Атомистическое и гидродинамическое моделирование ударно-волновых процессов в инертных и реагирующих гетерогенных материалах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.17, кандидат наук Мурзов Семен Александрович

• Мурзов Семен Александрович
• кандидат наук
• 2020

Оглавление диссертации кандидат наук Мурзов Семен Александрович

2.2.1 Граничные условия

2.2.2 Получение стационарного ударного фронта

2.2.3 Расчетная область

2.3 Распространение ударной волны в пористом тэне без реакций

3 Модели горячих точек при ударном сжатии ВВ

3.1 Атомистическое моделирование горячих точек в АВ модели

3.1.1 Изолированная цилиндрическая ГТ при «быстром» и «медленном» нагреве

3.1.2 Инициирование детонации ультра-коротким импульсом давления

3.1.3 Влияние пор на инициирование

3.2 Согласованное гидродинамическое моделирование из МД моделирования

АВ вещества

3.2.1 Построение уравнения состояния на основе атомистического моделирования модельного взрывчатого вещества АВ

3.2.2 Двух- и трех-компонентная кинетика разложения

3.2.3 Коэффициент диффузии радикалов А* и Б*

3.2.4 Коэффициент температуропроводности продуктов детонации , , ,

3.3 Уравнение состояния тэна а основе атомистических расчетов

3.4 Моделирование горения горячих точек в тэне методом БРН

4 Моделирование инициирования детонации

4.1 Моделирование инициирования детонации с использованием макроскопической кинетики и мезоекопичеекого описания структуры пористого вещества

4.2 Моделирование ударного нагружения и разложения мезоскопческой структуры тэна

5 Атомистические и гидродинамические методы моделирования

5.1 Молекулярная динамика

5.1.1 АВ модель взрывчатого вещества

5.1.2 Модифицированный АВ КЕВО потенциал

5.2 Контактный метод сглаженных частиц СБРН и материальные модели , ,

5.2.1 Законы сохранения и разностная запись метода

5.2.2 Теплопроводность

5.2.3 Мезоскопическая модель волны реакции

5.2.4 Уравнение состояния на основе ударной адиабаты

5.2.5 Уравнение состояния Джонс-Уилкинс-Ли

5.2.6 Модель упру го-пластического течения

5,2,7 Уравнения формальной макрокинетики

Заключение

Список литературы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Атомистическое и гидродинамическое моделирование ударно-волновых процессов в инертных и реагирующих гетерогенных материалах»

Введение

Актуальность работы Исследование детонационных явлений в конденсированных средах и развитие математических моделей и подходов для их описания происходит в течении десятилетий, но является актуальным и в настоящее время. Ключевыми моделями для описания детонационных явлений являются уравнения состояния реагентов и продуктов детонации, а также кинетика превращения взрывчатых веществ. Такие модели обычно определяются эмпирическим набором параметров, подбираемых по экспериментальным данным, что позволяет успешно проводить расчеты детонационных процессов.

Область численного моделирования инициирования детонации на атомном, мезо-скопическом и макроскопическом уровнях активно развивается и требует исследований на стыке масштабов, соответствующих каждому привлекаемому методу моделирования. Сложность описания явлений во взрывчатых веществах заключается в многомаештаб-ноети протекающих процессов - химические реакции происходят на атомном масштабе, а их характерные времена могут быть десятки пикосекунд, при этом макроскопические явления, например, формирование детонационного фронта при инициировании может происходить за микросекунды. Существенная роль процессов, происходящих на атомном масштабе и на коротких временах, тоже приводит к трудностям в экспериментальном наблюдении.

