[论文解读] Propagation Distance Required to Reach Steady-State Detonation Velocity in Finite-Sized Charges

Jianling Li, XiaoCheng Mi+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 8, 2014

Combustion and Detonation Processes参考文献 9被引用 3

一句话总结

本研究调查了在有限尺寸装药中，爆轰波从初始CJ速度过渡到稳态速度所需的传播距离。通过使用理想气体状态方程和压力依赖性反应动力学的数值模拟，作者表明，传统的Dn–κ模型无法捕捉到稀疏波引起的有限信号传播速度；基于一维稀疏波动力学的启发式模型能更准确地预测向稳态速度的弛豫过程。

ABSTRACT

The decay of a detonation wave from its initial CJ velocity to its final, steady state velocity upon encountering a finite thickness or diameter charge is investigated numerically and theoretically. The numerical simulations use an ideal gas equation of state and pressure dependent reaction rate in order to ensure a stable wave structure. The confinement is also treated as an ideal gas with variable impedance. The velocity decay along the centerline is extracted from the simulations and compared to predictions base on a front evolution equation that uses the steady state detonation velocity-front curvature relation ($D_n-κ$). This model fails to capture the finite signaling speed of the leading rarefaction resulting from the interaction with the yielding confinement. This signaling speed is verified to be the maximum signal velocity occurring in the ideal ZND wave structure of the initial CJ velocity. A simple heuristic model based on the rarefaction generated by a one-dimensional interaction between the post-shock state and the confinement is proposed to provide an approximate description of the rest of the relaxation to steady state velocity.

研究动机与目标

• 理解在有限尺寸装药中，爆轰波达到稳态速度所需的传播距离。
• 识别现有Dn–κ前缘演化模型在捕捉瞬态爆轰动力学方面的局限性。
• 分析前导稀疏波有限信号传播速度在弛豫过程中的作用。
• 提出一种考虑稀疏波效应的启发式模型，以描述向稳态爆轰速度的过渡过程。
• 利用理想气体状态方程和可变阻抗约束条件的数值模拟，对模型进行验证。

提出的方法

• 采用理想气体状态方程和压力依赖性反应速率进行数值模拟，以确保爆轰波结构的稳定性。
• 将约束建模为可变阻抗的理想气体，以模拟真实的边界效应。
• 从模拟中提取中心线速度衰减曲线，以分析瞬态行为。
• 将模拟结果与Dn–κ前缘演化方程的预测结果进行比较，以评估模型准确性。
• 将前导稀疏波的信号传播速度识别为ZND结构中最大信号传播速度。
• 提出一种基于一维冲击后状态与约束相互作用的启发式模型，以描述向稳态速度的弛豫过程。

实验结果

研究问题

• RQ1 在有限尺寸装药中，爆轰波从CJ速度过渡到稳态速度所需的传播距离是多少？
• RQ2 为什么传统的Dn–κ模型无法预测有限装药中的瞬态速度弛豫？
• RQ3 前导稀疏波的有限信号传播速度如何影响弛豫过程？
• RQ4 冲击后状态与屈服性约束之间的相互作用在速度弛豫中起什么作用？
• RQ5 基于一维稀疏波动力学的简单启发式模型能否准确描述向稳态爆轰速度的过渡？

主要发现

• Dn–κ前缘演化模型无法捕捉到由屈服性约束相互作用产生的前导稀疏波的有限信号传播速度。
• 稀疏波的信号传播速度被确定为初始CJ速度理想ZND结构中的最大信号传播速度。
• 数值模拟证实，由于这种有限信号传播效应，中心线上的速度衰减显著偏离Dn–κ预测结果。
• 基于冲击后状态与约束之间一维稀疏波动力学的启发式模型，能更准确地近似描述向稳态速度的弛豫过程。
• 本研究表明，约束效应和波信号传播动力学在决定达到稳态爆轰的传播距离中起着关键作用。
• 结果强调了在有限几何结构中爆轰波弛豫模型中，必须考虑有限信号传播速度和稀疏波动力学。