• ISSN 1001-1455  CN 51-1148/O3
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基于大型激波管氢氧爆轰驱动方式产生冲击波波形调控的数值模拟

郭丁 孙渊博 葛云心 王成 邵建锟

郭丁, 孙渊博, 葛云心, 王成, 邵建锟. 基于大型激波管氢氧爆轰驱动方式产生冲击波波形调控的数值模拟[J]. 爆炸与冲击. doi: 10.11883/bzycj-2024-0300
引用本文: 郭丁, 孙渊博, 葛云心, 王成, 邵建锟. 基于大型激波管氢氧爆轰驱动方式产生冲击波波形调控的数值模拟[J]. 爆炸与冲击. doi: 10.11883/bzycj-2024-0300
GUO Ding, SUN Yuanbo, GE Yunxin, WANG Cheng, SHAO Jiankun. Numerical study of shock wave generated by hydrogen-oxygen detonation in a large shock tube[J]. Explosion And Shock Waves. doi: 10.11883/bzycj-2024-0300
Citation: GUO Ding, SUN Yuanbo, GE Yunxin, WANG Cheng, SHAO Jiankun. Numerical study of shock wave generated by hydrogen-oxygen detonation in a large shock tube[J]. Explosion And Shock Waves. doi: 10.11883/bzycj-2024-0300

基于大型激波管氢氧爆轰驱动方式产生冲击波波形调控的数值模拟

doi: 10.11883/bzycj-2024-0300
基金项目: 国家自然科学基金(12472362, 12221002)
详细信息
    作者简介:

    郭 丁(1999- ),男,硕士研究生,guoding@bit.edu.cn

    通讯作者:

    邵建锟(1989- ),男,博士,教授,jkshao@bit.edu.cn

  • 中图分类号: O381

Numerical study of shock wave generated by hydrogen-oxygen detonation in a large shock tube

  • 摘要: 大型激波管作为爆炸冲击毁伤与防护实验平台时,能规避小尺度缩尺实验中由于尺寸效应造成的实验结果不准确,但由于设备稀缺性目前仍然缺乏利用大型激波管直接模拟炸药爆炸冲击波形的研究。因此,进行大型激波管内氢氧爆轰驱动方式下冲击波生成与传播过程的数值模拟。根据现存大型激波设备结构特点,建立具有驱动管、激波整形段和变截面出口特征的大型激波管二维模型。冲击波的生成与传播过程使用含有七步氢氧反应模型的二维非定常粘性可压缩流体控制方程表达,湍流模型选取RNG k-ε模型,并选用二维瞬态耦合式求解器进行数值模拟计算。根据数值模拟计算结果,研究在大型激波管采用氢氧爆轰驱动方式时,驱动初始物理条件、低反应活性气体掺混、激波管几何构型等因素对于爆轰形成冲击波波形的影响,并总结多种因素下产生冲击波特征参数的变化规律。最后,选取黑火药爆炸冲击波实验数据作为目标,依据冲击波变化规律,模拟了大型激波管中冲击波波形调控过程。结果表明,在多因素耦合作用调控下,能够实现在大型激波管中利用氢氧爆轰驱动方式对特定爆炸冲击波的模拟复现。
  • 图  1  爆炸冲击波传播压力-时间变化曲线

    Figure  1.  Pressure-time history of an explosion shock wave

    图  2  构建的二维大型激波管模型及其网格划分

    Figure  2.  Construction of a two-dimensional large-scale shock tube model and its mesh partitioning

    图  3  激波整形过程

    Figure  3.  Shock wave shaping process

    图  4  数值验证结果

    Figure  4.  Numerical validation results

    图  5  网格收敛性分析结果

    Figure  5.  Grid convergence analysis results

    图  6  不同初始压力下观测点处的冲击波压力-时间曲线

    Figure  6.  Pressure-time histories of shock waves at observation point under different initial pressures

    图  7  峰值压力-初始压力拟合曲线

    Figure  7.  Fitting curve between peak pressure and initial pressure

    图  8  不同初始温度条件下观测点处冲击波压力-时间曲线

    Figure  8.  Pressure-time histories of shock waves at observation point at different initial temperatures

    图  9  峰值压力-初始温度拟合函数

    Figure  9.  Fitting function between peak pressure and initial temperature

    图  10  不同的低反应活性气体掺混条件下观测点处冲击波压力-时间曲线

    Figure  10.  Pressure-time histories of shock waves at observation point under different inert gas mixing conditions

    图  11  不同氮气掺混量条件下观测点冲击波压力-时间曲线

    Figure  11.  Pressure-time histories of shock waves at observation point with different nitrogen amount

    图  12  不同驱动管管长条件观测点冲击波压力-时间曲线

    Figure  12.  Pressure-time histories of shock waves with different driving tube lengths

    图  13  峰值压力-驱动管长度拟合函数

    Figure  13.  Fitting curve between peak pressure and driver section length

    图  14  变截面出口不同开口角度下观测点冲击波压力-时间曲线

    Figure  14.  Pressure-time histories of shock waves with different opening angles

    图  15  冲击波在不同开口角度出口处的压力传播云图

    Figure  15.  Shock waves propagating with different opening angles

    图  16  工况7下冲击波模拟结果与实验结果[27]的比较

    Figure  16.  The result of shock wave simulation compared with the experimental one[27] under condition 7

    图  17  工况8下冲击波模拟结果与实验结果[27]的比较

    Figure  17.  The result of shock wave simulation compared with the experimental one[27]

    表  1  不同工况初始条件设置

    Table  1.   Initial settings of different working conditions

    工况驱动气体组分低反应活性气体掺混ϕ/%T0/Kp0/MPaL/mφtan θ
    1H2/O203001.0~2.03010.3
    2H2/O20300~3502.03010.3
    3H2/O2N2/He/Ar503001.03010.3
    4H2/O2N225~503001.03010.3
    5H2/O203003.09~3010.3
    6H2/O203001.03010.1~0.4
    7H2/O203002.6853010.3
    8H2/O2N2253002.693010.3
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    表  2  七步氢氧化学反应简化机理模型参数

    Table  2.   Parameters for seven-step hydrogen-oxygen chemical reaction mechanism model

    反应步 基元反应 A n Ea/(kJ∙mol−1)
    1 H2+O2 = OH+OH 1.70×1013 0.00 101.07
    2 H+O2 = O+OH 1.20×1017 -0.91 34.77
    3 H2+OH = H2O+H 2.20×1013 0.00 10.84
    4 H2+O = OH+H 5.06×104 2.67 13.24
    5 OH+OH = H2O+O 6.30×1012 0.00 2.30
    6 OH+H+M = H2O+M 2.12×1022 -2.00 0.0
    7 H+H+M = H2+M 7.30×1017 -1.00 0.0
     注:(1)第6步第三体碰撞系数:H2(2.5)、H2O(12)、N2(1.0)、Ar(0.4)、He(0.4)(2)第7步第三体碰撞系数:H2(2.5)、H2O(12)、N2(1.0)、Ar(0.5)、He(0.5)
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出版历程
  • 收稿日期:  2024-08-20
  • 修回日期:  2025-03-03
  • 网络出版日期:  2025-03-04

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