На основе информации о термодинамическом состоянии и протекающих химических реакций, полученной из атомистического моделирования, можно построить уравнение состояния и модель химической кинетики. Определенные таким образом математические модели взрывчатых веществ используются в гидродинамическом моделировании, Но остаются проблемы верификации кинетической модели и уравнения состояния, получаемых из атомистического моделирования, по отношению к экспериментальным данным. При термическом разложении, происходящем во фронте детонационной волны, частично прореагировавшее взрывчатое вещество находится в неравновесном ео-

стоянии. Кинетическое описание разложения из атомистических расчетов показывает, что скачок температуры и давления при коллапсе пор индуцирует иной путь реакций разложения, чем при тепловом разложении молекул в неподвижном веществе.

При этом динамические процессы, в том числе коллапс пор, которые приводят к формированию горячих точек, качественно отличаются от теплового механизма, что влияет на время индукции и пути химических реакций в таких горячих точках. Необходимо понимание процесса прохождения ударной волны по пористому материалу, так как возникающая при этом картина течения, характеризуется образованием горячих точек, рост и угасание которых определяется моделью взрывчатого вещества. Учет более медленных процессов возможен в мезоекопичееком гидродинамическом моделировании с явным описанием пор и использованием моделей сплошного вещества.

Степень разработанности темы Существующие методики позволяют моделировать гидродинамическое течение при ударном инициировании взрывчатых веществ (ВВ) с порами с учетом мезоскопической структуры. Однако, применение эмпирических моделей кинетики моделирования инициирования детонации, разработанных для ограниченного набора экспериментальных данных, требует новых калибровок этих моделей при изменении состава ВВ или его структуры,

В литературе встречаются единичные случаи моделирования мезоскопической структуры ВВ с учетом химических реакций. При этом, либо расчет рассматривает начальную стадию процесса инициирования, либо процесс коллапса неявно учитывается воспроизведением характеристик течения, изученных на более мелком масштабе моделирования, например коллапс одной поры. Статьи о коллапсе единичных пор или нескольких пор, и о микроскопическом описании реакций при коллапсе с приходом ударной волны подробно рассматривают проблемы перехода от нескольких пор к ансамблям пор для реальных микроскопических структур. Данные работы применяют методы атомистического моделирования до 100 нм или методы мезоскопического гидродинамического моделирования на масштабах, соответствующих микроструктуре. До сих пор остается проблема масштабируемости гидродинамического течения с реакциями при переносе результатов из атомистического моделирования, что требует построения новых подходов к моделированию таких систем.

Цель работы Исследование закономерностей ударно-волнового воздействия на инертные и реагирующие гетерогенные материалы методами численного моделирования на основе атомистических и гидродинамических методов.

Цель работы направлена на решение следующих задач:

1, Построение мезоскоппческой модели пористого материала с явным описанием пор и каркаса из сплошного вещества,

2, Разработка методики получения стационарного распространения ударных волн в мезоскоппческой модели материала для применения в гидродинамическом моделировании,

3, Построение согласованной гидродинамической модели взрывчатого вещества с использованием атомистических расчетов и его термодинамических свойств и кинетики разложения. Оптимизация параметров уравнений состояния и кинетических коэффициентов при аппроксимации данных атомистического моделирования,

4, Построение математической модели согласованного описания взрывчатого вещества на атомистическом и гидродинамическом уровне при явном задании микроструктуры взрывчатого вещества в задаче ударно-волнового инициирования детонации.

Научная новизна работы Впервые разработана методика получения стационарных ударных волн с заданной скоростью распространения в пористом материале, описываемого в мезоскопическом моделировании контактным методом гидродинамики сглаженных частиц СБРН, Для этого предложен алгоритм адаптивного граничного условия выхода БРН-частиц из расчетной области (окна наблюдения), С использованием разработанной методики исследована структура ударного фронта в пористой меди и тэне без реакций. Обнаружена зависимость максимальной температуры в мезоскопическом моделировании коллапса пор от начального размера БРН-частиц,

Для согласованного гидродинамического и атомистического моделирования построена модель уравнения состояния и кинетики разложения модельного взрывчатого вещества АВ, Получен порог инициирования при ультра-коротком воздействии на АВ материал. Построено полное уравнение состояния тэна на основе атомистических данных, Определена скорость горения горячих точек от размерности (плоской, цилиндрической, сферической), начальной температуры окружающего взрывчатого вещества,

Проведено одномерное моделирование инициирования детонации и получены кривые зависимости глубины возникновения детонации. Показана недостаточность макрокинетики сплошного вещества для мезоскопического моделирования инициирования детонации в пористом материале.

