RDX基含铝炸药JWL-Miller状态方程标定及对舰船结构的毁伤特性

为了精确计算某RDX基含铝炸药近场水下爆炸对舰船结构的毁伤特性,提出了一种基于水下爆炸试验和OPTIMUS的炸药JWL-Miller状态方程参数标定优化方法,建立了该型炸药水下爆炸载荷计算模型及对舰船结构毁伤的有限元模型。通过任意拉格朗日-欧拉方法(ALE)和引入JWL-Miller模型数值模拟研究不同爆距、不同攻角工况对舰船结构的毁伤特性,分析冲击波载荷和气泡载荷传播过程,计算得到爆距、攻角对局部结构毁伤影响规律,给出了断裂部位破口尺寸和外板最大凹陷距离。结果表明,运用优化得到的炸药状态方程仿真计算的冲击波压力峰值、冲击波能量结果与试验结果吻合较好;船体结构随着气泡的膨胀和收缩会呈现先中拱弯曲、后中垂弯曲的运动变形过程,随着近距爆距的改变,结构的破坏模式逐渐从冲塞形破口、四周花瓣开裂向长条形撕裂状破口再向外板向内凹陷改变;随着近距攻角的增加,舰船舷侧外板边界处剪应力在冲击波和气泡脉动载荷作用下达到应力衡准,破口面积进一步增加,气泡的溃灭速度随药包与结构之间攻角的增大而加快。

CO_(2)状态方程适应性对比研究

气体状态方程被广泛应用于计算CO_(2)的各项物性参数,但CO_(2)物性参数对温度和压力较敏感,不同状态方程计算的结果有偏差。针对目前常用的状态方程开展适应性研究,基于不同温度和压力条件下CO_(2)物性参数实验值对比分析了不同状态方程的计算结果。结果表明:1)GERG对CO_(2)密度及压缩因子具有较高的计算精度。计算CO_(2)密度时蒸汽区平均相对偏差小于0.5%,气相区小于1%;2)SW方程计算CO_(2)定压比热的平均相对偏差为0.29%,计算焦汤系数的平均相对偏差为0.87%;3)Fenghour法计算的黏度最大相对偏差不超过0.5%,平均相对偏差为0.34%,计算结果误差较小;4)V-W法对CO_(2)导热系数的计算结果与实验值较吻合,其平均相对偏差仅为1.24%。研究结果为油气田开发过程中涉及的CO_(2)物性参数计算提供了一定的参考依据。

运用克拉珀龙方程解决理想气体状态转换和变质量问题

理想气体状态方程p1V1/T1=p2V2/T2只适用于定质量的理想气体,在解决变质量问题时,经常需要通过巧妙选取研究对象将“变质量”问题转化为“定质量”问题,而克拉珀龙方程pV=m MRT则可直接用于变质量的理想气体.根据这一方程式,可以得到如下三个推论。

不同状态方程对于氢热物性预测的对比研究

从状态方程的角度出发,针对不同状态方程在低温高压范围内对于氢热力学性质的预测展开研究,利用目前使用较多的立方型以及多参数状态方程对于氢的PVT数据、等容热容、等压热容、焓、熵等热力学性质进行计算。将计算结果与NIST数据库给出的标准值进行比较,并对方程参数进行修正,进一步探讨了各个压力段不同状态方程的优劣以及误差产生的原因,为之后状态方程的使用、改进以及液氢相关设备的设计提出了建议。

四次型状态方程计算若干物质的固-液-气三相物性

为考察四次型状态方程(CCOR-PT EOS)的性能,对苯酚、乙烷、正壬烷、丙酮、乙酸乙酯、二氧化碳、甲苯、正庚烷、乙炔、正己烷、辛烷11个物质的固-液-气三相压力、体积、温度(PVT)物性,使用CCOR-PT EOS进行计算,并与文献数据相比较。同时考察了物质的固有参数对计算结果的影响。结果表明,该方程能够较好地描述包括固体升华压力、固体密度等在内的三相PVT物性,计算结果对临界压缩因子ZC的敏感程度大于偏心因子ω。

