爆炸产生电磁效应机理和数值模拟

The mechanism of electromagnetic effect induced by explosion has a great significant for the study of multi-physical properties under explosive loadings and the investigation of electromagnetic effect has a great application prospect in the field of national defense. In this project, an investigation of electromagnetic effect generated by conventional explosion will be conducted by theoretical analysis, numerical simulation and auxiliary experiments. The physical mechanism, numerical method of electromagnetic generation will be investigated and the influences on the electromagnetic field from the explosive conditions will be discussed: (1) Based on the variation principle of energy, a theoretical mechanism of plasma generation during conventional detonation will be proposed by considering the real state of detonation products. Moreover, a governing equation will be built to describe the properties of the generated plasmas. (2) Considering the electricity effect induced by the motion of conductive flow, governing equations of electromagnetic field will be built from the Maxwell’s equations. By combining with the Navier-Stokes equations, the whole flow equations will be carried out. (3) A numerical method to simulate the whole flow equations will be proposed and a numerical simulation code will be developed for the electromagnetic effect generated by conventional detonation. (4) A series of numerical simulations will be performed to investigate the electromagnetic effect generated by detonation with different conditions. A disciplinary will be obtained to describe the influence on the generated electromagnetic effect from explosive charge, ignition and circumstance, respectively. The achievements obtained in this project will provide great theoretical and technical supports for the engineering application of the electromagnetic effect generated by detonation in the national defense industry.

爆炸产生电磁效应的机理对研究爆炸作用下多物理场问题具有重要的科学意义，在国防领域中有着重要的应用前景。本项目将针对常规炸药爆炸过程中产生的电磁效应问题，以理论分析和数值模拟为主要研究手段，辅以验证实验，研究爆炸产生电磁效应的物理机理、数值模拟方法和影响因素：(1) 基于能量变分原理，考虑爆轰产物的真实气体状态，提出爆炸产生等离子体的理论机理，以此为基础给出描述爆炸产生等离子体特征参数的控制方程；(2) 从电磁场Maxwell方程出发，考虑导电流体运动产生电流效应，建立电磁场演化控制方程，结合流体力学控制方程形成全流场控制方程组；(3) 提出全流场控制方程的数值模拟方法，开发爆炸产生电磁效应的数值模拟程序；(4) 进行多种工况下爆炸产生电磁效应数值模拟研究，获得不同装药、起爆和环境参数对产生电磁效应的影响规律。本项目的研究成果为爆炸产生电磁效应在国防工业中的工程应用提供理论和技术支撑。

本项目通过理论分析、数值模拟和实验研究，对常规爆炸产生电磁效应问题开展了深入细致的研究，揭示了常规爆炸产生电磁效应的物理机制，以磁流体动力学理论为基础，提出了常规爆炸产生电磁效应的机理，建立了系统的理论分析模型，针对其中的多物理场模拟的跨时间尺度困难提出数值模拟方法，解决了电磁效应与爆轰流场数值模拟时间尺度差异较大引起的计算困难，开发了常规爆炸产生电磁效应数值模拟软件，并对常规爆炸产生电磁效应的特性进行数值模拟研究，据此开展了不同装药B炸药爆炸产生电磁效应实验研究，在不同方位和不同距离上通过环形天线测量常规爆炸产生电磁信号，对信号进行时频分析，得到特征频率、峰值强度随距离和药量的关系，针对实验工况开展三维数值模拟研究，获得了实验测量点处磁场和电场信号随时间变化结果，并与实验结果进行对比，在信号特征方面与实验符合较好，在一定程度上对理论模型和数值模拟方法进行了验证，并给出数值模拟方法的适用条件，分析总结了常规爆炸产生电磁效应的影响因素和规律。.本项目的研究成果可作为常规爆炸场无接触测量的理论依据，可发展一种通过电磁信号测量反演爆炸流场特征的方法，从而避免流场传感器自身对流场测量的干扰。此外，本项目的研究能够应用于具有显著电磁效应炸药或起爆装置的研制，利用本项目研究获得的数值模拟方法，可分析不同导电介质填充的含能材料产生电磁效应的效果，对选材和配比进行优化设计，也可以用于不同结构等离子体天线特性研究，为其结构设计提供依据，使常规炸药具备多物理场耦合毁伤效应。无论在民用还是国防工程领域中，本项目的研究成果都具有很好的应用前景。