Page 31 - 《爆炸与冲击》2025年第9期

第 45 卷 郭 丁，等： 基于大型激波管氢氧爆轰驱动方式产生冲击波波形调控的数值模拟 第 9 期

Therefore, the finite rate component transport model was selected to couple the interaction between turbulence and chemical
reaction, and a two-dimensional transient coupled solver was used. Based on the numerical results, the influence of initial
physical conditions of the driving gas, inert gas mixing, and the shock tube configurations on the formation of shock wave
waveforms by detonation was studied. The variation laws of shock wave characteristic parameters under various factors were
summarized. Finally, using the experimental data of black powder explosion shock waves as the target, the process of shock
wave waveform regulation in the large shock tube was simulated according to the shock wave variation laws. The results show
that under the combined effect of multiple factors, it is possible to simulate and reproduce the specific explosion shock wave
using the hydrogen-oxygen detonation driving method in the large shock tube.
Keywords: large-scale shock tube; renormalization group k-ε model; shock wave physics; shock wave reproduction

炸药爆炸伴随化学反应产生大量高温高压气体，这些高温高压气体会以极高的速度向外扩散，并强
烈压缩四周空气介质，形成使介质压力、温度等物理参数突增的冲击波。炸药爆炸形成冲击波的传播速
度范围在 1～9 km/s，根据炸药种类和装药量，能量释放可达到数十万甚至数百万焦耳。而在爆炸波形成
的同时，在分界面处产生与冲击波反向的稀疏波使得冲击波后的爆炸产物压力迅速下降，当冲击波后压
力下降至介质初始压力时，由于爆炸产物运动的惯性作用，波后区域的压力会继续下降，产生低于环境
[1]
压力的负压区域 。理想状态下，爆炸波在空气中传播的压力波形变化曲线如图 1 所示，p 为环境压力，
0
t 为观测点处压力突增的时刻，Δp 为压力突增的峰值，t 为压力衰减至环境压力的时刻。一般选用冲击
2
1
波峰值超压（Δp）、正压作用时间（t ）和正压区冲量（I）等 3 个参数表征冲击波特征 [1-3] 。20 世纪 50 年代
+
以来，众多学者对空气中爆炸产生冲击波的传播方式及冲击波特征进行了研究。首先，研究集中于爆炸
冲击波波形特征参数经验公式的总结。Sadovskii [4] 最早在 1952 年给出了爆炸波峰值超压拟合公式。
[7]
Brode [5-6] 则基于高能炸药爆炸提出了冲击波峰值超压拟合公式。Henrych 基于大量实验研究提出了空
气中爆炸波正压作用时间经验公式。Mills [8] 则提出了另一种爆炸冲击波峰值超压表达式。除此之外，

中国学者也针对炸药爆炸产生冲击波特征参数 p
的表征开展了诸多研究 [9-11] 。随着实验和检测手
段的进步与更新，外场实验成为炸药冲击波研究
的主要手段。Wu 等 [12] 研究了炸药置于地面的 Δp I
起爆现象。仲倩等 [13] 开展了 TNT 空中爆炸冲击
波特征参数的实验研究，并依据实验结果提出了 p 0 t 1 t + t 2 t
优化计算公式。张军等 [14] 研究了炸药驱动式爆
图 1 爆炸冲击波传播压力-时间变化曲线
炸管的载荷计算方法。
Fig. 1 Pressure-time history of an explosion shock wave
激波管是研究高温高压工况下物理问题的常
用实验设备，诸多学者已经开展了激波管内冲击波波形的相关研究，但尺度多限于小型激波管 [15-17] 。然而，
针对武器装备、防护结构等大型标的的抗爆性能实验，由于尺寸效应的存在，只能建立大尺度的爆炸冲击
模拟装置才能得到可重复性强、可靠性高的实验数据。大型激波管设备的建立 [18] 为研究大尺度的冲击波
力学效应提供了低成本、高效率的实验平台。此类设备结构简单、运行稳定可靠、参数变化灵活、重复性
好，能满足多种冲击加载实验的需要。大型激波管进行冲击加载实验时，产生冲击波的常见驱动方式有 3 种：
高压气体驱动、氢氧爆轰驱动和炸药驱动。谷笳华等 [19] 针对激波管的不同驱动方式进行了对比，发现：
高压气体驱动方式不能达到较高峰值超压的实验需求，且实验所需时间成本较高，而炸药驱动方式能够
达到较高的峰值超压需求，但实验重复性较差，驱动产生冲击波波形品质较低；相比之下，氢氧爆轰驱动
因其满足提供高品质冲击波加载的同时，又具有较好的可重复性和较低的实验成本，成为模拟爆炸冲击
波加载的理想驱动方式。俞鸿儒等 [20-22] 于 20 世纪 80 年代开始进行爆炸波模拟研究，提出了利用氢氧爆
轰进行爆炸波模拟的关键思路，并基于大型激波风洞开展了大量实验研究，论证了利用大型激波管氢氧
爆轰驱动复现爆炸波的可行性。但目前仍然缺乏利用大型激波管直接模拟炸药爆炸冲击波形的研究。

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