乙酸乙烯与乙烯混合物亥姆霍兹自由能状态方程及应用

为向高压聚乙酸乙烯生产过程提供全面可靠的热力学性质数据及预测模型,在搜集文献中热力学性质实验数据及添加合理趋势限制条件的基础上,采用Powell直接拟合算法开发了乙酸乙烯及乙酸乙烯与乙烯混合物的多参数亥姆霍兹自由能经验状态方程。结果表明:乙酸乙烯状态方程适用范围为三相点温度到650 K,压力可外推至100 MPa;乙酸乙烯与乙烯混合物状态方程适用温度为104~520 K,压力为0.1~200 MPa。经与实验数据比较分析,乙酸乙烯状态方程计算密度的总体偏差为0.3%;混合物状态方程计算压力50~195 MPa内密度的偏差在±4%内,在高压区域内计算精确度表现良好;乙酸乙烯与乙烯混合物的压缩因子与实验数据吻合较好,偏差总体分布在±3%。分析表明所开发状态方程可满足工程设计需求。

基于立方型气体状态方程的激波风洞准一维流动数值研究

采用基于立方型气体状态方程的准一维流动数值模拟方法研究了反射式高焓激波风洞的真实气体流动,重点关注了高压真实气体效应对风洞全场流动时空结构和驻室区气流参数的影响,并以理论分析揭示了高压真实气体效应对激波管内流动的作用机理。研究表明:对于以冷高压气体驱动的激波风洞,使用考虑分子体积和分子间作用力的真实气体状态方程能够更准确地描述气体的状态和风洞内的流动状况。高压真实气体效应主要在冷驱动气体中发生作用,其作用效果主要是使当地声速增大,从而使得入射稀疏波和反射稀疏波的传播速度加快;另一方面,高压气体效应在高温气体效应较显著的被驱动气体中作用微弱,且对激波管产生激波的强度和激波后的流动状态影响甚微。稀疏波的加快传播改变了激波管波系的相干时空关系。提前抵达的稀疏波可在一定情况下侵蚀激波风洞的有效试验时间。对于所测试的激波风洞构型,在150 MPa氢气驱动110 kPa氮气的工况下,高压效应导致的有效试验时间缩短约38%。适当加长驱动段长度和采用高温气体驱动均可有效减弱高压真实气体效应的影响。

一种新爆轰产物状态方程及其在炸药爆轰性能预测上的应用

为准确描述爆轰产物在高温高压下的热力学关系,拓展应用范围,实现CHNO单质/混合炸药与含能金属盐爆轰性能的可靠预测,基于Exp⁃6势的维里系数理论值建立了新气态爆轰产物状态方程Virial⁃Peng⁃Long(VPL),并基于更准确的“冷压”项与考虑金属高压热运动变化的“晶格振动”项建立了新凝聚态金属产物三项式状态方程Wu⁃Chen⁃Peng(WCP)。应用VPL计算了几种典型CHNO单质/混合炸药的爆轰参数,应用VPL与WCP评价了几种典型含能金属盐的爆轰CJ参数与驱动做功能力。结果表明,相比VLW和BKW,基于VPL能够更准确评价CHNO单质/混合炸药的爆轰性能,对太安(PETN)爆速预测偏差在±2.1%以内,最高不超过2.5%;对RHT⁃901驱动圆筒稳定速度预测误差绝对值<1%。而VPL与WCP能够准确预测含能金属盐爆轰性能,其中对叠氮化铅爆轰CJ参数计算相对误差不超过±4%;对铜叠氮化物驱动飞片速度预测相对误差绝对值小于1%。

