Page 37 - 《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

氦 气 、 氮 气 和 氩 气 ， 模 拟 爆 轰 产 生 冲 击 波 的 变 0.8
化，结果如图 10 所示。 N 2
Ar
可知，掺混氦气可以提高爆轰产生冲击波 0.6 He
Unmixed
的峰值压力与波速，而掺混氮气和氩气时冲击波
峰值压力均降低，冲击波传播速度下降。这是由 Pressure/MPa 0.4
于不同摩尔质量低反应活性气体稀释剂的掺混
对爆轰产生冲击波特征参数的影响不同。氢氧 0.2
爆轰的主要产物为水蒸气，相比于水蒸气，氦气
作为摩尔质量较轻的气体，包含氦气的产物气体
0
可以将爆轰产生的能量更好地转化为动能，因此 60 70 80 90 100 110 120 130
Time/ms
对冲击波特征参数有较大促进作用。而氮气和
氩气由于摩尔质量大于水蒸气，被驱动时消耗更 图 10 不同低反应活性气体掺混条件下观测点处
的冲击波压力-时间曲线（工况 3）
多能量，使得峰值压力、冲击波波速等参数下降。
Fig. 10 Pressure-time histories of shock waves at observation
然而，摩尔质量并非不同低反应活性气体
point under different inert gas mixing conditions (condition 3)
稀释剂掺混影响的决定性因素。图 10 中，虽然

氮气摩尔质量低于氩气，但是氮气掺混导致爆轰 0.8
产 生 冲 击 波 的 峰 值 压 力 和 波 速 均 低 于 掺 混 氩 φ=0%
φ=25%
气。由于在 300～2 000 K 的温度范围内，氮气的 φ=50%
0.6 φ=70%
比热容均高于氩气的，吸收爆轰反应的放热较
多，因此爆轰产生的冲击波峰值超压和波速降低
更显著。 Pressure/MPa 0.4

2.1.4 低反应活性气体掺混量的影响
0.2
不同低反应活性气体的掺混可以对爆轰产
生冲击波进行有效调控，而掺混量的改变同样对
冲击波参数产生影响。选取表 1 中的工况 4，模 0 60 70 80 90 100 110 120 130
拟 不 同 氮 气 掺 混 量 （ 体 积 分 数 为 0 % 、 2 5 % 、 Time/ms
50%、70%）对爆轰产生冲击波的影响，模拟结果 图 11 不同氮气掺混量条件下观测点处的
如图 11 所示。模拟结果显示，随着氮气掺混量 冲击波压力-时间曲线（工况 4）
的不断增加，爆轰产生冲击波特征参数也随之规 Fig. 11 Pressure-time histories of shock waves at observation
point with different nitrogen amounts (condition 4)
律性变化。氮气掺混量的增加使冲击波峰值压
力降低。同时，随掺混量的增加，冲击波的传播速度降低。另外，氮气掺混体积的增加也使冲击波正压
作用时间延长。因此，调整驱动气体氮气掺混量是调控爆轰冲击波峰值压力、冲击波波速和正压作用时
间等参数的有效手段。

2.2 大型激波管几何构型
大型激波管的多样化冲击波加载可以采用多驱动管组成的驱动段实现，可以通过改变驱动管数量
和驱动管长度等实现灵活加载。而不同几何构型对于冲击波特征参数的影响也各不相同，通过改变驱
动管管长以及变截面出口开口角度，研究其对爆轰冲击波特征参数的影响。

2.2.1 驱动管管长的影响
由于驱动管初始压力、温度不变，驱动管的长度决定氢氧混合气体量。选取表 1 中的工况 5，分别
设置长 9～30 m 的驱动管进行模拟。提取观测点处的压力-时间曲线，结果如图 12 所示。模拟结果显
示，驱动管长对于爆轰冲击波特征参数的影响较复杂。冲击波峰值压力与驱动管长度线性相关，如图 13
所示。计算监测点处峰值压力随驱动管长增大的变化幅度。在驱动管长 9～30 m 的变化范围内，峰值压

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