爆炸场中多相颗粒射流问题的研究

The multi-phase granular materials subject to explosion loadings will form particle jetting which is spacially non-uniform. The formation, growth and structure of particle jets strongly influence the ensuing dispersal of particles, particle mixing with air, and the energy release in the case of energetic granular matter. The explosion dispersal of particles and drops is of great significance to many important applications in the domain of territory security and industrial safety, including the explosion of hetergeneous explosives, the destructive effect of shallow buried bombs, the explosion mitigation of granular materials, and the powder explosions, etc. This project aims to reveal the mechanism of the formation of particle jetting, whereby a macroscopic model is proposed which is capable of predicting the formation of particle jetting and the corresponding jet structure. The particle jetting is the result of combined effects involving the interactions between shock wave and discrete particles, particles and interstitial fluid, as well as particles themselves.Thus the key is to understand the evolvement of the micro-structure and material properties of the shocked granular materials. By virtue of shock wave experiments and mesoscale modeling,the state of equation and strength equation of the hybrid particles subject to shock waves can be proposed, which take into account the changes of microstructural parameters. Thereby incorporating the material model into the hydrodynamic simulation and the particle instability model will enable the quantitative description of the dependence of the jetting formation and jet structures on the statistic nature of the hybrid particles as well as the explosion loadings.

在爆炸载荷的驱动下，多相颗粒物质会形成非均匀分布的颗粒射流。颗粒射流的形成、成长及其特征结构将直接影响此后的颗粒分散，与空气的混合，以及能量的释放（对于含能颗粒物质的情形）。而颗粒/液滴的爆炸分散涉及到国防与国民安全生产中的很多重大问题，如非均质炸药的成功起爆，浅埋炸弹的毁伤效应，颗粒材料的爆炸防护，粉尘起爆等。 本项目旨在揭示颗粒射流的形成机制，并在此基础上建立预测颗粒射流形成及其结构的宏观模型。由于爆炸驱动颗粒射流的形成是冲击波与离散颗粒，颗粒与间隙液体，以及颗粒之间相互作用的结果，因此，项目的关键在于理解多相颗粒材料在冲击波作用下微结构和材料属性的演化。采用冲击实验与介观模拟相结合的方法，建立高压高应变率下，能够体现微结构演化的颗粒物质的状态方程和本构模型。借助流体动力学模拟和颗粒射流的理论模型，可以定量描述颗粒物质的统计特征，及爆炸场参数对射流形成和结构的影响。

颗粒散体在中心爆炸/冲击载荷作用下，并非直接分散成离散颗粒构成的粒子云，而是会首先分散成大量宏观尺度的颗粒团簇，后者在冲击流场的拖曳力作用下，迅速拉伸形成柱状颗粒射流。爆炸/冲击驱动形成颗粒射流的问题，与大量的地质现象，工业生产安全和国防工业密切相关。本项目在连续介质框架和颗粒尺度两个不同的尺度范畴内对颗粒射流的形成机制、演化过程、特征结构和影响因素进行了实验、数值模拟和理论研究。提出了双重颗粒射流模型，其中包括描述主射流发端的膨胀壳失稳模型，以及解释次级射流形成的“空穴”成长模型。冲击载荷作用下颗粒的瞬态局部流动强烈，无法采用均一化的稳态颗粒流来描述，本项目采用颗粒尺度的离散元方法对中心冲击载荷作用下的颗粒射流形成过程进行了数值研究，发现了射流的发端机制与颗粒体系中独特的载荷传递方式——力链网络密切相关，并建立了一个基于物理机制的两阶段射流数目演化宏观模型，可以定量预测不同冲击载荷强度和颗粒层条件下的颗粒射流数目。理论模型所预测的结果与实验观测相一致。同时，本项目还建立了冲击波与颗粒层相互作用的实验研究平台，设计装配了孔压和压实应力的测试系统，可用于研究冲击载荷在颗粒层中的传播规律，为修正颗粒体系动态状态方程提供依据，并通过实验评价颗粒层对结构的防护效果。.本项目得到的射流演化规律，建立的研究方法和理论模型为设计满足工程需求的颗粒射流提供了重要的理论依据。