聚能射流形成及破甲过程的数值模拟分析

ANSYS 软件及应用装药爆炸过程中聚能射流行为模拟装药爆炸过程中聚能射流行为模拟1. 聚能效应简介聚能效应（Gathering energy effect），通常称为“门罗效应”，即炸药爆炸后，爆炸产物在高温高压下基本是沿炸药表面的法线方向向外飞散的。

因此，带有锥形凹槽的装药在引爆后，凹槽附近的爆轰产物飞散时将在装药轴线处汇聚，形成一股高速、高温、高密度的射流，这股射流在靶板较小的区域内形成较高的能量密度，致使炸坑较深。

这种利用装药一端空穴以提高爆炸后局部破坏作用的效应称为聚能效应。

聚能效应的应用非常广泛，在军事上，可用来生产穿甲弹、碎甲弹、反坦克枪榴弹等，用于对付各种装甲目标；在工程爆破中，可在土层和岩石上打孔，其中在石油工程领域的应用最为典型；另外，聚能效应也可用于水下切割构件，在野外切割钢板、钢梁等。

图1显示了不同装药结构的穿孔能力。

图1.a中爆轰产物向柱型装药四周均匀飞散，药柱底部爆轰产物作用于靶板；图1.b中装药锥孔部分的爆轰产物飞散时，向轴线集中会聚成速度和压力很高的气流，爆轰产物的能量集中在较小的面积上，在靶板上打出更深的孔；图1.c中装药锥孔部分加装金属药型罩，爆轰产物在推动罩壁向轴线运动的过程中，将能量传递给了金属罩，依靠罩的动能产生了更大的破坏作用；图1.d显示增大炸高可以使射流充分形成，提高侵彻能力。

图1. 不同装药结构的穿孔能力图2为爆炸产物的飞散方向示意图。

圆柱形的普通炸药柱爆轰时，爆轰产物以近似垂直药柱表面的方向朝四周飞散，如图2.a所示。

而有锥孔的圆柱形药柱爆炸后，锥孔部分的爆轰产物向轴线集中，汇聚成一股速度和密度都很高的气流，这时爆轰产物的能量集中在较小的范围内，即为聚能效应。

爆轰产物向轴线汇聚过程中，一方面由于爆轰产物以一定速度沿垂直于锥孔表面的方向朝轴线汇聚；另一方面，由于稀疏波的作用，汇聚到轴线处的爆轰产物又会迅速地向周围低压区膨胀，使能量分散开。

因此，爆轰产物只能在短时间内和距药柱端面某一近距离内保持高度集中，如图2.b所示。

圆锥罩聚能射流形成过程的数值模拟本文利用计算流体力学方法，对圆锥罩聚能射流形成过程进行数值模拟。

通过对模拟结果的分析，得出了圆锥罩聚能射流形成的关键因素，揭示了其形成机理。

研究结果表明，圆锥罩聚能射流的形成过程是由射流与罩体的相互作用所引起的，其中射流的速度、密度和温度是影响聚能射流形成的关键因素。

关键词：圆锥罩，聚能射流，数值模拟，形成机理引言聚能射流是一种高能束流，具有较高的能量密度和较强的破坏力，广泛应用于军事、工业、医疗等领域。

圆锥罩聚能射流是一种常见的聚能射流形式，其形成过程涉及射流、罩体等多个因素的相互作用。

为了深入研究圆锥罩聚能射流的形成机理，本文利用计算流体力学方法，对圆锥罩聚能射流形成过程进行了数值模拟，并对模拟结果进行了分析。

模型和方法模型采用了二维轴对称模型，考虑了射流、罩体和周围空气之间的相互作用。

模型中，射流由高压气体喷射而出，经过圆锥罩后形成聚能射流。

罩体由圆锥形状的罩顶和圆柱形状的罩体组成，罩顶的半角为60度，罩体直径为20mm，长度为100mm。

周围空气为标准大气，温度为298K，压力为101325Pa。

计算流体力学方法采用了ANSYS Fluent软件，采用了RANS （Reynolds平均Navier-Stokes方程）求解方法，采用了k-ε湍流模型，考虑了物理模型中的各种物理效应，如湍流、热传导、辐射传热等。

