Page 173 - 《爆炸与冲击》2026年第01期

第 46 卷 伍俊英，等： 金属桥箔电爆炸驱动飞片过程流场瞬态观测与数值模拟 第 1 期

脉冲电源的电容为 0.33 μF，爆发电压设置为 2 800 V。由于金属桥箔的尺寸比加速膛的尺寸小，在电爆炸
初期，当金属桥箔达到相变温度后，会相变产生等离子体，随着高温高压等离子体的逐步生成和电能的
持续加载，作用于飞片的流场压力越来越大，剪切聚酰亚胺薄膜形成飞片并驱动飞片高速运动，且飞片
运动过程中的加速度不断升高。随着飞片的向前运动，等离子体会迅速膨胀到加速膛内，等离子的膨胀
会降低流场的压力，当飞片运动达到一定距离后，尽管电能还在持续加载，但等离子体的迅速膨胀仍然
导致飞片后方流场压力不断降低，使得飞片运动过程中的加速度逐渐降低。
图 3 给出了实验中双曝光相机拍摄到的纹影照片。纹影照片反映了流场的密度分布，区域密度越
大，该区域在纹影图像中就越黑。由图 3 可知，在 0.529 μs 时，飞片和等离子体已经从加速膛膛口喷出，
形成一个半球形黑影，此时飞片和等离子体还未分离，因此无法清晰分辨出飞片。等离子体的温度、压
力和密度很高，迅速膨胀扩散，从而压缩周围空气产生冲击波，由于冲击波波阵面处的密度比较高，在纹
影图像中呈现黑色。同时，在冲击波传播过程中，已传播区域的压力与密度会逐渐降低，产生反向的稀
疏波，在此作用下，被冲击波包围区域的空气介质密度均比较低，在纹影图像中比较明亮。在 0.700 μs
时，冲击波波阵面已经与等离子体分开，在冲击波波阵面与等离子体之间是受到扰动的空气，密度相比
其他区域较低。在 0.869 μs 时，飞片已经与等离子体分离，可以清晰地看到飞片。随着冲击波速度的不
断衰减以及飞片的持续加速，飞片与冲击波波阵面的距离越来越小，在 1.379 μs 时，飞片基本到达冲击波
波阵面。到 1.991 μs 时，冲击波波阵面被破坏，飞片已经飞出冲击波波阵面。

0.869 μs
0.700 μs
0.529 μs 0.700 μs Shock wave 0.869 μs
0.529 μs
Plasma Flyer
Flyer

1.991 μs
1.379 μs 1.991 μs
1.379 μs

Flyer
Flyer

图 3 不同时刻流场的纹影照片
Fig. 3 Schlieren photographs of the flow field at different moments

2 数值模拟

2.1 计算模型
金属桥箔电爆炸驱动飞片运动的整个过程，涉及桥箔的相变、高温高压等离子体的膨胀以及飞片的
高速运动等多个复杂环节。由于当前的数值模拟技术难以完全复现这一实际物理过程，因此在确保数
值模拟准确性的前提下，对金属桥箔电爆炸驱动飞片运动的过程进行了如下合理简化 [11] ：
（1）认为金属桥箔在脉冲大电流的作用下能够均匀地吸收电能，并且直接从固相转变为等离子体相；
（2）鉴于金属桥箔在相变为等离子体时，难以考虑多级电离且一级电离所占比重较大，因此，仅考虑
金属桥箔的一级电离现象，同时，为描述等离子体的状态，认为桥箔电爆炸产生的等离子体达到了局部
热力学平衡状态；
（3）忽略飞片在流场作用下可能出现的形变，将飞片视为刚体。
在上述简化的基础上，构建了金属桥箔电爆炸驱动飞片运动过程的二维轴对称流体动力学计算模
型（见图 4）。计算模型包含了空气域、加速膛、飞片以及金属桥箔，其中空气域的外围边界被设置为压

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