大型激波管产生的长持时冲击波的特性研究

［摘 要］ 为得到长持时冲击波，在大型激波管高压段2个位置预设TNT和预充高压气体，进行了压力测试，并得到了测点处的压力时程曲线；又采用ANSYS/LS-DYNA软件对上述工况进行了数值仿真和参数校正；然后，对不同工况产生的冲击波特性进行仿真研究；最后，明确了不同装药位置、装药量、预充高压气体压力和泄压口长度对冲击波特性的影响。结果表明：当采用2处TNT装药，装药量和泄压口长度不变时，峰值超压和超压时长随着预充高压气体压力的增大而增大，峰值到达时间不一定降低；当预充高压气体压力和泄压口长度一定，2处TNT装药量增幅不大时，峰值超压和峰值到达时间会降低，但超压时间增加；同时增加TNT装药量和预充高压气体压力，会提高峰值超压，但对超压时长的影响不明显；当TNT装药位置为1个，装药量和泄压口长度一定时，预充高压气体压力增大会增加超压时长和峰值压力，与2处装药位置时规律一致，但冲击波的峰值到达时间降低；当其余条件不变时，减小泄压口长度会增加峰值超压压力，但是峰值到达时间却呈先减小、后增大的趋势。

［关键词］ 激波管；长持时冲击波；TNT；预充高压气体

［分类号］ O383

Characteristics of Long Duration Shock Waves Generated by Large Shock Tubes

CHENG Jianhua①， MENG Bingbing②， WANG Hui①， DUN Zhilin①， ZHANG Xinsheng①， GUO shuaifang②

① School of Civil Engineering， Henan Polytechnic University （Henan Jiaozuo， 454000）

② School of Resources and Environment， Henan Polytechnic University （Henan Jiaozuo， 454000）

［ＡＢＳＴＲＡＣＴ］ In order to obtain long-duration" shock waves， TNT and pre-filled high-pressure gas were pre-set at two positions in the high-pressure section of a large shock tube. Experiments were conducted and pressure time history curves were obtained at monitoring points. ANSYS/LS-DYNA software was used to calibrate the numerical simulation parameters of the above working conditions. Then， the characteristics of shock waves generated under different working conditions were simulated and studied. Finally， the effects of different charge positions， charge weights， pre-filled gas pressures， and length of the pressure relief port on the shock wave characteristics were clarified. The results indicate that when two TNT charges are used and the charge weight and the length of the pressure relief port remain unchanged， the peak overpressure and overpressure duration increase with the increase of pre-filled high-pressure gas pressure， and the peak overpressure arrival time does not necessarily decrease. When the pre-filled high-pressure gas pressure and the length of the pressure relief port are constant， and the increase in TNT charge at two locations is not significant， the peak overpressure and peak overpressure

arrival time will decrease， but the overpressure time will increase. Simultaneously increasing TNT charge and pre-filled high-pressure gas will increase the peak overpressure， but the effect on the duration of overpressure is not significant. When TNT is placed at one location with constant TNT charge and length of the pressure relief port， an increase in pre-filled high-pressure gas pressure will increase the duration of overpressure and peak pressure， consistent with the pattern of two loading positions， but the peak overpressure arrival time will decrease. When all the other conditions remain constant， reducing the length of the pressure relief port will increase peak overpressure， but arrival time of peak overpressure exhibits a trend of first decreasing and then increasing.

［KEYWORDS］ shock tube; long duration shock wave; TNT; pre-filled high-pressure gas

doi：10.3969/j.issn.1001-8352.2024.05.004

0 引言

核爆往往伴随着强烈的冲击波、光辐射以及地震等破坏效应，由此会产生危害较大的裂隙区、振动区等［1-2］。核爆冲击波相较于其他爆炸载荷具有长持时的特性。若想建立针对核爆冲击波的防护工程，则有必要对长持时冲击波的特性进行研究。

激波管常作为实现超压冲击波的关键工具。通常由高压段、试验段和膜片等组成，膜片安装在高压段和试验段之间。驱动方式主要有高压气体和炸药爆破。当高压段产生的冲击波压力超过膜片设定压力时，膜片将破裂，冲击波接着向试验段传播，形成激波。通过对激波管内高压段的驱动源和管型设计，有望模拟出长持时冲击波。