Исследована зависимость полного разложения от амплитуды воздействия мезоскопической структуры взрывчатого вещества при ударно - волновом сжатии в моделировании горения для создания макроскопической кинетики разложения.

Теоретическая и практическая значимость работы Теоретическая значимость проведенного исследования состоит в разработке математических моделей гетерогенных материалов. Такие модели явным образом описывают мезоекопичеекую структуру и имеют практическое применение для построения ударных адиабат и разработки макроскопических моделей инициирования детонации при ударном воздействии.

Практическая значимость состоит в разработке программных модулей, реализующих предложенные модели в программном комплексе СБРН & V !).'>. Эти модули применяются для численного моделирования инициирования детонации и ее распространения в конденсированных взрывчатых веществах, и воздействия волн детонации на объекты сложной геометрической структуры.

Методология и методы исследования При решении поставленных задач использовались:

метод молекулярной динамики с использованием упрощенного реакционного потенциала НКВО: методы оптимизации для получения параметров уравнений состояния на основе атомистических данных при решении задачи нелинейной регрессии; метод сглаженных частиц для сжимаемой среды с включенными в него решениями задачи Римана для обеспечения пространственной аппроксимации законов сохранения массы, импульса и энергии, а также решение уравнений движения среды, В используемых программных кодах М 1)-\'1).'> и СБРН&УБЗ используется высокоэффективный метод параллелизации, позволяющий моделировать многомиллионные системы частиц на вычислительном кластере.

Положения выносимые на защиту:

1, Методика расчета стационарных ударных волн в мезоекопичееком моделировании с помощью задания адаптивного граничного условия в контактном методе сгла-

женных частиц для моделирования в системе координат неподвижного фронта ударной волны,

2, Уравнение состояния и кинетика разложения модельного взрывчатого вещества АВ на основе информации из молекулярно-динамического моделирования,

3, Математическая модель инициирования детонации с использованием полного уравнения состояния пентаэритриттетранитрата и его продуктов, с явным описанием мезоскопической структуры и микроскопических реакций в гидродинамическом моделировании.

Степень достоверности и апробация результатов обеспечивается строгостью используемого математического аппарата и подтверждается сравнением результатов расчетов с известными аналитическими решениями и экспериментальными данными, а также результатами, полученными ранее другими авторами.

Основные результаты работы докладывались на следующих конференциях и семинарах: Международная конференция «Ударное сжатие в конденсированных средах (SCCM)» (Тампа, США, 2015; Сент-Луис, США, 2017);

9-я, 10-я и 12-я Всероссийская школа-семинар «Аэротермодинамика и физическая механика классических и квантовых систем» (Москва, 2015, 2016, 2018); Международные конференции «Уравнения состояния вещества» XXXI, XXXIII (пос, Эльбрус, 2015, 2017)

и «Воздействие интенсивных потоков энергии на вещество» XXXII, XXXIV (пос. Эльбрус, 2016,2018);

Международная конференция «XIX Харитоновские тематические научные чтения» (Саров, 2017); 6-я Международная конференция «Turbulence, Mixing, and Bevond (VI TMB)» (Триест, Италия, 2017);

10-й «Международный коллоквиум по импульсной и непрерывной детонации» (Санкт-Петербург, 2016); Всероссийская конференция «Физика взрыва: теория, эксперимент, приложения» (Новосибирск, 2018);

VIII Всероссийская конференция «Энергетические конденсированные системы» (Черноголовка, 2016);

57-я, 58-я, 59-я и 60-я научные конференция МФТИ (Долгопрудный, 2014, 2015, 2016, 2017).

