固体炸药爆轰反应流模型及其参数的精确标定方法研究

This project is to investigate, theoretically, experimentally and numerically, the micro-mechanism of shock initiation of inhomogeneous solid explosives and propose a relatively universal macro-mesoscopic combined reactive fluid model for detonation. In the aspect of theoretical research, the forming mechanism of a hot-spot and the effect of interaction of multiple hot-spots on the shock initiation process will be investigated, and, based on which, a macro-mesoscopic model for the chemical reaction rate will be presented. In the experimental study, some necessary sophisticated experimental diagnostic techniques for both the detonation waveform and the structure of reaction zone will be developed, and a systemic calibration method for the parameters in the model of detonation reactive fluid will be proposed. Numerically, both the meso-scale and the macro-scale simulations will be carried out to explore the effects of the inhomogeneousity, and the availability of these numerical methods for the detonation in practical engineering devices will also be checked.

本申请拟采用理论与实验研究及宏/细观数值模拟方法探索非均质固体炸药冲击起爆细观机理，建立具有一定普适性的宏细观结合的爆轰反应流模型。在理论研究方面，重点探索“热点”形成机制和多“热点”相互作用效应，并以此为基础，建立适于工程应用的宏细观化学反应速率模型；在实验研究方面，补充发展必要的爆轰波形及反应区结构的精密诊断技术，提出爆轰反应流模型参数实验标定的系统方法；在数值模拟方面，探索非均质效应的中尺度数值模拟和考虑了非均质效应的宏观连续介质力学数值方法，进而确定其对实际爆轰装置冲击起爆过程计算的适应性。

本项目采用理论与实验研究及宏/细观数值模拟的方法探索非均质固体炸药冲击起爆细观机理，建立具有一定普适性的宏细观结合的爆轰反应流模型。在理论研究方面，分别关注压装混合炸药（包括HMX基高能低感PBXC03炸药和TATB基钝感PBXC10炸药）和熔铸混合炸药（包括DNAN基RBOL-2和RMOE-2等熔铸含铝炸药）的细观结构特征，系统建立冲击起爆“热点”模型和宏/细观反应速率模型（DZK系列反应速率模型），描述非均质固体炸药“热点”生成机制，反映炸药不同细观结构特征（如颗粒度、孔隙度和粘结剂含量及强度等）和炸药组分变化等对其冲击起爆爆轰成长过程的影响规律，为典型压装/熔铸混合炸药配方设计提供理论依据，为高能混合炸药威力与安全性设计提供可靠有效的数值模拟技术。在实验研究方面，补充发展必要的爆轰波形及反应区结构的精密诊断技术，提出爆轰反应流模型参数实验标定的系统方法，包括反向撞击法测量炸药冲击Hugoniot关系、爆轰端界面粒子速度测量爆轰反应区、圆筒试验确定爆轰常产物状态方程参数和冲击起爆一维拉格朗日实验确定未反应炸药状态方程参数及反应速率方程参数等；在数值模拟方面，将系列DZK反应速率模型嵌入DYNA2D程序，模拟炸药冲击起爆爆轰成长过程，验证模型适应性，分析炸药细观结构特征对其冲击起爆爆轰成长特性的影响规律。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，突破爆轰反应流模型参数确定、炸药参数精密测量和多尺度数值模拟等关键技术，为实际工程应用如高效毁伤、安全弹药数字化设计以及高能混合炸药的安全评估等迫切需要解决的问题奠定必要的理论基础并提供可靠的技术手段。