基于统计物理和化学平衡的爆轰产物物态方程

发布时间：2017-06-26 03:17

  本文关键词：基于统计物理和化学平衡的爆轰产物物态方程，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：爆轰产物物态方程对描述炸药的爆轰性质至关重要,它是爆轰过程数值模拟的核心参数,也是炸药作功能力的主要表征。工程经验物态方程由于模型简单、使用范围窄、外推能力差等因素无法精确描述爆轰产物所经历的复杂物理过程。要较好地描述这一过程,需发展建立在产物组分基础上的物态方程理论。美国计算爆轰产物物态方程的重要程序CHEQ就是建立在产物组分基础上的,但由于涉密,程序并没有公开。本论文借鉴了美国公开发表的CHEQ资料,完善了爆轰产物物态方程模型：(1)对爆轰产物混合系统采用Gibbs自由能最小原理,通过化学平衡方程组求解爆轰产物系统的平衡组分。相比于CHEQ程序中采用的线性方法,本论文采用的最速下降法求解方程组更稳定,可以解任意产物的平衡方程。(2)采用范德瓦尔斯等效单组分流体模型和硬球微扰理论软球修正模型,计算爆轰气相产物的物态方程。相比于CHEQ程序,本论文重新标定了各分子产物的势函数参数；增加了原子产物,并提出一种确定原子产物势函数参数的方法；修正了不同种分子之间的相互作用。(3)用石墨相、金刚石相、类石墨液相、类金刚石液相及团簇相描述凝聚成分,由Gibbs自由能最小确定不同状态下的凝聚产物相态。相比于CHEQ程序中采用3相态(石墨相、金刚石相、液碳相)物态方程,本论文更真实地反映了爆轰后碳的形态和性质。根据所建立的物理模型,我们自主研制了计算爆轰产物物态方程的程序-类CHEQ。本论文研究了爆轰产物的主要物理机制：(1)研究了分子产物在高温高压下的离解过程,给出了一种由分子流体的冲击雨贡纽实验数据,确定原分子之间和离解产物分子和原子相互间作用势参数的方法。和传统的由对应状态定律确定势函数参数的方法相比,所得到的势函数参数在很宽的压强范围内都能较好地描述冲击实验。(2)研究了不同种分子产物之间超临界流体相的分离现象,给出了一种由特殊炸药的爆轰参数确定不同种分子间势函数参数的方法,给出了炸药主要爆轰产物HZO,CO2和N2之间的非理想混合修正系数：kN2-H2O=1.03,kN-CO2=1.035, kH2O-CO2=0.96.(3)研究了碳的非平衡效应,分析了爆轰产物中碳可能存在的形态,根据碳的平衡态(石墨相、金刚石相、类石墨液相、类金刚石液相)物态方程和特殊炸药的爆轰参数,给出了团簇碳的物态方程。本论文研究了多种炸药的爆轰产物物态方程：(1)计算了PETN炸药不同初始密度下的爆速和爆压,发现在较宽的密度、温度范围内计算出的爆速、爆压都与实验值符合较好；计算了CJ点的平衡组分,并和BKW. LJD物态方程的计算结果进行了比较分析；计算了其等熵线,发现类CHEQ计算的等熵线在PV图上所围成的面积与由实验确定的JWL物态方程的接近,即表明作功能力与JWL物态方程相当,但在后期膨胀过程中,类CHEQ的等熵线比JWL的要光滑得多,类CHEQ计算的等熵γ从CJ点开始单调递减,最后接近理想气体的γ值,没有JWL状态方程计算的“双峰”现象,经分析认为,J、WL状态方程中“双峰”现象,是由于自身的函数形式所导致的,并不对应实际的物理过程,本论文的计算结果更加合理。(2)研究了不同初始密度下RDX炸药爆轰产物的性质,发现炸药初始密度小于1.20g/cm3时,炸药爆轰后只有气相产物生成,随着炸药初始密度进一步增大,爆轰后有固相碳析出；炸药初始密度小于1.60 g/cm3时,各气相产物按均匀混合处理,计算的爆速、爆压和实验值符合较好,随着炸药初始密度进一步增大,计算的爆速、爆压与实验值出现较大的偏差,经分析发现此处出现了超临界流体相分离现象,在物态方程模型中考虑了这种效应后,得到较好的结果。(3)计算了PBX9502炸药CJ点的爆轰参数,计算结果与实验值符合较好；计算的等温线与Sesame库的计算结果比较接近,并在5802K等温线上发现了一个拐点,经分析认为,此处游离态的碳发生了相变,由类金刚石液碳转化为固态金刚石,从而引起热力学量及产物组分的突变。(4)计算了多种炸药CJ点的爆轰参数,并和实验值、美国CHEQ程序的计算结果进行了比较分析。
【关键词】：爆轰产物 物态方程 分子离解 流体相分离 碳的相态
【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】：O381
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第一章 绪论11-19
• 1.1 爆轰产物物态方程的研究意义11-13
• 1.2 国内外的研究现状13-15
• 1.3 本文的主要内容15-17
• 参考文献17-19
• 第二章 爆轰产物物态方程理论方法简介19-31
• 2.1 等γ物态方程19-20
• 2.2 JWL物态方程20-23
• 2.3 BKW物态方程23-25
• 2.4 LJD物态方程25-26
• 2.5 JCZ物态方程26-28
• 2.6 WCA物态方程28-30
• 参考文献30-31
• 第三章 类CHEQ程序的物理模型和程序简介31-57
• 3.1 化学平衡方程组31-33
• 3.2 气相产物物态方程的总体模型33-46
• 3.3 同种气体分子产物之间势参数的更新及原子产物势参数的确定46-50
• 3.4 不同种分子之间势参数的更新50-52
• 3.5 固相产物的物态方程52-53
• 3.6 程序简介53
• 3.7 本章小结53-56
• 参考文献56-57
• 第四章 爆轰产物物态方程主要物理机制研究57-70
• 4.1 气体分子产物的离解57-62
• 4.2 超临界流体相的分离62-67
• 4.3 碳的非平衡效应67-68
• 4.4 本章小结68-69
• 参考文献69-70
• 第五章 多种炸药爆轰产物物态方程研究70-84
• 5.1 PETN炸药爆轰产物物态方程70-76
• 5.2 RDX炸药爆轰产物物态方程76-78
• 5.3 PBX9502炸药爆轰产物物态方程78-81
• 5.4 多种炸药爆轰CJ参数的计算81
• 5.5 本章小结81-83
• 参考文献83-84
• 第六章 总结84-87
• 攻读博士学位期间发表论文目录87-88
• 攻读博士学位期间主持的基金和获得的奖励88-89
• 致谢89

  本文关键词：基于统计物理和化学平衡的爆轰产物物态方程，，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：484615