Page 174 - 《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

力出口。计算中，金属桥箔在电能作用下发生相 y
变，产生高温高压等离子体迅速膨胀，进而驱动 Pressure
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飞片在加速膛内不断加速运动。当飞片离开加 Flyer
速膛后，在飞片的冲击压缩作用以及高温高压等 Foil bridge
离子体膨胀等因素的共同影响下，空气域中会形 Acceleration chamber
O x
成冲击波。计算模型中，x 方向被称为轴向，y 方 Axis
向被称为径向。桥箔、飞片和加速膛的材料及 图 4 电爆炸驱动飞片的计算模型示意图
其尺寸均与实验条件保持一致。空气域在 x 方 Fig. 4 Computational model schematic for flyer driven
向上的尺寸为 10 mm，在 y 方向上的尺寸为 8 mm。 by electric explosion
3
计算域的初始温度设置为 300 K，初始压力设置为 101 325 Pa，空气的初始密度设置为 1.225 kg/m 。计算
涉及到的相关材料物性参数如表 1 所示 [12-14] 。

表 1 相关材料物性参数
Table 1 Physical properties of related materials
材料 密度/（kg∙m ） 热导率/（W∙m ∙K ） 热容/（J∙kg ∙K ） 汽化热/（J∙kg ） 汽化温度/K 剪切模量/GPa
−1
−1
−1
−1
−1
−3
铜 8 960 380.1 420 4.8×10 6 2 836 －
空气 1.225 0.024 2 1 006.43 － － －
聚酰亚胺 1 420 0.4 1 090 － － 1.04
2.2 计算方法
2.2.1 桥箔相变计算
采用 Mixture 多相流模型描述桥箔相变等离子体和空气在流动过程中的相互作用和流动特性，采用
相变体积分数法来描述桥箔发生相变时固相与等离子体相的空间分布规律 [15-16] ，当金属桥箔在脉冲大电
流作用下达到相变温度时，固相会逐渐相变为等离子体相，固相体积分数逐渐从 1 变为 0，等离子体相体
积分数逐渐从 0 变为 1。
2.2.2 等离子体状态的描述
桥箔发生电爆炸产生的等离子体中包含大量带电粒子，等离子体的压力和内能会受到粒子数目变
化以及粒子间库伦作用的影响，因此需要建立等离子体状态方程 [17-19] 来描述等离子体的状态，等离子体
的内能与压强满足如下热力学关系式：
Å ã
∂ F
E = F +TS = −T 2 (1)
∂T T V,N
Å ã
∂F
p = − (2)
∂V T,N
® ñ ô ´ ® ñ ô ´
Å ã 3/2 Å ã 3/ 2
∑ V 2πm i k B T V 2πm e k B T
F = F N + F e = − N i k B T ln +1 − N e k B T ln +1 (3)
h 2 h 2
N i N e
i
式中：E 为内能，p 为压强，F 为 Helmholtz 自由能，T 为温度，S 为熵，V 为比容，N 为粒子数目， F 、F 分别
e
N
为原子及各级离子、电子的自由能，m 、m 分别为离子、电子质量，k 、h 分别为玻尔兹曼常数和普朗克
e
B
i
常数，N 、N 分别为单位质量的离子数和电子数。其中，N 的表达式如下：
e
e
i
(4)
N e = αN 0
式中：α 为电离度，N 为单位质量的总原子数。
0
等离子体的熵、焓以及比热容满足热力学表达式：
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