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不同长径比柱形装药水下爆炸冲击波演化规律

振动与冲击 2022年第8期41卷 149-157,222页

作者：马腾王金相刘亮涛黄瑞源唐奎林尚剑顾阳晨南京理工大学瞬态物理国家重点实验室南京210094

为分析药柱形状对水下爆炸冲击波演化的影响。针对圆柱形装药中心起爆问题,在理论上建立了炸药与水交界面上初始冲击波压力及其传播方向的二维计算方法,借助于AUTODYN有限元计算程序开展了长径比1∶2~10∶1的圆柱形TNT在无限水域爆炸的... 详细信息

为分析药柱形状对水下爆炸冲击波演化的影响。针对圆柱形装药中心起爆问题,在理论上建立了炸药与水交界面上初始冲击波压力及其传播方向的二维计算方法,借助于AUTODYN有限元计算程序开展了长径比1∶2~10∶1的圆柱形TNT在无限水域爆炸的数值模拟,并开展了长径比为1∶1和2.6∶1的圆柱形TNT的水下爆炸试验;对比理论、仿真和试验结果,验证了理论模型的合理性和数值模拟的有效性,分析了柱形装药水下爆炸冲击波的传播规律,重点分析了药柱长径比对不同爆距处冲击波压力分布及传播方向的影响。结果表明:圆柱形装药水下爆炸后,冲击波波阵面逐渐从柱形趋向椭球型再趋向球型,当冲击波传播至10倍无量纲爆距时高压区的转移结束;当长径比大于1∶1时,炸药轴向(端面)的冲击波压力衰减速率大于径向(圆柱面)的衰减速率,冲击波峰值压力随着方向角的增大而单调增长;在1∶1~5∶1的长径比和20倍无量纲爆距范围内,增大药柱长径比可定向增强炸药径向的冲击波压力,药柱的形状对冲击波压力分布影响随着爆距增大而减小。

关键词：水下爆炸柱形装药长径比冲击波波阵面冲击波峰值压力冲击波压力分布

两种数值格式对电磁轨道炮速度趋肤效应的计算与分析

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高电压技术 2022年第6期48卷 2418-2424页

作者：周鹏飞栗保明南京理工大学瞬态物理国家重点实验室南京210094

为了高效计算轨道炮速度趋肤现象,使用有限差分显式与隐式两种数值格式对其进行了数值仿真。对速度为0、20、40和60 m/s的情况使用了显式求解法;对速度为0、400、800和1 200 m/s的情况使用了隐式求解法;并对两种算法在低速与高速下的仿... 详细信息

为了高效计算轨道炮速度趋肤现象,使用有限差分显式与隐式两种数值格式对其进行了数值仿真。对速度为0、20、40和60 m/s的情况使用了显式求解法;对速度为0、400、800和1 200 m/s的情况使用了隐式求解法;并对两种算法在低速与高速下的仿真结果进行了对比分析。结果表明:随着速度的增加趋肤现象逐渐加剧,在高速下磁扩散减弱,轨道内侧电流密度增大,x方向上电流密度梯度减小,将会均匀加剧整体轨道烧蚀;对比发现两种算法都可以在低速下得到较好的收敛,在高速下显式算法失稳,隐式算法收敛性不受速度影响,但空间步长较大时会导致数值振荡。

关键词：有限差分趋肤效应隐式显式电流密度磁扩散

不同物理性质无烟煤粉在乙烯/氧气氛围下爆轰波传播特性实验研究

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兵工学报 2024年第5期45卷 1663-1672页

作者：张锋罗永晨肖博文倪晓冬郑权翁春生续晗南京理工大学瞬态物理国家重点实验室江苏南京210094

粉末连续旋转爆轰发动机不仅具有爆轰循环热效率高的优势,还兼具粉末燃料体积热值高、流量可调等优点,然而发动机的工作特性会受到煤粉的物理性质影响。为了更好地研究不同物理性质煤粉对于爆轰波传播特性的影响,搭建一套定容燃烧弹,结... 详细信息

粉末连续旋转爆轰发动机不仅具有爆轰循环热效率高的优势,还兼具粉末燃料体积热值高、流量可调等优点,然而发动机的工作特性会受到煤粉的物理性质影响。为了更好地研究不同物理性质煤粉对于爆轰波传播特性的影响,搭建一套定容燃烧弹,结合高能点火系统,在初始压力p 0=100 kPa下,研究多孔状5μm、多孔状40μm及片状5μm共3种无烟煤粉在不同当量比(0.7、1.0、1.3、1.5)下的爆轰波传播特性。研究结果表明:多孔状5μm无烟煤随着当量比的增加,爆轰波速度及压力持续增加,当量比为1.5时具有最大爆轰波传播速度及压力;多孔状40μm煤粉在0.7~1.3当量比下随当量比的增大,爆轰波速度持续增加,而后在当量比为1.5时由于过量的煤粉导致速度开始降低,但爆轰压力随着当量比的增加而增加;5μm多孔状煤粉爆轰波速度在相同当量比下优于40μm煤粉;片状5μm煤粉爆轰特性最差,在高当量比时会抑制爆轰。

关键词：粉末连续旋转爆轰发动机爆轰煤粉直接起爆传播特性气-固两相爆轰

旋转反压与离心式压气机叶片相互作用数值模拟研究

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推进技术 2023年第11期44卷 87-98页

作者：夏益青武郁文翁春生李群聂嘉仪南京理工大学瞬态物理国家重点实验室江苏南京210094

由于旋转爆轰燃烧室具有自增压、热效率高的特点,将航空涡轮发动机的燃烧室替换为旋转爆轰燃烧室可进一步提高发动机性能。本文基于非稳态雷诺时均Navier-Stokes方法,采用k-ε湍流模型,针对旋转反压与离心式压气机叶片的相互作用开展三... 详细信息

由于旋转爆轰燃烧室具有自增压、热效率高的特点,将航空涡轮发动机的燃烧室替换为旋转爆轰燃烧室可进一步提高发动机性能。本文基于非稳态雷诺时均Navier-Stokes方法,采用k-ε湍流模型,针对旋转反压与离心式压气机叶片的相互作用开展三维数值模拟,研究旋转反压形成的前传压力波与扩压器及叶轮叶片的相互作用,分析旋转反压传播方向对前传压力波运动过程的影响。结果表明:旋转反压会在压气机内形成前传压力波,其与扩压器和叶轮的叶片相互作用,形成复杂的波系结构。当旋转反压传播方向与叶轮旋转方向相反时,前传压力波的压力峰值在扩压器内先下降后上升,在进入叶轮通道后迅速下降,无法到达叶轮入口。当旋转反压传播方向与叶轮旋转方向一致时,压力波波形发生明显变化,其与扩压器叶片相互碰撞导致强度明显下降,向上游传播距离更短。

关键词：旋转爆轰燃烧室离心式压气机旋转反压压气机流场复杂波系

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航行体水下高膛压与高速发射载荷特性

兵工学报 2023年第4期44卷 1126-1138页

作者：刘越赵子杰戴琪王安华张辉南京理工大学瞬态物理国家重点实验室江苏南京210094

水下高膛压高速发射航行体后形成的多相流场复杂多变,产生的载荷影响尚未明确。针对某小口径水下航行体高膛压、高初速冷发射过程,开展发射载荷特性研究,分析航行体发射过程中内弹道阶段、溢出燃气与水相互作用阶段、水锤效应阶段的流... 详细信息

水下高膛压高速发射航行体后形成的多相流场复杂多变,产生的载荷影响尚未明确。针对某小口径水下航行体高膛压、高初速冷发射过程,开展发射载荷特性研究,分析航行体发射过程中内弹道阶段、溢出燃气与水相互作用阶段、水锤效应阶段的流场特性与力学特点。基于多相流模型和动网格方法,建立航行体水下高速冷发射过程数值模型,进行气-汽-液多组分数值仿真,对不同时期发射筒的载荷特性及其成因进行分析。研究结果表明:水下航行体高速发射载荷主要来源于内弹道过程与水锤效应,航行体出膛后筒内燃气溢出造成的低压区产生载荷较小;与低膛压、低初速发射工况不同,高膛压发射工况下筒内气体高速大量溢出,水锤效应压力峰值的幅度衰减明显。

关键词：水下航行体水下发射载荷特性高膛压水锤效应

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硅原子层刻蚀流程的速率优化

物理学报 2023年第21期72卷 274-286页

作者：白胜波陈志华张焕好陈高捷曹世程张升博南京理工大学瞬态物理重点实验室南京210094

随着半导体器件的关键尺寸缩减至纳米尺度,原子层刻蚀成为实现单原子分辨率的重要技术.由于原子层刻蚀通过解耦钝化与刻蚀两个自限性反应流程来实现对刻蚀材料的单层去除,存在刻蚀速率低的问题.基于此,本文通过耦合感性耦合等离子体放... 详细信息

随着半导体器件的关键尺寸缩减至纳米尺度,原子层刻蚀成为实现单原子分辨率的重要技术.由于原子层刻蚀通过解耦钝化与刻蚀两个自限性反应流程来实现对刻蚀材料的单层去除,存在刻蚀速率低的问题.基于此,本文通过耦合感性耦合等离子体放电腔室模型、鞘层模型和刻蚀槽模型,研究了在Ar/Cl2气体和Ar感性耦合等离子体放电条件下,硅的单次原子层刻蚀流程的最优时间,并与传统固定时间的原子层刻蚀沟槽进行了对比,还研究了不同深宽比下原子层刻蚀循环的时间变化规律.结果表明,当钝化过程为表面SiCl2的比例最高时,单次原子层刻蚀循环的时间最短,且表面质量较好,多原子层刻蚀循环的刻蚀效率有较大提升;此外,随着深宽比的增加,原子层刻蚀中的钝化和刻蚀时间随之增加,理想条件下呈线性关系.

关键词：原子层刻蚀钝化和刻蚀时间钝化物组分深宽比

尾部形状对超空泡射弹尾拍运动影响的数值研究

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兵工学报 2023年第10期44卷 2984-2994页

作者：刘如石郭则庆张辉南京理工大学瞬态物理国家重点实验室江苏南京210094

尾拍运动是超空泡射弹保持水中稳定运动的主要方式。为研究尾部形状对超空泡射弹尾拍运动特性的影响,基于有限体积法和Mixture多相流模型,结合动网格技术构建三维自由尾拍运动仿真模型,比较圆柱弹、尾锥弹、尾翼弹和尾裙弹的尾拍运动特... 详细信息

尾拍运动是超空泡射弹保持水中稳定运动的主要方式。为研究尾部形状对超空泡射弹尾拍运动特性的影响,基于有限体积法和Mixture多相流模型,结合动网格技术构建三维自由尾拍运动仿真模型,比较圆柱弹、尾锥弹、尾翼弹和尾裙弹的尾拍运动特性,分析了在不同初始扰动角速度情况下射弹的固有运动状态特性。研究结果表明:射弹尾拍时,尾部形状会影响尾部沾湿面和尾部沾湿产生的空泡,尾部沾湿表面面积越大或沾湿表面与射弹航行速度方向夹角越大,同攻角下射弹所受的力矩越大,尾拍频率越高,速度衰减越快,在不失稳的情况下,射弹的速度衰减快慢为尾裙弹>圆柱弹>尾锥弹>尾翼弹;4种射弹都存在与射弹的几何形状有关,而与初始扰动角速度无关的固有尾拍运动状态,此状态下射弹尾拍角速度振荡峰值随速度的衰减正比例减小。

关键词：超空泡射弹尾拍运动数值模拟尾部结构多相流

喷管对水下爆轰气泡形态和压力特征影响的实验研究

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爆炸与冲击 2023年第3期43卷 38-47页

作者：李程黄孝龙李宁刘威翁春生南京理工大学瞬态物理国家重点实验室江苏南京210094

针对具有不同类型喷管的爆轰管在水下爆轰中形成的燃气射流问题,搭建了爆轰实验平台,研究了单次爆轰过程中尾部喷管对水下气泡形态与压力特征的影响。采用数字粒子图像测速技术对高速摄影机拍摄得到的气泡脉动图片进行流场可视化分析,... 详细信息

针对具有不同类型喷管的爆轰管在水下爆轰中形成的燃气射流问题,搭建了爆轰实验平台,研究了单次爆轰过程中尾部喷管对水下气泡形态与压力特征的影响。采用数字粒子图像测速技术对高速摄影机拍摄得到的气泡脉动图片进行流场可视化分析,得到各喷管工况下的气泡速度场。为了确认爆轰管内是否形成稳定爆轰波,并观察爆轰波在气液两相界面上的透反射特性,爆轰管尾部安装有2个动态压力传感器,同时在距离喷管一定距离处设置一个水下爆炸传感器,以监测水中传播的压力波。结果表明:扩张喷管工况下的气泡脉动过程与直喷管工况基本一致,但扩张喷管提高了燃气射流速度,气泡膨胀体积更大;因为燃气射流的持续性,收敛喷管工况下的气泡脉动过程具有明显差异,气泡膨胀体积较小,但气泡二次脉动时长相较于一次脉动时长衰减更小;扩张喷管提高了气泡脉动强度,扩张喷管工况下的气泡脉动压力与透射冲击波压力远大于直喷管工况下的气泡脉动压力与透射冲击波压力;收敛喷管工况下的气泡脉动压力与透射冲击波压力都较小,但收敛喷管燃气射流的持续性减缓了气泡脉动压力的衰减速度。相比于直喷管,扩张喷管工况下的气泡脉动时间、气泡脉动压力与透射冲击波压力都更大。收敛喷管工况下的气泡脉动持续时间较短,并且收敛喷管对透射冲击波压力和气泡脉动压力均具有明显的抑制作用。

关键词：喷管水下爆轰气泡脉动气泡形态水下压力

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水下声波异常透射水-空气界面特性

兵工学报 2023年第4期44卷 1148-1157页

作者：强伟李宁黄孝龙康杨李灿翁春生南京理工大学瞬态物理国家重点实验室江苏南京210094

为探究水下声波关于水-空气界面的异常透射特性,开展了非均匀波作用下水下声波异常声透射理论与实验研究。分别针对实验室理想环境和千岛湖开阔水域真实应用环境搭建水下声波透射实验系统,获取非均匀波作用下水下声波透射水-空气界面的... 详细信息

为探究水下声波关于水-空气界面的异常透射特性,开展了非均匀波作用下水下声波异常声透射理论与实验研究。分别针对实验室理想环境和千岛湖开阔水域真实应用环境搭建水下声波透射实验系统,获取非均匀波作用下水下声波透射水-空气界面的变化规律和影响因素,深入分析了非均匀波作用机理。研究结果表明:当声源深度和水下声波波数乘积小于1时,非均匀波的作用不可忽略,透射系数较大;非均匀波与均匀波能量占比接近时,透射系数随声波频率增大出现波动减小,随声源深度增加平滑减小;水下声波透射入空气时的辐射角范围受非均匀波作用影响较大,随着非均匀波作用的增强,辐射角度范围逐渐增大;研究结果为水下声波异常透射技术在实际环境中的应用奠定基础,对声信号跨介质传递研究提供数据支撑。

关键词：水下声波异常声透射声源深度声波频率