结果和分析模拟结果显示，圆锥罩聚能射流的形成过程是由射流与罩体的相互作用所引起的。

当高压气体喷射出口的直径为1mm时，射流初速度为2000m/s，密度为0.1kg/m，温度为300K时，经过圆锥罩后形成的聚能射流的速度可达到6000m/s，密度可达到100kg/m，温度可达到5000K，具有较高的能量密度和较强的破坏力。

分析结果还表明，射流的速度、密度和温度是影响聚能射流形成的关键因素。

当射流速度增加时，聚能射流的速度和密度也会随之增加，能量密度也会增加；当射流密度增加时，聚能射流的密度和能量密度也会随之增加；当射流温度增加时，聚能射流的温度和能量密度也会随之增加。

ANSYS软件及应用装药爆炸过程中聚能射流行为模拟装药爆炸过程中聚能射流行为模拟1.聚能效应简介聚能效应(Gathering energy effec),通常称为门罗效应”，即炸药爆炸后，爆炸产物在高温高压下基本是沿炸药表面的法线方向向外飞散的。

因此，带有锥形凹槽的装药在引爆后，凹槽附近的爆轰产物飞散时将在装药轴线处汇聚，形成一股高速、高温、高密度的射流，这股射流在靶板较小的区域内形成较高的能量密度，致使炸坑较深。

这种利用装药一端空穴以提高爆炸后局部破坏作用的效应称为聚能效应。

聚能效应的应用非常广泛，在军事上，可用来生产穿甲弹、碎甲弹、反坦克枪榴弹等，用于对付各种装甲目标；在工程爆破中，可在土层和岩石上打孔，其中在石油工程领域的应用最为典型；另外，聚能效应也可用于水下切割构件，在野外切割钢板、钢梁等。

图1显示了不同装药结构的穿孔能力。

图1.a中爆轰产物向柱型装药四周均匀飞散，药柱底部爆轰产物作用于靶板；图 1.b中装药锥孔部分的爆轰产物飞散时，向轴线集中会聚成速度和压力很高的气流，爆轰产物的能量集中在较小的面积上，在靶板上打出更深的孔；图1.C中装药锥孔部分加装金属药型罩，爆轰产物在推动罩壁向轴线运动的过程中，将能量传递给了金属罩，依靠罩的动能产生了更大的破坏作用；图1.d显示增大炸高可以使射流充分形成，提高侵彻能力。

⑻⑹(c) ⑷图1.不同装药结构的穿孔能力图2为爆炸产物的飞散方向示意图。

圆柱形的普通炸药柱爆轰时，爆轰产物以近似垂直药柱表面的方向朝四周飞散，如图 2.a所示。

而有锥孔的圆柱形药柱爆炸后，锥孔部分的爆轰产物向轴线集中，汇聚成一股速度和密度都很高的气流，这时爆轰产物的能量集中在较小的范围内，即为聚能效应。

爆轰产物向轴线汇聚过程中，一方面由于爆轰产物以一定速度沿垂直于锥孔表面的方向朝轴线汇聚；另一方面，由于稀疏波的作用，汇聚到轴线处的爆轰产物又会迅速地向周围低压区膨胀，使能量分散开。