学者们采用现场试验和数值仿真预测相结合的方法对激波管产生的冲击波特性进行了大量研究。发现冲击波特性与高压段内的炸药质量［3-4］、预充气体压力［5-6］、膜片数量和破坏性态［7-8］、激波管截面变化［9-11］等参数息息相关。研究表明，冲击波经过管壁的反射和传播后，才会逐渐形成平面冲击波，并且峰值超压随着传播距离的增加而减小；激波管的形状（试验段长度、直径、角度）也会对冲击波型产生影响；增大炸药质量也可以增加峰值超压和波速。有的学者根据试验数据对激波管产生的冲击波超压进行了预测，以期为设计激波管时提供数据支撑［5，12］。另一部分学者借助激波管形成的冲击波对面部装备［13-14］、混凝土试样［15-16］和其他样品［17］等进行了模拟爆炸冲击试验，为防护工程的建设提供参考。但是大多数研究的冲击波是处于短持时阶段，对于长持时冲击波的形成以及特性的研究较少。

本文中，通过在大型激波管内采用TNT和预充高压气体驱动的方式模拟出长持时冲击波。首先，对2处装药位置和预充高压气体压力产生的冲击波压力时程曲线进行监测；然后，用ANSYS/LS-DYNA软件对实际激波管建立有限元模型，并根据试验结果进行参数验证，对冲击波压力云图的演化进行了研究；最后，研究了不同装药量、装药位置、泄压口长度和预充气体压力对冲击波特征的影响。研究成果可为实现长持时冲击波提供参考。

1 激波管内脉冲压力测试

1.1 试验设备

试验系统包括两部分：一部分是激波管；另一部分是对冲击波的测试系统。试验激波管由高压段、试验段、膜片和封堵门组成，真实尺寸见图1。封堵门用来模拟响应结构。其中，高压段长度为33.00 m，最大截面直径为3.00 m；高压段和试验段之间设有直径1.18 m的膜片；试验段内部为空气，长度为17.10 m，最大截面直径为2.30 m；封堵门直径为18.30 m，并且与试验段之间设有长度为0.10 m的泄压口。高压段和试验段的变截面尺寸见图1。

为了对激波管内形成的冲击波压力特征进行研究，在距泄压口0.20 m和4.60 m处设置测点P1和P2。采用PCB-109C11传感器对测点进行压力时程曲线的监测，量程为0～690 MPa，采样频率为500 kHz，灵敏度为0.01 mV/kPa。采用成都泰测公司的Blast-Pro-1601爆破测试仪进行数据采集。该设备内置计算机和电池，不需要外部供电，采样频率可达1 MHz，触发延时0～200 ms，可以满足本次测试的需求。

1.2 试验方案

为了得到预想的长持时冲击波特征，激波管的高压段设置1#和2#共2处TNT装药，并且预充高压气体。通过调整TNT质量和预充高压气体压力来改变冲击波的特性，激波管高压段、试验段的尺寸保持不变，并使用传感器对冲击波特征进行监测。试验方案见表1。由于TNT炸药应用及现场试验的复杂性，共进行2个工况的试验，后续不同工况的冲击波特性通过数值仿真手段研究。

1.3 试验结果

分析2种工况的压力时程曲线（图2）。不同工况下，相同测点的压力时程曲线形态基本一致。经过高压段和试验段激波管管壁的整形，由高压段内TNT和高压气体产生的冲击波压力较为缓慢地增至峰值；随后，又出现了短暂的压力平台期；然后，衰减至大气压。衰减过程中，由于试验段管壁扩张段的影响，冲击波波形出现波动，但没有出现负压区。因此可以得出，冲击波在试验段传播后形成了平面波，同一横截面上不同测点的压力随时间变化基本一致。

对比分析发现，上述2种工况均可以产生1 600 ms的长持时冲击波，当激波管的结构不变时，增大TNT装药量和预充气体压力可以增加冲击波的峰值压力，但冲击波的超压时长基本不变。

2 长持时冲击波数值仿真

2.1 数值模型的建立

由于激波管模型庞大且具有轴对称特性，为节省计算空间，建立1/4数值模型，同时采用cm-g-ms 单位制进行计算。在数值模拟中，忽略膜片对流体的影响，通过合并高压段和试验段连接处的节点对膜片简化，使得炸药的爆轰产物和预充高压气体理想地从高压段流出。为了提高计算效率和保证计算结果的可靠性，网格划分过程中在模型中心轴附近加密处理。划分单元160 568个。划分的有限元模型见图3。

模型施加的边界条件为：对所建1/4对称模型的对称位置施加对称约束。即在YOZ平面上施加X方向位移约束UX=0；在XOZ平面上施加Y方向位移约束UY=0;在出口处的管壁上施加全约束，在封堵门端面上施加UZ=0的位移约束。

