波管进行冲击伤研究,有结果重复性好、易于控制实验条件等优点。本实验研制了小型生物激波管,并对冲击波超压和正压时间与伤情的关系进行了探讨。

水激波管空穴现象数值模拟

水激波管是一种用于标定爆炸压力传感器的装置,本文构造出管内流动的数学模型,并进行数值计算,从而揭开了其中的非线性波动过程及其引起的水中解态空穴现象.

活塞式无膜激波管特性的实验研究

本文在自行研制的无膜激波管中，实验研究了不同快速卸压装置对该激波管运行特性的影响。通过控制高压段充气压力和测量压力波形，得到了高低压段压比和激波马赫数的关系曲线以及在测压点处形成激波所需的最低压比。实验结果表明排气快慢对激波形成距离和所形成激波的强度产生很大的影响。对不同装置产生的结果差异进行了一定的分析。

新型含尘气体激波管

详细介绍了新型两相激波管设计原理、气体与气固两相混合物分界平面的产生方法及粉尘浓度在线测量。作为应用，给出了强激波（Ｍａ＝５．１５）与气固混合物分界平面相互作用的实验现象，讨论了用于测量颗粒群阻力系数的可行性。