基于高壓氣體驅動的爆炸波模擬激波管沖擊波衰減歷程控制方法

摘要： 基于高壓氣體驅動的爆炸波模擬激波管，一般采用驅動段、喉部、膨脹段的結構形式，可產生特征與爆炸波接近的模擬沖擊波，是實驗室中開展長正壓作用時間爆炸毀傷效應研究的理想平臺。通過調整激波管的變截面結構和驅動段形狀，實現沖擊波超壓衰減歷程的控制，是此類爆炸波模擬激波管設計面臨的核心問題之一。基于實驗室現有的爆炸波模擬激波管結構，建立了激波管內一維流動數值計算模型；參考統計學理論，提出了基于決定系數的激波管模擬沖擊波與標準爆炸波相似度評價方法；進而以變截面激波管的流動特性為基礎，研究了驅動段形狀對沖擊波衰減歷程的影響機理。研究結果表明：采用距離喉部越遠、截面直徑越小的驅動段形狀，以決定系數為量化標準、優化驅動段形狀，控制稀疏波、壓縮波在激波管內的運動過程，可以獲得接近于爆炸波指數衰減特征的模擬沖擊波。

關鍵詞： 激波管；爆炸波模擬；沖擊波超壓；衰減歷程調控；相似度評估

中圖分類號： O383.3 國標學科代碼： 13035 文獻標志碼： A

高壓氣體驅動激波管可以產生正壓作用時間長、特征與強爆炸相符合的沖擊波，是實驗室內開展強爆炸沖擊波毀傷效應研究的理想實驗平臺，已經應用于武器裝備[1]、建筑結構[2]、生物等爆炸損傷[3] 的實驗研究。利用激波管產生沖擊波，再通過喉部和驅動段形狀等變截面結構調控沖擊波衰減歷程，是爆炸波模擬激波管物理設計、實驗設計的核心技術問題之一。

變截面激波管中沖擊波的早期研究以理想激波管流動理論[4] 為基礎，拓展到收縮、擴張截面對沖擊波陣面強度、波后氣流速度的影響，形成了比較經典的CCW 理論[5-8]，可用于變截面激波管中沖擊波強度變化的預估。沖擊波衰減歷程的調控方法主要有兩種。第一種是在驅動段中加入系列不同漏空率的帶孔板，通過帶孔板控制稀疏波的反射、透射過程，達到了延長沖擊波正壓作用時間、并將沖擊波由平臺狀調整為指數衰減形狀的目的[9]。但這種方法要求驅動段內的擋板數量可變、漏空面積可調、位置可變，工程實施的難度較大[10]。第二種方法是將激波管設計為變截面結構，首先在驅動段后增加喉部[11-12]，再將驅動段改為錐形、階梯形[13]，利用喉部和驅動段的形狀變化，控制沖擊波衰減歷程。基于變截面的沖擊波衰減歷程控制方法在爆炸波模擬激波管的建設中應用比較廣泛[14]，但相關的公開文獻中，大多只是簡要介紹了計算方法，較少涉及規律性認識和實驗結果，且幾乎沒有涉及激波管模擬沖擊波與真實爆炸波相似度的評價方法問題。

本文中，針對高壓氣體驅動爆炸波模擬激波管的沖擊波衰減歷程控制問題，通過分析激波管內一維流動特征，研究變截面結構對沖擊波衰減歷程的影響規律；構建激波管模擬沖擊波與標準爆炸波相似度的評價方法；設計變截面驅動段的激波管以產生衰減歷程符合指數特征的模擬沖擊波，并開展實驗加以驗證。