炸药爆轰产物状态方程理论与应用研究

发布时间：2017-03-18 01:03

  本文关键词：炸药爆轰产物状态方程理论与应用研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：本文针对VLW状态方程在描述炸药爆轰产物气体高温、中高压热力学状态方面的不足,提出了一种新型爆轰产物气体状态方程形式VHL (Viral-Han-Long),开展了爆轰产物气体组分高温、中高压状态的描述,爆轰产物状态方程VHL在炸药爆轰性能、作功能力评价和炸药反应区结构三个方面的应用研究工作。具体研究工作如下：基于非极性气体分子CH4的高温、中高压热力学数据,探讨了VLW状态方程描述爆轰产物气体组分CH4热力学状态时存在的不足。提出了能够有效表征CH4热力学状态的状态方程形式VHL,该方程前四阶维里系数均与理论计算值一致,高阶维里系数则通过组合函数形式简化。基于L-J势能函数,VHL状态方程通过对比态原理,实现了对其它非极性或弱极性爆轰产物气体组分(CO2、CO、O2、N2、H2)的高温、中高压热力学状态的准确描述。针对强极性爆轰产物气体组分H20,通过建立与温度相关的L-J势函数形式,实现了对H2O高温、中高压热力学状态的准确描述。基于爆轰产物气体的VHL状态方程和爆轰产物固相碳的Cowan状态方程,结合最小吉布斯(Gibbs)自由能原理和爆轰CJ理论,成功编制了炸药爆轰性能计算热力学程序VHL。热力学程序VHL中,爆轰产物气体等效为单一组分气体；爆轰产物固相碳具有三套参数,分别表示碳的石墨态、金刚石态和类液相态,碳的相态通过自由能比较获得。利用热力学程序VHL分别对宽密度范围的典型炸药(PETN、RDX和TNT)的爆轰性能参数、13组已知爆温的炸药和典型炸药爆轰产物组成进行了理论计算,并与其它热力学程序计算结果进行比较。计算结果表明热力学程序VHL能够准确地计算宽密度范围炸药的爆轰性能参数。基于热力学程序VHL和等熵条件(S=SCJ),计算获得了TNT炸药、HMX基炸药的爆轰产物JWL状态方程参数。应用所得到的JWL状态方程参数,通过LS-DYNA动力学程序,数值模拟了TNT炸药圆筒试验、TNT炸药水下冲击波轨迹试验和HMX基炸药爆轰产物径向膨胀轨迹的水下试验,考察了热力学程序VHL在炸药作功能力评价方面的有效性。计算结果表明VHL热力学程序能够有效地表征炸药爆轰产物的热力学状态量,通过与流体力学程序结合可准确地评价炸药的作功能力。提出了有效研究炸药化学反应区结构的方法,避免了人为认定CJ点的误差。采用DISAR精密试验测试技术获得炸药与有机玻璃窗口界面的粒子速度历程,通过热力学程序VHL理论计算获得炸药爆轰产物等熵线与有机玻璃冲击Hugoniot线交点的速度值,结合DISAR试验所得界面粒子速度曲线,从而实现炸药化学反应区反应时间的确定。基于ZND模型,结合未反应炸药的状态方程,通过在热力学程序VHL中引入压力相关的化学反应速率函数,建立了能够有效描述炸药反应区内压力历程和产物变化历程的理论计算方法。
【关键词】：状态方程 爆轰性能 反应区结构 势能函数 热力学
【学位授予单位】：中国工程物理研究院
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TQ560.1
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-13
• 第一章 绪论13-24
• 1.1 研究的意义和目的13-14
• 1.2 国内外研究现状14-22
• 1.2.1 炸药爆轰产物状态方程研究14-19
• 1.2.2 热力学爆轰产物状态方程在炸药爆轰性能和作功能力方面的应用研究19-21
• 1.2.3 炸药反应区结构研究21-22
• 1.3 本文工作简述22-24
• 第二章 高温、中高压气体状态方程VHL研究24-71
• 2.1 复形调优法24-26
• 2.1.1 复形调优法的基本原理24-25
• 2.1.2 复形调优法的主要计算步骤25-26
• 2.2 VLW状态方程描述高温、中高压CH_4热力学状态的不足26-32
• 2.3 新型高温、中高压气体状态方程VHL32-37
• 2.4 VHL状态方程在高温、中高压气体状态描述中的应用37-69
• 2.4.1 甲烷气体的状态描述37-43
• 2.4.2 CO_2气体的状态描述43-47
• 2.4.3 CO气体热力学状态的描述47-50
• 2.4.4 O_2热力学状态描述50-54
• 2.4.5 N_2热力学状态描述54-59
• 2.4.6 H_2热力学状态描述59-63
• 2.4.7 H_2O热力学状态的描述63-69
• 2.5 本章小结69-71
• 第三章 VHL状态方程在炸药爆轰性能计算中的应用71-90
• 3.1 VHL程序计算原理71-78
• 3.1.1 气相爆轰产物的热力学函数71-73
• 3.1.2 气相爆轰产物的L-J势能参数73-74
• 3.1.3 固相爆轰产物的热力学函数74-75
• 3.1.4 基础热力学函数75-76
• 3.1.5 炸药爆炸产物平衡方程组76-78
• 3.1.6 炸药爆轰性能的计算78
• 3.2 VHL程序的计算框图78-79
• 3.3 不同密度CHNO类炸药爆轰性能的理论计算79-84
• 3.3.1 PETN炸药爆轰性能理论计算80-81
• 3.3.2 RDX炸药爆轰性能理论计算81-83
• 3.3.3 TNT炸药爆轰性能理论计算83-84
• 3.4 炸药爆温的理论计算84-86
• 3.5 炸药爆轰产物组分浓度的计算86-88
• 3.6 本章小结88-90
• 第四章 VHL热力学程序在炸药作功能力研究中的应用90-113
• 4.1 炸药爆轰产物等熵膨胀曲线的理论计算90-93
• 4.2 TNT炸药圆筒试验的数值模拟93-100
• 4.3 TNT炸药水下试验的数值模拟100-105
• 4.4 HMX基炸药水下试验的数值模拟105-111
• 4.5 本章小结111-113
• 第五章 热力学程序在炸药反应区结构研究中的应用113-129
• 5.1 炸药化学反应区反应时间研究113-122
• 5.1.1 DISAR测试原理113-115
• 5.1.2 炸药化学反应区结构的界面粒子速度测试115-117
• 5.1.3 TNT和PETN炸药试验结果及理论分析117-122
• 5.2 炸药反应区结构的理论计算122-128
• 5.3 本章小结128-129
• 第六章 结论与展望129-133
• 6.1 本文主要结论129-131
• 6.2 本文主要创新点131
• 6.3 工作展望131-133
• 参考文献133-139
• 致谢139-140
• 附录140

  本文关键词：炸药爆轰产物状态方程理论与应用研究，，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：253690