
兵工学报 ›› 2025, Vol. 46 ›› Issue (10): 250442-.doi: 10.12382/bgxb.2025.0442
收稿日期:2025-06-03
上线日期:2025-11-05
通讯作者:
基金资助:
WU Hao1, XU Peng1, CHEN De2,*(
)
Received:2025-06-03
Online:2025-11-05
摘要: 为研发一种模拟空爆冲击波的压缩空气驱动变截面激波管试验装置,首先基于商用计算流体动力学软件Ansys Fluent,对经典一维Sod激波管问题、压缩空气驱动等直径和变截面激波管试验进行数值仿真分析,通过对比仿真结果与解析解和试验数据,验证了材料模型参数、边界条件和数值仿真分析方法的适用性和可靠性。其次对等直径和变截面激波管内压力脉冲演化过程进行分析,得出:稀疏波追上激波的位置为空爆冲击波的形成位置,不同扩展角的变截面激波管末端均可生成指数衰减的空爆冲击波荷载,且扩展角对冲击波波形影响很小。进一步开展了激波管几何尺寸和高压段初始压力对空爆冲击波形成位置和相应反射冲击波超压峰值的参数影响分析。结果表明:空爆冲击波形成位置与上述参数呈非线性关系,反射超压峰值随高压段直径和压力的增大而增大,随高压段长度和扩展角度减小而增大。最后,基于仿真结果和量纲分析分别建立了空爆冲击波形成位置和相应反射冲击波超压峰值的预测公式,给出了压缩空气驱动变截面激波管设计流程,并与经典Kingery-Bulmash空爆冲击波计算公式对比确定了三种典型变截面激波管的试验加载能力。
吴昊, 徐鹏, 陈德. 模拟空爆冲击波的压缩空气驱动变截面激波管设计[J]. 兵工学报, 2025, 46(10): 250442-.
WU Hao, XU Peng, CHEN De. Design of Compressed Air-drivenVariable-sectional Shock Tube for Simulating Air Explosion Shock Wave[J]. Acta Armamentarii, 2025, 46(10): 250442-.
图12 不同时刻等直径激波管内压力分布及入射超压时程
Fig.12 Instantaneous pressure distribution inside the equi-diametric shock tube and corresponding incident overpressure-time histories
图14 不同扩展角变截面激波管内压力分布及其反射超压时程
Fig.14 Instantaneous pressure distribution inside the variable-sectional shock tube with different expanded angle and corresponding reflected overpressure-time histories
| 激波管 | D/m | θ/(°) | S/m | L/m | Dend/m | p4/MPa |
|---|---|---|---|---|---|---|
| A | 0.5 | 9 | 8.5 | 0.55 | 3 | 2 |
| B | 0.5 | 11 | 7 | 0.5 | 3 | 5 |
| C | 0.5 | 7 | 7 | 0.51 | 2 | 5 |
表1 变截面激波管设计参数
Table 1 Variable-sectional shock tube design parameters
| 激波管 | D/m | θ/(°) | S/m | L/m | Dend/m | p4/MPa |
|---|---|---|---|---|---|---|
| A | 0.5 | 9 | 8.5 | 0.55 | 3 | 2 |
| B | 0.5 | 11 | 7 | 0.5 | 3 | 5 |
| C | 0.5 | 7 | 7 | 0.51 | 2 | 5 |
| 激波管 | 式(10)预测Δpr/kPa | 数值仿真Δpr/kPa | 相对误差/% |
|---|---|---|---|
| A | 107.8 | 103.4 | 4.2 |
| B | 202.5 | 200.8 | 0.84 |
| C | 329.6 | 312.2 | 5.6 |
表2 数值仿真分析结果和式(10)预测结果对比
Table 2 Comparison of numerical simulation analysis results and Eq. (10) predictions
| 激波管 | 式(10)预测Δpr/kPa | 数值仿真Δpr/kPa | 相对误差/% |
|---|---|---|---|
| A | 107.8 | 103.4 | 4.2 |
| B | 202.5 | 200.8 | 0.84 |
| C | 329.6 | 312.2 | 5.6 |
