非均质炸药冲击起爆宏细观泛形反应流模型

To develop a macro-mesoscopic ubiquitiformal reactive flow model for the shock-initiation of heterogeneous solid explosives, the ubiquitiform theory will be used in this project to describe the ubiquitiformal characterization of the mechanism of shock-initiation of a heterogeneous solid explosive, together with relevant results of the molecular dynamics and the mesoscale numerical simulations as well as the experimental data. Theoretically, a Ubiquitiformal Hot-Spot Developing (UHSD) model is first proposed based on a hot-spot eigenfunction that describes the grow process of a hot-spot and the ubiquitiformal distribution of the hot-spots inside the explosive, and then a Macro-Mesoscopic Ubiquitiformal Reactive Flow (MMURF) model will be constructed by combining the UHSD model with the macro reactive flow equations. Experimentally, some necessary diagnostic techniques for the detonation wave-form and the reaction zone structure will be developed complementally, which will be used to determine the parameters in the UHSD model. Finally, the numerical simulation of the MMURF model will be carried out and its availability will be verified.

本申请拟采用泛形理论，结合分子动力学和中尺度数值模拟及相关实验结果，探索非均质固体炸药冲击起爆机理的泛形表征，以建立非均质固体炸药冲击起爆机理的宏细观泛形反应流模型。在理论研究方面，通过构建描述“热点”成长的本征函数和炸药内部“热点”的泛形分布，建立描述非均质炸药冲击起爆的泛形“热点”发展模型，并将其与宏观连续介质反应流方程结合以构建宏细观反应流模型；在实验研究方面，补充和发展已有的非均质炸药细观结构实验观测技术和必要的爆轰波波形与反应区结构诊断技术，用以确定泛形“热点”发展模型参数；在数值模拟方面，探索非均质固体炸药冲击起爆宏细观泛形反应流模型的数值模拟算法，并验证其适用性。

非均质固体炸药在民用和军事工程中得到了广泛的应用。在实际应用中，其安全性一直是研究的重点。因此，如何理解和表征炸药的冲击起爆是一个关键问题。本项目采用泛形理论，结合中尺度数值模拟及相关实验结果，探索非均质固体炸药冲击起爆机理的泛形表征，以建立非均质固体炸药冲击起爆机理的宏细观泛形反应流模型。首先，基于泛形理论，得到了PBX炸药多复杂度的嵌套泛形模型，该模型能够合理的表征炸药细观结构；第二，针对PBX炸药，通过相似分析和中尺度模拟建立了其在动载下单一“热点”的合理本征函数，用来表征热点温度对孔洞结构、孔洞大小和激波强度的依赖关系；第三，基于热点温度的本征函数和PBX炸药多复杂度嵌套泛形模型，提出并建立了冲击过后PBX炸药内部热点强度的泛形模型；然后将热点强度的泛形模型和Arrhenius反应模型相结合，得到了一个跨尺度的泛形热点点火模型；最后，根据炸药内部热点的泛形分布和燃烧拓扑函数，建立了低幅值压力下的泛形热点增长模型，该泛形热点增长模型可以用来描述PBX9501在低振幅压力下的热点增长反应。此外，将得到的泛形热点点火模型，低压下的泛形热点增长模型和高压快速反应速率模型结合，发展得到了PBX炸药宏细观泛形冲击起爆速率模型。将本模型嵌入到二维拉格朗日有限元程序DYNA2D中，建立一维Lagrange模型，模拟冲击起爆过程。本项目的研究成果进一步提高了对非均质固体炸药冲击起爆机理的认识，可以为炸药配方设计和安全评估提供依据.