2.2 炸药模型

由图1得出，2处炸药装药均位于激波管中心线上，分别距膜片2.70 m（2#）和5.20 m（1#）。选择在炸药中心起爆，空气和炸药均采用欧拉网格。TNT炸药选择*Mat_High_Explosive_Burn高能炸药模型。炸药产生的爆轰产物采用JWL状态方程描述，即*Eos_JWL。JWL状态方程定义了压力和比容之间的变化关系。

p=A1-ωρ1R1ρ0e-R1ρ0β1+B1-ωρ1R2ρ0e-R2β0A+ωEρ1。（1）

式中：p为压力；E为单位体积炸药的初始内能；A、B、R1、R2、ω、β1、β0" 均为炸药方程参数。

TNT的性能参数具体见表2［18］。

2.3 预充高压气体和空气状态方程

模型中的激波管高压段采用炸药和预充高压气体同时驱动，试验段内为空气。因此，需要对预充高压气体和空气分别定义。预充高压气体和试验段内的空气均选择*Mat_Null材料模型，二者均作为理想气体处理，线性多项式状态方程为*Eos_Linear_Polynomial。

p=c0+c1μ+c2μ2+c3μ3+（c4+c5μ+c6μ2+）e0。（2）

式中：μ＝ρ/ρ0-1，ρ和ρ0分别为理想气体的密度和初始密度；e0为初始单位体积内能;c0～c6为与气体性质相关的常数，对于理想气体，c0=c1=c2=c3

=c6=0，c4=c5=0.4 。

对于空气和高压气体，ρ0和e0的取值见表3。表3中，n为高压气体压强和空气压强的比值。

3 仿真结果

3.1 数值仿真验证

为验证建立的激波管有限元模型预测冲击波特性的可行性，对工况1-1和1-2分别在测点P1和P2进行数值模拟结果和试验数据的对比，测得的压力时程曲线以及峰值压力见图4和表4。由图4和表4可知，2种工况在测点的试验曲线和模拟曲线基本一致，峰值超压的试验值和模拟值的相对误差小于15%，表明该有限元模型、高压气体、TNT等参数的选取和网格的划分均具有科学性，可以用来预测不同工况下激波管产生的冲击波超压曲线。" 从图4还可得出，工况1-1和工况1-2下产生的冲击波的超压时间达到了1 600 ms，实现了长持时冲击波。在工况1-1下，P2处的峰值压力达到了208.21 kPa，通过增加1#和2#位置的TNT装药量和预充高压气体的压力（工况1-2），可以有效提高超压的峰值压力（278.31 kPa）和整体压力。同时发现，仿真得到的冲击波波形更加复杂，二次峰值略高于试验数据。这是由于仿真过程为理想条件，高能流体不会在试验段泄漏，会不断在激波管壁面反射叠加，这对冲击波压力的叠加是有利的；但在试验过程中，无法达到仿真的试验环境。同时，发现峰值到达时间的试验值提前于模拟值，证明试验段内的激波速度的试验值高于模拟值。可能是对激波管实际剖面图进行了简化处理导致的。由于测量过程中出现了传感器误差，导致图4（b）工况1-2的模拟值和试验值均出现了较小的误差与杂波。可能是由于该种工况下装药量和预充高压气体压力较大，对传感器的固定起到了一些干扰。

3.2 冲击波压力和等压面演化

对激波管高压段中的高能流体产生的压力场演化进行研究，工况1-1的压力云图和等压面云图演化见图5。

由图5（a）看出：当t=0 ms时，高压段内压力为0.42 MPa，证明预充高压气体成功；而随着时间推进，TNT开始起爆，爆轰气体和预充高压气体相互作用，产生在高压段传播的稀疏波和向试验段演化的激波，冲破膜片后，在试验段形成较低压和低速激波；并且发现稀疏波在向激波转化的过程中，两者之间出现了接触面，根据相容关系，接触面的两侧压力相等；通过观察高压段内的稀疏波特征得出，稀疏波经过壁面的不断反射，逐渐追赶激波管轴线传播的球形波阵面;随着时间推进，稀疏波前沿的波形更加复杂，但也会慢慢被激波管管壁整形成较为平整的平面波。由此可见，激波管产生的冲击波不会立即生成平面波，而是通过一定距离演化后，才会形成等压平面波。