| 激波管 类型 | 激波管冲击波 | 空爆冲击波 | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| p4/MPa | Δpr/kPa | Δt+/ms | b | 爆炸当量/kg | 爆炸距离/m | Δp'r[ | T+[ | b'[ | |
| 0.5 | 36.4 | 6.2 | 0.55 | 4 | 12 | 34.8 | 6.1 | 0.47 | |
| A | 1 | 63.2 | 7.6 | 0.93 | 12 | 12 | 64.1 | 7.8 | 0.73 |
| 1.5 | 84.5 | 9.6 | 1.47 | 30 | 14 | 85.9 | 10.0 | 0.87 | |
| 2 | 103.4 | 10.1 | 1.43 | 40 | 14 | 104.8 | 10.6 | 0.98 | |
| 1 | 63.9 | 6.8 | 0.92 | 9 | 11 | 63.1 | 7.1 | 0.72 | |
| 2 | 105.9 | 9.0 | 1.52 | 25 | 12 | 104.2 | 9.0 | 0.97 | |
| B | 3 | 141.0 | 9.9 | 1.58 | 40 | 12 | 147.7 | 9.9 | 1.17 |
| 4 | 172.3 | 10.4 | 1.55 | 50 | 12 | 176.1 | 10.3 | 1.28 | |
| 5 | 200.8 | 11.0 | 1.6 | 75 | 13 | 201.5 | 11.5 | 1.37 | |
| 1 | 100.3 | 7.7 | 1.59 | 14 | 10 | 101.8 | 7.5 | 0.96 | |
| 2 | 167.3 | 9.6 | 1.87 | 35 | 11 | 163.2 | 9.3 | 1.23 | |
| C | 3 | 222.4 | 11.9 | 2.36 | 85 | 13 | 223.6 | 11.8 | 1.44 |
| 4 | 270.3 | 14.9 | 3.02 | 200 | 16 | 272.7 | 14.9 | 1.58 | |
| 5 | 312.2 | 16.8 | 2.57 | 280 | 17 | 312.2 | 16.0 | 1.68 | |
表3 激波管与空爆冲击波反射超压参数映射关系
Table 3 Mapping relationship of reflected overpressure parameters of shock tubes and air explosion shock waves
| 激波管 类型 | 激波管冲击波 | 空爆冲击波 | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| p4/MPa | Δpr/kPa | Δt+/ms | b | 爆炸当量/kg | 爆炸距离/m | Δp'r[ | T+[ | b'[ | |
| 0.5 | 36.4 | 6.2 | 0.55 | 4 | 12 | 34.8 | 6.1 | 0.47 | |
| A | 1 | 63.2 | 7.6 | 0.93 | 12 | 12 | 64.1 | 7.8 | 0.73 |
| 1.5 | 84.5 | 9.6 | 1.47 | 30 | 14 | 85.9 | 10.0 | 0.87 | |
| 2 | 103.4 | 10.1 | 1.43 | 40 | 14 | 104.8 | 10.6 | 0.98 | |
| 1 | 63.9 | 6.8 | 0.92 | 9 | 11 | 63.1 | 7.1 | 0.72 | |
| 2 | 105.9 | 9.0 | 1.52 | 25 | 12 | 104.2 | 9.0 | 0.97 | |
| B | 3 | 141.0 | 9.9 | 1.58 | 40 | 12 | 147.7 | 9.9 | 1.17 |
| 4 | 172.3 | 10.4 | 1.55 | 50 | 12 | 176.1 | 10.3 | 1.28 | |
| 5 | 200.8 | 11.0 | 1.6 | 75 | 13 | 201.5 | 11.5 | 1.37 | |
| 1 | 100.3 | 7.7 | 1.59 | 14 | 10 | 101.8 | 7.5 | 0.96 | |
| 2 | 167.3 | 9.6 | 1.87 | 35 | 11 | 163.2 | 9.3 | 1.23 | |
| C | 3 | 222.4 | 11.9 | 2.36 | 85 | 13 | 223.6 | 11.8 | 1.44 |
| 4 | 270.3 | 14.9 | 3.02 | 200 | 16 | 272.7 | 14.9 | 1.58 | |
| 5 | 312.2 | 16.8 | 2.57 | 280 | 17 | 312.2 | 16.0 | 1.68 | |
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