影响激波管动态压力校准精度的关键问题研究

摘要

动态压力校准技术是保证动态压力测试精度的关键，激波管校准装置在动态压力校准技术中使用最为普遍，世界上许多国家都推荐使用激波管装置进行动态压力校准。因此，对提高激波管装置校准精度的研究具有意义。本文针对影响激波管动态压力校准精度的几项关键问题展开研究，主要采用理论分析、试验验证以及数值仿真分析三种手段进行。主要工作和结论如下：
　　介绍了激波管动态压力校准技术及由此获得压力传感器动态特性的方法。随后介绍了计算动态压力信号幅值的经典Rankine-Hugoniot超压公式的推导过程，对三种导致压力幅值计算产生误差的因素进行了分析，分别是介质比热比K值变化、激波传播的沿程能量损失以及激波后介质的气体状态方程非理想，并得出激波后气体的不理想状态导致的误差最大。选取符合实际情况，包含空气含湿量参数的维里方程计算实际气体状态的压缩因子，将压缩因子代入修正后的超压计算公式，经修正公式计算得到的激波超压值更加接近激波管试验的实测值。试验结果说明计及实际气体状态的超压计算方法是一种有效的尝试。
　　针对激波管的一些关键流场问题，利用有限元方法进行数值模拟研究。以常用的流体力学有限元软件 FLUENT作为平台，对管截面形状、破膜开口尺寸、激波沿程衰减和传感器安装不平整几个问题进行仿真研究。管截面形状问题仿真结果为激波管的设计制造提供了参考依据，破膜开口尺寸与激波沿程衰减问题的仿真结果对于激波管试验方案的设置有一定的参考意义，传感器安装不平整问题的仿真结果则对试验数据的处理分析提供了帮助，有助于分析异常数据的情况及可能产生的原因。这些关键流场问题的仿真都具有实际意义。
　　针对在激波管试验或实际爆炸场冲击波测试中产生的应力波干扰，利用分离式霍普金森压杆（SHPB）装置对压力传感器的应力波效应进行了试验研究。试验中将压力传感器侧向安装于透射杆之上，用落锤方式加载，使产生的应力波能侧向输入压力传感器。当落锤释放角度增大后，输入应力幅值和压力传感器输出信号同时增大，而二者比值传递率也增加，试验中最大输出值超过传感器满量程的10％，对传感器危害很大。利用尼龙和有机玻璃两种高聚物材料设计制造了应力波隔离座，并进行了试验，试验结果表明尼龙材料的隔离座能够有效隔离应力波造成的干扰，使传感器输出信号幅值、应力输入信号幅值及传递率都显著减小，这对于实际测试中应力隔离方案有参考价值。利用高聚物材料的本构模型进行了数学仿真计算，在对模型输入应力波信号后观察输出信号，输出信号与实测信号相似，同时结果对选择隔离材料提供了参考依据。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 压力动态校准技术概述

1.2 国内外研究现状与发展趋势

1.3 本文的工作及章节安排

第二章 激波管动态压力校准技术

2.1 冲击波形成机理

2.2 激波管动态校准技术

2.3 本章小结

第三章 激波管Rankine-Hugoniot超压计算公式误差分析

3.1 Rankine-Hugoniot公式的推导

3.2 实际气体状态方程

3.3 计及实际气体状态影响的超压计算方法及试验验证

3.4 本章小结

第四章 激波管流场中关键问题数值模拟研究

4.1 引言

4.2 不同截面形状激波管的流场仿真

4.3 不同破膜情况后的流场仿真

4.4 激波沿程衰减数值研究

4.5 压力传感器安装凸起与下凹的流场模拟研究

4.6 本章小结

第五章 压力传感器的应力波效应研究

5.1 引言

5.2 应力波效应对压力传感器影响分析

5.3 应力波效应隔离方法研究

5.4 本章小结

第六章 总结

6.1 全文总结及主要创新点

6.2 研究展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及所取得的研究成果

致谢