基于高压气体驱动的爆炸波模拟激波管冲击波衰减历程控制方法

摘要： 基于高压气体驱动的爆炸波模拟激波管，一般采用驱动段、喉部、膨胀段的结构形式，可产生特征与爆炸波接近的模拟冲击波，是实验室中开展长正压作用时间爆炸毁伤效应研究的理想平台。通过调整激波管的变截面结构和驱动段形状，实现冲击波超压衰减历程的控制，是此类爆炸波模拟激波管设计面临的核心问题之一。基于实验室现有的爆炸波模拟激波管结构，建立了激波管内一维流动数值计算模型；参考统计学理论，提出了基于决定系数的激波管模拟冲击波与标准爆炸波相似度评价方法；进而以变截面激波管的流动特性为基础，研究了驱动段形状对冲击波衰减历程的影响机理。研究结果表明：采用距离喉部越远、截面直径越小的驱动段形状，以决定系数为量化标准、优化驱动段形状，控制稀疏波、压缩波在激波管内的运动过程，可以获得接近于爆炸波指数衰减特征的模拟冲击波。

关键词： 激波管；爆炸波模拟；冲击波超压；衰减历程调控；相似度评估

中图分类号： O383.3 国标学科代码： 13035 文献标志码： A

高压气体驱动激波管可以产生正压作用时间长、特征与强爆炸相符合的冲击波，是实验室内开展强爆炸冲击波毁伤效应研究的理想实验平台，已经应用于武器装备[1]、建筑结构[2]、生物等爆炸损伤[3] 的实验研究。利用激波管产生冲击波，再通过喉部和驱动段形状等变截面结构调控冲击波衰减历程，是爆炸波模拟激波管物理设计、实验设计的核心技术问题之一。

变截面激波管中冲击波的早期研究以理想激波管流动理论[4] 为基础，拓展到收缩、扩张截面对冲击波阵面强度、波后气流速度的影响，形成了比较经典的CCW 理论[5-8]，可用于变截面激波管中冲击波强度变化的预估。冲击波衰减历程的调控方法主要有两种。第一种是在驱动段中加入系列不同漏空率的带孔板，通过带孔板控制稀疏波的反射、透射过程，达到了延长冲击波正压作用时间、并将冲击波由平台状调整为指数衰减形状的目的[9]。但这种方法要求驱动段内的挡板数量可变、漏空面积可调、位置可变，工程实施的难度较大[10]。第二种方法是将激波管设计为变截面结构，首先在驱动段后增加喉部[11-12]，再将驱动段改为锥形、阶梯形[13]，利用喉部和驱动段的形状变化，控制冲击波衰减历程。基于变截面的冲击波衰减历程控制方法在爆炸波模拟激波管的建设中应用比较广泛[14]，但相关的公开文献中，大多只是简要介绍了计算方法，较少涉及规律性认识和实验结果，且几乎没有涉及激波管模拟冲击波与真实爆炸波相似度的评价方法问题。

本文中，针对高压气体驱动爆炸波模拟激波管的冲击波衰减历程控制问题，通过分析激波管内一维流动特征，研究变截面结构对冲击波衰减历程的影响规律；构建激波管模拟冲击波与标准爆炸波相似度的评价方法；设计变截面驱动段的激波管以产生衰减历程符合指数特征的模拟冲击波，并开展实验加以验证。