山区输电线路跳线风偏状态方程及临界风速研究

为研究山区微地形中的竖向风速对跳线风偏的影响,基于刚性直棒法对导线、跳线及绝缘子串增加竖向风荷载分析,确定跳线处最大风偏位移值作为风偏指标,建立风荷载作用前后跳线静力平衡平面的几何变换关系,提出了考虑竖向风速影响的跳线风偏状态方程。建立半径5 km的地形模型,包含跳线风偏事故地点与微气象站点,采用数值模拟方法将微气象站点风速推演到事故地点风速,获得了考虑微地形影响的跳线风偏闪络事故风速。将事故线路参数及竖向风速代入跳线风偏状态方程,得到跳线风偏临界水平风速,通过与事故风速进行比较验证了跳线风偏状态方程的可靠性。最后根据风偏状态方程分析竖向风速的变化对跳线风偏临界水平风速的影响。结果表明:随着竖向风速的增大,跳线风偏临界水平风速线性减小,当风攻角为20°时临界水平风速可降低16%。考虑竖向风速影响的跳线风偏临界水平风速取值较为安全,建议在山区输电线路跳线设计过程中加以考虑。

一种基于Virial理论的爆轰产物状态方程

爆轰参数理论计算热化学代码的核心在于选择合适的状态方程用于描述物质的热力学状态。为扩大状态方程适用范围、减少状态方程的经验参数,基于维里(Virial)理论建立了能够准确计算到第i个Virial系数的VLI状态方程。采用VLI状态方程研究了第2~9维里系数随温度的变化规律,对比了不同阶数维里系数的相对大小及其对氮气热力学状态曲线的影响程度;计算了氮气的高压Hugoniot曲线和低压等温线,并与VLW和JCZ两种状态方程的计算值以及相应的试验数据进行对比,进一步计算了典型炸药的爆轰性能,验证了VLI状态方程的可行性和适用性。

状态方程参数化耦合制冷工质热导率性质预测模型

针对准确的制冷工质热导率性质有益于制冷热泵系统的设计和优化,引入标准化参数化方案,得到扰动链统计缔合流体理论状态方程(PC-SAFT)的输入参数,结合剩余熵标度理论(RES),预测了包括氢氟烯烃(HFOs)、氢氟烃(HFCs)、烷烃(HCs)和CO_(2)(R744)在内的11种常见制冷工质的热导率性质,使用自助法,获得了标准化参数化方案与常规参数化方案输入参数的不确定度,并展开不确定度分析。通过与文献实验结果及已报道热导率性质模型比对,所提热导率性质模型与实验数据的总体平均相对偏差为3.32%。结果表明:所提热导率性质预测模型的整体表现优于常规参数化热导率模型和CE参考项热导率模型,且标准化参数化方案有潜力为混合工质体系的研发和推广提供可靠的基础物性数据;两种参数化方案输入参数在不确定度范围内波动时,对气相迁移性质的预测影响程度相似,但标准化参数化方案在液相迁移性质的预测上表现更优;此外,基于标准化参数化方案预测迁移性质需特别关注偏心因子的精度。

基于VLW状态方程的氢氟爆轰参数理论分析及数值模拟研究

氟气是具有强氧化性的气体,与氢气会发生剧烈的化学反应,为了得到氢氟爆轰的爆轰参数,基于VLW状态方程与爆轰理论对氟气与氢气在标准状况预混条件下爆轰性能进行了理论计算,当氢气与氟气的摩尔比为1∶1时,计算得到爆压为15.31 MPa,爆温为6 479 K。利用materials studio与CP/2K分子动力学模拟计算了氢与氟的反应,对现有氢氟反应机理进行了完善。最后通过FLUENT流体动力学仿真软件对摩尔比为1∶1时的氢氟爆轰进行了仿真计算,因爆轰波在管道内多次叠加,所以计算出超压可达46 MPa,高于理论爆压值的15.31 MPa;管道内计算出的温度可达6 800 K,与理论爆温值相差4.6%,对研究氢氟爆轰条件与能量释放规律具有一定借鉴意义。

