爆炸場中多相顆粒射流問題的研究

《爆炸場中多相顆粒射流問題的研究》是依託北京理工大學，由薛琨擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：爆炸場中多相顆粒射流問題的研究
• 依託單位：北京理工大學
• 項目負責人：薛琨
• 項目類別：青年科學基金項目

項目摘要

在爆炸載荷的驅動下，多相顆粒物質會形成非均勻分布的顆粒射流。顆粒射流的形成、成長及其特徵結構將直接影響此後的顆粒分散，與空氣的混合，以及能量的釋放（對於含能顆粒物質的情形）。而顆粒/液滴的爆炸分散涉及到國防與國民安全生產中的很多重大問題，如非均質炸藥的成功起爆，淺埋炸彈的毀傷效應，顆粒材料的爆炸防護，粉塵起爆等。 本項目旨在揭示顆粒射流的形成機制，並在此基礎上建立預測顆粒射流形成及其結構的巨觀模型。由於爆炸驅動顆粒射流的形成是衝擊波與離散顆粒，顆粒與間隙液體，以及顆粒之間相互作用的結果，因此，項目的關鍵在於理解多相顆粒材料在衝擊波作用下微結構和材料屬性的演化。採用衝擊實驗與介觀模擬相結合的方法，建立高壓高應變率下，能夠體現微結構演化的顆粒物質的狀態方程和本構模型。藉助流體動力學模擬和顆粒射流的理論模型，可以定量描述顆粒物質的統計特徵，及爆炸場參數對射流形成和結構的影響。

結題摘要

顆粒散體在中心爆炸/衝擊載荷作用下，並非直接分散成離散顆粒構成的粒子云，而是會首先分散成大量巨觀尺度的顆粒團簇，後者在衝擊流場的拖曳力作用下，迅速拉伸形成柱狀顆粒射流。爆炸/衝擊驅動形成顆粒射流的問題，與大量的地質現象，工業生產安全和國防工業密切相關。本項目在連續介質框架和顆粒尺度兩個不同的尺度範疇內對顆粒射流的形成機制、演化過程、特徵結構和影響因素進行了實驗、數值模擬和理論研究。提出了雙重顆粒射流模型，其中包括描述主射流發端的膨脹殼失穩模型，以及解釋次級射流形成的“空穴”成長模型。衝擊載荷作用下顆粒的瞬態局部流動強烈，無法採用均一化的穩態顆粒流來描述，本項目採用顆粒尺度的離散元方法對中心衝擊載荷作用下的顆粒射流形成過程進行了數值研究，發現了射流的發端機制與顆粒體系中獨特的載荷傳遞方式——力鏈網路密切相關，並建立了一個基於物理機制的兩階段射流數目演化巨觀模型，可以定量預測不同衝擊載荷強度和顆粒層條件下的顆粒射流數目。理論模型所預測的結果與實驗觀測相一致。同時，本項目還建立了衝擊波與顆粒層相互作用的實驗研究平台，設計裝配了孔壓和壓實應力的測試系統，可用於研究衝擊載荷在顆粒層中的傳播規律，為修正顆粒體系動態狀態方程提供依據，並通過實驗評價顆粒層對結構的防護效果。 本項目得到的射流演化規律，建立的研究方法和理論模型為設計滿足工程需求的顆粒射流提供了重要的理論依據。