平面波的演化过程可由图5（b）更清楚地表现。当t=1.0 ms时，2团由炸药爆炸产生的高能流体在该处形成了等压面；当t=6.0 ms时，高压段内炸药和隔膜片之间形成了等压冲击波，随着时间延长，等压面逐渐在高压段内形成，并向试验段传递；当t=926.0 ms时，高压段内已经没有冲击波等压面，这可能是由于冲击波在激波管内的反射作用造成的，而冲击波通过试验段内的整形，慢慢形成等压平面波，依次向泄压口推进。

3.3 预充高压气体压力和TNT质量对冲击波特性的影响

为了探究不同预充高压气体压力和TNT质量对超压时程的影响，对工况2-1、2-2和2-3分别进行了仿真。仿真方案见表5。测点P2处得到的压力时程曲线如图6所示。对比2个装药位置下，5种工况产生的冲击波特性，见图7。为提高仿真效率，将仿真时间缩短至600 ms，并根据600 ms的超压判断超压时间。在600 ms时，超压越大，则相应的超压时间越长。

对比图2中的工况1-1和图6中的工况2-2的仿真压力时程曲线发现，相同TNT质量下（1#和2#处均是400 g TNT），降低高压段内预充气体的压力，峰值压力降低，峰值到达时间延长，证明激波波速有所降低。对比工况2-1和2-3发现，在低TNT装药量前提下（1#和2#处装药300 g），预充高压气体压力越低，试验段内激波传播速度和峰值压力越低，超压时间减少。证明在泄压口和试验段长度等其他参数不变的情况下，高压段装药量和预充高压气体压力均会影响超压时间。

3.4 预充高压气体压力和TNT装药位置对冲击波特性的影响

为了研究单一装药位置条件下，预充高压气体压力对冲击波特性的影响，控制在1#处装药250 g，对预充气体压力进行调节。 具体方案见表6。

单一装药位置下，不同预充压力的冲击波特性见图8。并且提取了冲击波的峰值压力和峰值到达时间，见图9。可以看出，在相同装药量的情况下，冲击波峰值压力随着预充气体压力的增加而增大，工况3-2的最大峰值压力达到189.0 kPa。3种工况下的冲击波波形基本一致，证明在其他条件不变的情况下，改变预充高压气体压力不会影响冲击波的形态，只会改变冲击波的峰值压力。当600 ms时，工况3-2的冲击波压力最大，相应地，该工况的超压时长也会最大。同时发现，峰值到达时间与预充高压气体压力负相关，预充高压气体压力越大，峰值到达时间越长，冲击波传播速度越慢。可能是预充高压气体压力越高，容易在激波管内形成壅流，反而影响了冲击波传播速度，但超压持续时间增加。

3.5 泄压口长度对冲击波特性的影响

为探究不同泄压口长度对冲击波特性的影响，制定了如表7的试验方案。提取的压力时程曲线、峰值压力与峰值到达时间见图10和图11。可以看出，在装药量和预充高压气体一致的情况下，3种工况下的冲击波压力时程曲线也基本相同，峰值到达时间和峰值压力差别较大。随着泄压口长度的增大，冲击波的峰值压力逐渐降低，但峰值到达时间呈现先减小、后增大的趋势，证明冲击波的波速演化也呈相同规律。同时还发现，仿真时间为600 ms时的冲击波压力与峰值压力的顺序一致，证明超压时间与泄压口长度呈负相关，泄压口长度越大，超压时长越短。

4 结 论

采用大型激波管来实现长持时冲击波，运用试验和数值仿真相结合的方式，对不同装药位置、装药量、泄压口长度和预充高压气体压力产生的冲击波特性进行了研究，得出以下结论：

1）当装药位置为2个，装药量和泄压口长度不变时，峰值超压和超压时长随着预充高压气体压力增大而增大，峰值到达时间可能会增加，也可能缩短；当预充高压气体压力和泄压口长度一定，2处TNT装药量增幅不大时，峰值超压和峰值到达时间会降低，但超压时间增加。

2）当装药位置为1个且装药量一定时，超压时长和超压峰值压力随着预充高压气体压力的增加而增大，但冲击波的峰值到达时间却呈现相反规律，证明冲击波的传播速度与预充高压气体压力负相关。

3）当装药位置、装药量和预充高压气体压力一定时，冲击波的峰值压力随着试验段内的泄压口变小而增大，但峰值到达时间却呈现先减小、后增大的趋势，证明冲击波的传播速度与泄压口的长度存在最佳匹配参数。

研究了影响长持时冲击波特性的TNT装药量和预充高压气体压力，取得了基本认识，其他影响因素（激波管截面尺寸、多个装药位置）对冲击波特性的影响尚不明确，以及该激波管模型对防护工程的响应规律尚未研究，可作为下一步研究方向。

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