Публикации Основные результаты по теме диссертации изложены в 11 научных статьях, в том числе в 8 статьях изданиях, индексируемых в базах данных Scopus и Web of Science и рекомендованных ВАК,

Личный вклад соискателя Все исследования, изложенные в диссертационной работе, проведены лично соискателем в процессе научной деятельности. Из совместных публикаций в диссертацию включен лишь тот материал, который непосредственно принадлежит соискателю, заимствованный материал обозначен в работе ссылками.

Объем и структура диссертации Диссертация состоит из введения, пяти глав, списка обозначений и заключения. Полный объём диссертации составляет 180 страниц, включая 108 рисунков и 8 таблиц. Список литературы содержит 109 наименований.

Список использованных сокращений

МД, МБ - молекулярная динамика ВВ - взрывчатое вещество ГТ - горячая точка

ЯI' 11 - метод сглаженных частиц в гидродинамике

СБРН - контактный БРН

УРС - уравнение состояния

РЕТМ, тэн - пентаэритритетранитрат

НМХ, октоген - 1,3,5,7-тетранитро-1,3,5,7-тетраазациклооктан УВ - ударная волна

ШЖ, гексоген - 1,3,5-тринитро-1,3,5-триазациклогекеан ЧЖ, ('.I - точка Чепмена—Жуге

Глшзв

Обзор мезоскопических моделей детонации

Цель главы — показать основные направления исследования в численном моделировании инициирования детонации для планирования программы исследований в данной области. Получение информации о свойствах вещества на атомном масштабе и перенос ее в мезоскопические или континуальные модели является задачей многомасштабного подхода. Эта задача состоит в согласовании моделей на разных масштабах с достижением достаточной точности расчетов на каждом этапе и сохранением точности при переносе с более мелкого масштаба на более крупный и наоборот,

В работе Боудена и Иоффе [1] впервые было показано, что ГТ должна сильно влиять на порог инициирования из-за локализованного воспламенения материала, причем средняя температура вещества оказывается слишком низкой, чтобы воспламенение реакции развивалось столь стремительно. Инициирование детонации ударным сжатием в твердом ВВ часто связывают с взаимодействием волн внутри микроструктуры конденсированных материалов, которое сопровождается химическими, тепловыми, жидкостными, (мезомеханическими) структурными процессами. При этом используются модели для описания различного масштаба явлений. Учет столь широкого круга эффектов требует больших вычислительных мощностей,

В статье [2] авторы представляют краткий обзор численных моделей для инициирования детонации с современной точки зрения при аргументации предложенной ими модели горячих точек, В энергетических материалах, особенно имеющих кристаллическую структуру, чувствительность к ударным воздействиям сильно зависит от возможности формирования ГТ, в которых локализуется высокая температура. Механические

модели также могут быть учтены при формулировке реакционных механизмов инициирования в твердых ВВ. Однако, вместо того чтобы полагаться на эмпирический подбор параметров, модели включают более глубокое описание физики, ведущей к образованию ГТ. Такие исследования способны реагировать на источники энергии, локализованные в областях нагрева, В энергетических материалах с кристаллической структурой это может быть связано, например, с фокусированием УВ, пластической деформацией, взаимодействием межзеренных границ. Появляется большое количество новых синтезируемых молекул, свойства которых могут быть изучены на молекулярном уровне. Поэтому модели ГТ, основанные на данных из «первых принципов», требуются для предсказания свойств и эффективности энергетических материалов,

1.1 Обзор экспериментального исследования и моделирования инициирования детонации и взрыва, роль горячих точек