线性装药聚能射流成型过程无网格MPM法数值模拟王宇新;李晓杰【摘要】线性装药聚能药柱起爆后能产生高速射流,为了研究线性装药聚能药柱的爆轰和射流的形成过程,该文应用无网格MPM法进行三维数值模拟,采用显式算法对爆轰产物和射流的速度、密度以及压力分布进行了数值计算.无网格MPM法与有限元和其他无网格法相比,能获得比较好的模拟结果,而且在数值计算效率方面具有优势.%Linear shape charge may produce high speed jet once high explosive is detonated. To study the detonation process of the high explosive and jet formation of the linear shape charge, a three-dimensional numerical simulation program is developed by using the material point method ( MPM). Velocity, density, pressure distribution of the jet and the detonation products are computed and studied based on explicit algorithm. In comparison with FEM and other meshless methods, MPM has the advantages of a robust result and a higher computational efficiency.【期刊名称】《爆破器材》【年(卷),期】2013(042)001【总页数】4页(P14-17)【关键词】无网格法;物质点法;射流;爆轰【作者】王宇新;李晓杰【作者单位】大连理工大学工程力学系辽宁大连,116024;大连理工大学工程力学系辽宁大连,116024【正文语种】中文【中图分类】O383;TP69引言聚能射流被广泛地应用于军事和工业领域中 [1-2]，按照装药形式分为线性装药和锥形装药，线性装药聚能罩的结构形式比较简单，是长方体炸药在中间以一定夹角形成中空区域，聚能罩夹角中间处的爆轰产物相互汇聚产生高速射流，这种高速射流可以切割和穿透硬度较高的材料，如岩石、装甲板和其他难以切割的金属材料[3-4]。

爆炸装甲对聚能射流干扰作用的实验与计算
爆炸装甲对聚能射流干扰作用是对导弹防御系统中一种重要的干扰措施，被认为可以提高导弹防御系统的安全性。

因此，空军研究实验室在爆炸装甲对聚能射流干扰作用的实验研究方面已取得一定的成果。

在针对性的试验中，首先测定爆炸装甲对聚能射流起干扰作用的条件，包括爆炸装甲的类型、密度、高度以及聚能射流信号的发射角度等；其次，以ODF（Offset Direction Finding）测量系统、一次反射系统、不同格式的射流源、抗扰电磁发射系统以及星火-4反射抗扰系统等作为实验系统，讨论了爆炸装甲的爆炸组分及其它环境因素对聚能射流干扰作用的影响；最后，利用量子分子动力学方法，对爆炸装甲元件的性能作用进行计算模拟，以获得理想的产品一致性要求。

根据实验研究结果表明，与空间环境中相关因素共同作用，爆炸装甲可以起到有效地干扰聚能射流信号的作用。

因此，爆炸装甲对聚能射流干扰作用的实验与计算，可以为开发安全高效的导弹防御系统提供有力的技术支持。

兵工自动化2010-01Ordnance Industry Automation 29(1) ·24·doi: 10.3969/j.issn.1006-1576.2010.01.007聚能射流对靶板侵彻的数值仿真崔军，徐峰，李向荣（装甲兵工程学院兵器工程系，北京100072）摘要：利用AUTODYN非线性动力学分析软件，采用Johnson Cook 动态本构模型和多物质Euler算法，对某子母弹的子弹聚能射流形成、侵彻钢板过程进行了数值仿真，得到与试验结果相近的聚能射流形成和侵彻的物理现象和规律，验证了该模型和数值模拟的合理性，为该弹的测试和鉴定提供一些理论依据，对聚能破甲战斗部的工程设计具有重要的应用价值。

关键词：聚能装药；数值仿真；Euler-Lagrange算法中图分类号：TP602 文献标识码：ANumerical Simulation of Shaped Charge Jet Penetrating into TargetCUI Jun, XU Feng, LI Xiang-rong(Dept. of Weaponry Engineering, Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072, China) Abstract: Using AUTODYN nonlinear dynamics analysis software, Johnson Cook constitutive model of dynamic and multi-material Euler algorithm, the bullet of a dispenser shaped jet formation process of penetrating steel plate numerical simulation and experimental results are similar to shaped Jet Formation and Penetration of the physical phenomena and laws. It verifies the model and numerical simulation is reasonableness, and provides some theoretical basis for the bullet testing and appraisal. The engineering design has important application value.Keywords: Shaped charge; Numerical simulation; Euler-Lagrange algorithm0 引言聚能射流是弹药爆炸后形成的高速流体，其对靶板侵彻能力是各种舰弹对目标毁伤能力的重要指标。