聚合物pVT关系状态方程

聚合物的比体积(V)随压力(p)和温度(T)的变化过程主要通过聚合物的压力-比体积-温度(pVT)关系状态方程(EOS)进行描述。聚合物pVT关系状态方程可用作计算一定温度和压力条件下,聚合物的比体积,是研究聚合物相态演变及物质掺混分离规律的重要依据,也是高分子物理和聚合物加工模拟计算必不可少的模型之一。采用理论/半理论和经验方法建立了不同类型及特点的聚合物pVT关系状态方程,根据应用的不同需求而存在显著差别。随着高分子领域数字化智能化的发展,研究并建立了具有适用性和高预测精度的聚合物pVT关系状态方程,对新聚合物材料的开发和新型聚合物加工方法的建立具有重要意义。

范德瓦尔斯气体的状态方程与多方过程

范德瓦尔斯气体模型是对理想气体模型的一种修正,很多普通物理教材和文献对范德瓦尔斯气体的状态方程进行了讨论,但对过程方程很少讨论,尤其是结合物理图像的讨论。本文结合数学表达式和相关物理图像首先讨论了范德瓦尔斯气体的状态方程,并代入实际气体进行分析,再探究特殊的热力学过程,进而讨论一般的热力学过程,并与理想气体进行比较。讨论在热力学过程中功、内能、热量、热容量以及多方指数的变化,并结合相关实际应用,可以加深对范德瓦尔斯气体相关物理图像的理解。

基于混合算法计算炸药JWL状态方程参数的研究

JWL状态方程参数是炸药爆炸膨胀数值模拟仿真的基础,圆筒试验标定法复杂且成本很高,为了准确快速地获得炸药JWL状态方程参数,提出一种基于灰狼粒子群混合算法计算确定炸药JWL状态方程参数的方法。该方法仅把炸药的爆速和初始密度作为已知条件即可计算确定JWL状态方程参数。基于此方法对TNT、PETN 1.77、HMX、PBX-9010、PBX-9501和OCTOL炸药的JWL状态方程参数进行计算,将计算所得参数进行圆筒试验数值仿真模拟,同时与标准参数仿真模拟结果进行对比,仿真结果曲线R 2分别为0.995681、0.999012、0.99999、0.999533、0.999069和0.998904,均大于0.99,说明计算方法可行,可为炸药JWL状态方程参数的获取研究工作提供一定参考。

红砂岩平板撞击实验与高压状态方程研究

高压状态方程是研究材料在爆炸冲击作用下破坏机制及冲击波传播规律的基础,岩石高压状态方程在矿山开采、陨石冲击成坑、岩体冲击防护等数值计算方面有着广泛的应用需求。基于二级轻气炮发射平台和光子多普勒测速系统,采用平板撞击研究了红砂岩的Hugoniot冲击关系、高压状态方程和体应变方程。平板撞击实验最低速度为0.88 km/s,最高至1.97 km/s,碰撞产生的最低冲击压力为7.2 GPa,最高冲击压力为19.4 GPa。采用光探针测量岩样的冲击波速度,光子多普勒测速系统记录的自由面质点速度剖面未出现红砂岩的Hugoniot弹塑性转变点,表明在此冲击压力范围内红砂岩为近流体状态。采用最小二乘法对冲击波速度D和质点速度u进行线性拟合,获得红砂岩的冲击Hugoniot参数分别为C_(0)=3.04和λ=1.14。采用三次多项式对红砂岩体应变η与冲击压力P进行非线性拟合,获得红砂岩体应变η与冲击压力P之间的关系式为P=116η-745η^(2)+1845η^(3),非线性拟合系数R=0.993。冲击加载下红砂岩Hugoniot状态方程和体应变方程可为红砂岩岩体爆破、岩体冲击防护等领域的数值计算和工程应用提供基础参考数据。

