钝感高能炸药存在曲率效应的多维爆轰波传播数值模拟研究

To solve the propagation problem of multi-dimensional detonation shock wave for insensitive high energy (IHE) of complicated construction considering the shock curvature effect, the current theory of detonation shock dynamics (DSD) will be improved and completed, and the generalized finite difference method (GFDM) will be first introduced into the numerical study of the level set equation, which is coupled with the high order theory of DSD describing the propagation of the detonation shock front. The numerical form of the angle boundary condition at the interface between the detonation shock front and the inert material adjacent to the explosive will be investigated in GFDM. The propagation behavior of detonation shock in complicated IHEs where high order curvature effect is important will be studied, and the validation of the high order DSD theory and the numerical method will be carried out by making use of the experimental data. Based on the above work, we will improve on traditional program burn method considering the slow process of energy release of the IHEs, and the new method is expected to capture the states of both inlet and outlet of the chemical reaction zone of the explosive. The high order DSD code that is able to predict the arrival time of the detonation shock front precisely will be coupled with the new program burn method and then a more accurate subscale model of detonation can be well constructed. Last, we will attempt to design and calibrate a reaction rate law for engineering detonation model by numerical studies using the high order DSD code. As an applicative fundamental research, this work has considerable significance for understanding the physical mechanism of non-ideal detonation process of IHEs, and it can provide theoretical argument for exact research and design of related weapons.

针对复杂构型钝感高能炸药存在曲率效应的多维爆轰波传播问题，改进和完善现有爆轰冲击波动力学(DSD)理论模型，首次采用广义有限差分方法(GFDM)对引入高阶DSD理论的Level Set方程进行数值方法的研究，包括爆轰波与约束介质之间的角边界条件在GFDM中实施的数值格式等；然后分析复杂构型钝感炸药高阶曲率效应明显的爆轰波传播规律,并依据实验结果对高阶DSD理论和数值方法的有效性进行验证。在此基础上，考虑钝感炸药的缓慢放能过程，对传统程序燃烧方法进行改进，使之同时捕捉反应区进口和出口状态量，把能够准确预测爆轰波到达时间的高阶DSD程序与波后流场计算进行耦合，建立更准确的爆轰波传播的亚尺度模型。最后采用基于高阶DSD理论的爆轰计算程序构造、标定相应炸药的工程反应率函数。本项目作为应用基础研究，对钝感高能炸药非理想爆轰的物理机制研究具有重要意义，可以为相关的武器精密化理论研究和设计提供理论依据。

钝感高能炸药存在曲率效应的多维爆轰波传播问题是当前爆轰物理领域研究的难点之一，开展复杂构型钝感高能炸药多维爆轰波的传播规律研究，对进一步认识非理想爆轰的物理机制、提高我国相关武器精密化设计水平具有重要意义。. 本项目研究取得了以下四个方面的进展：（1）对多种条件下高能炸药的爆速曲率关系进行了严格的理论推演，尤其是对包含时间变化的非定常弱弯曲爆轰波的爆速曲率关系（高阶DSD理论）进行了细致的推导。对计算钝感炸药爆轰波传播时间的二维一阶DSD程序进行了完善，对高阶DSD程序进行了编制和改进。在采用Level Set方法跟踪界面时，传统上采用距离函数对Level Set函数值进行初始化，这个过程需要迭代求解，有时会出现因为使用双曲守恒型计算方法导致的非物理数值振荡。我们在重新初始化过程中将求解距离函数的初值问题转化成一种边值问题进行求解，改善了数值解的计算精度。（2）在当前计算爆轰波传播的一阶DSD程序中采用的仍然是线性关系，我们对一阶非线性爆速曲率关系的多种函数形式和参数进行了调研总结、初步分析和程序编码，把一种比较广义的能够反映炸药初始密度、初始温度和炸药批次（微观结构）的非线性爆速曲率关系引入到了当前的DSD程序中，并开展了初步的应用研究。（3）Andreas Helte提出了一种基于DSD理论校验高能炸药化学反应率函数的方法。我们基于Andreas Helte等人的工作，建立了基于DSD关系计算弱弯曲自持定常爆轰化学反应区内流动的计算方法和程序。（4）采用激波的极曲线分析方法，根据每一对炸药和惰性材料冲击雨贡纽数据，对多种高能炸药和多种约束材料之间的边界约束条件进行了理论分析，得到了相应的流线偏离角和激波偏离角，为高能炸药DSD程序提供边界条件。. 本项目完成的研究内容与预期研究目标存在一些差距，我们将在后续工作中继续开展存在曲率效应的多维爆轰波的传播规律研究。