Термин горячих точек вводится в работе Боудена и Иоффе [1]. Данный термин укрепился, начиная с этой работы, хотя уже были другие обзорные статьи по инициированию детонации во взрывчатых веществах [3], Понимание влияния микроскопических процессов в инициировании повлекло за собой пересмотр ранее полученных результатов и поменяло взгляд на кинетику процессов при инициировании детонации. Порог инициирования детонации изучается в разных экспериментах [4-6], Можно выделить некоторые типы экспериментов—измерение критической ширины (диаметра) и скорости детонации в зависимости от ширины образца; длина пробега до детонации [7, 8],На рисунках 1,1 и 1,2 приведены принципиальные схемы для инициирования детонации с использованием ударника в нитрате аммония (АМ), а также последовательность кадров высокоскоростной камеры, регистрируемых в том же эксперименте. Толщина ударника и медной пластины перед слоем ВВ составляла 2 мм каждой, а толщина пленки АМ — 0,4 мм. Сигнал регистрируется через стеклянное окно толщиной 25 мм с помощью отражения в зеркале и приема в световод.

Чувствительность кристаллических энергетических материалов [9], ГТ и инициирование взрыва изучаются экспериментально. Моделируются поры, пузырьки различной геометрии, искусственно внедренные в жидкие ВВ [1], а также дефекты в твердых

взрывчатых веществах [10]. Инфракрасные фотографии ГТ в кристаллических ВВ позволяют получать картину распределения температуры [11, 12],

Изложение выводов из обзорных работ 1992-го [10] и 2006-го [9] года позволяют получить представление об истории развития экспериментальных методов и идей о механизмах инициирования, практически с момента введения термина ГТ,

В обзоре о механизмах загорания горячих точек для взрывчатых веществ [10] рассмотрено большое количество различных методик для изучения механизмов инициирования, а также прочностных и деформационных свойств. Визуальное изучение, получаемое высокоскоростным фотографированием, несет мало информации вследствие сложности происходящих физических явлений. Эти процессы тяжело поддаются количественному описанию. Ясно только, что существует несколько механизмов, способствующих появлению ГТ, но какие из механизмов более существенны зависит от материала (например, наличие и отсутствие пор), его физических, тепловых и реакционных свойств при соответствующих вовлекаемых в процесс температурах.

Возгорание оказывается независимым от природы тепла, образующего ГТ, будь то механическое воздействие или электрическая искра. Критический размер горячих точек, предложенный Боуденом и Иоффе, согласуется с экспериментальными наблюдениями, Характерные масштабы ГТ составляют 0,1-10 мкм в размере, приблизительная температура 700 К и характерное время 10-5-10-3 с. Утверждается, что критическая ГТ может быть получена при комбинированном действии различных механизмов, причем механизмы действуют аддитивно, К примеру, возможен вязкий нагрев вещества, который будет дополнен нагревом вследствие коллапса поры. Есть механизмы, которые производят ГТ, но они недостаточны для возгорания материала. Примером может быть горячая точка на конце трещины. Хотя возгорание возле трещины может произойти в веществах с внедренными полимерными частицами. Разделение фрагментов разрушения и перемещение дислокаций происходит за низкоскоростным ударным воздействием. Как правило, жесткость метательных ВВ ниже, чем в ВВ со связующим веществом, разрушение их происходит при больших напряжениях. Так как количество энергии определяется площадью под графиком давление-степень сжатия, то разогрев в метательных ВВ выше, чем в связанных полимерами. Высокоскоростные фотографии поджигаемого PBX показывают спад давления с проявлением пластического течения, в то время как в метательных ВВ загорание происходит после всесторонне-расширяющегося течения и вблизи края (периферии). Предполагается, что изученный механизм инициирования

для метательных ВВ складывается из общего нагрева, вязкого нагрева и адиабатического нагрева при охлопывании пузырьков газа на периферии. Это объяснение подкреплено значительно большей чувствитслыюстыо кольцевых образцов иод действием сжимающих импульсов и образцов с норами, В метательном ВВ о внедрением каучуко-образных полимеров происходит сенсибилизация при низких температурах. