Page 32 - 《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

基于上述研究背景，本文中开展数值模拟研究大型激波管氢氧爆轰驱动方式下多种因素对形成冲
击波特征参数的影响。基于计算流体力学 ANSYS Fluent 软件，采用有限体积法求解二维非定常黏性可
压缩流体控制方程，并利用已有实验数据验证数值方法的精度和可靠性。分析氢氧爆轰驱动方式下驱
动气体的初始条件和激波管的几何构型等因素对形成冲击波特征参数的影响以及定性和定量的冲击波
特征参数的变化。根据多因素的影响规律，模拟利用大型激波管复现炸药爆炸产生的冲击波波形特征，
以期得到拟合度较高的复现结果。

1 数值模拟

1.1 数值方法与模型构建
基于 ANSYS Fluent 软件，将大型激波管简化为二维轴对称模型。采用有限体积法，时间、空间离散
精度均为二阶，利用含有化学反应的二维非定常黏性可压缩流体控制方程描述驱动管内氢氧爆轰冲击
波的形成和传播。选取重整化群（renormalization group, RNG） k-ε 湍流模型，其化学反应动力学模型采用
七步氢氧化学反应简化机理模型。由于本文中主要关注远场冲击波的作用效果，且模型尺度较大，湍流
对远场冲击波作用的影响较小，因此，选取有限速率组分输运模型耦合湍流与化学反应的相互作用，对
不同初始条件下氢氧爆轰驱动产生的冲击波及其传播过程中激波管内的流场进行数值模拟。
构建的大型激波管模型如图 2(a) 所示，由驱动管、激波整形段和变截面出口（变截面出口开口角度
为 θ）构成，其中驱动管的结构受文献 [23] 的启发。为了降低模型的复杂度和减少计算量，只对单管驱动
产生的冲击波开展数值模拟。激波管驱动管长 9.0～30.0 m，管径为 1.0 m，驱动管通过喷管与激波整形
段相连接。激波整形段长 60.0 m，直径为 6.0 m，变截面出口长 10.0 m，出口设置 50.0 m×50.0 m 的空气
域，将激波管壁面设置为绝热刚性壁面，空气域四周设置压力出口以模拟开阔空间。根据气相爆轰直接
起爆理论 [24] ，以高能量源作为起爆能量源时，爆轰瞬间形成且没有经历火焰加速的预爆轰阶段。因此，
在驱动管前段设置强点火区模拟点火器装置，点火区为半径 0.1 m 的圆形区域，点火温度设置为 3 000 K，
压力设置为 10 MPa。驱动管与激波整形段由拉瓦尔喷管进行连接，爆轰产生冲击波由拉瓦尔喷管加速
后在整形段自整形为平面波，再经过变截面出口进行波形调节，最终作用于目标位置。在距变截面出口
8.0 m 处设置观测点，并提取冲击波加载压力数据。对模型进行二维非结构化网格划分，由于化学反应
集中发生在驱动管内，因此采用驱动部分局部加密计算网格，驱动部分网格平均尺寸为 10 mm×10 mm，

Laval nozzle
Wall
Diaphragm 1.0 m 6.0 m Pressure outlet
1.0 m
Ignition area
1.0 m 0.5 m 2.5 m

Wall θ
6.0 m Monitor Air 30.0 m
Driving tube
Shaping section 8.0 m
10.0−30.0 m 60.0 m 10.0 m

30.0 m
(a) A two-dimensional large-scale shock tube model

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