珊瑚礁灰岩平板撞击试验与状态方程研究

为研究强动载下浅层珊瑚礁灰岩的冲击压缩特性和状态方程,采用一级气体炮试验装置对浅层珊瑚礁灰岩开展了200~500 m/s冲击速度下的平板撞击试验。基于试样自由面粒子速度时程曲线,分析了浅层珊瑚礁灰岩孔隙演化与冲击波传播的相互作用,确定了一维应变条件下浅层珊瑚礁灰岩的动态强度和冲击绝热关系。试验结果表明:冲击波压缩过程中,浅层珊瑚礁灰岩因孔隙塌缩和基质滑移产生塑性变形,导致冲击波在试样中展宽为“弹性先驱波-变形波”的双波结构,变形波的传播速度和能量随冲击压力的增大而增大;2.9×10^(4)~7.5×10^(4)s^(−1)应变率下,浅层珊瑚礁灰岩的Hugoniot弹性极限值和动态屈服强度分别为0.109±0.03 GPa和0.074±0.02 GPa;建立了0.4~1.2 GPa压力范围浅层珊瑚礁灰岩的Hugoniot线性关系,将其压力-比容(P-V)关系分成弹性段和压实段,浅层珊瑚礁灰岩相比于陆源多孔石灰岩在强动载下的压缩性更大;最终建立了可描述浅层珊瑚礁灰岩低压区孔隙压实过程的压力-孔隙度(P-α)状态方程。

基于状态相关黎卡提方程的集群航天器协同围捕非合作目标最优控制策略

随着航天技术的大力发展,空间安全日益成为航天领域的焦点问题。空间围捕在轨目标也将由单航天器的追捕向集群航天器协同围捕的趋势发展。本文针对多个航天器协同围捕空间非合作目标的典型场景,提出一种基于状态相关黎卡提方程的集群航天器协同围捕非合作目标的策略与方法。首先,基于航天器非线性相对运动模型,建立空间集群航天器协同围捕非合作目标运动学模型,并据此设计双方的二次型目标函数(相对距离与燃料消耗),将围捕问题转化成微分对策的纳什均衡问题。其次,通过求解状态黎卡提方程,获取集群航天器对单一非合作目标航天器的最优策略。在此基础上利用零空间投影方法,设计一种与距离相关的基于优先级的任务规划方案,以获得非合作目标航天器面对集群航天器时的逃逸策略,避免其对于集群多个航天器的逃逸策略冲突。最终通过数值仿真结果验证了所提协同围捕策略与方法的有效性。

不同掺氨比天然气状态方程适应性分析

天然气混合氨气作燃料一方面可以改善氨气作燃料的燃烧反应性差、火焰极限窄、着火温度高等缺点,另一方面可降低天然气利用过程的碳排放强度,降本减排,同时保障燃气供应安全。采用多种模拟手段探究不同掺氨比天然气输送效率是当前研究的重点,而研究过程中状态方程的合理选择是结果可靠与否的关键。通过研究对比了不同工况下不同掺混比的天然气与氨气在物性计算中状态方程的优选过程。结果表明:在1~12 MPa的压力区间和5~30℃的温度区间内,综合对比分析后发现对于低量掺混氨气的天然气,BWRS状态方程是最优选择,而对于较高掺混比(掺10%(物质的量分数)氨气)的天然气,SRK方程是最优选择。

基于wellflo软件和理想气体状态方程的海上油井伴生气量预测模型

对海上油井伴生气进行回收利用对于促进企业实现绿色高质量发展具有十分重要的意义。由于海上生产工艺复杂且成本高昂,油井伴生气量预测很关键。为有效提升预测精度,文章提出了一种基于wellflo软件和理想气体状态方程的海上油井伴生气量预测模型,模型运用Wellflo软件进行采油井井筒温度压力场计算,模拟电潜泵采油井生产过程中井筒气体分布情况,同时结合理想气体状态方程计算方法,获取了伴生气沿井底到井口的体积变化过程,在建立伴生气气量计算模型的同时快速高效的实现了伴生气量预测。经过实际井应用验证了该预测模型的有效性,具有极好的推广应用价值。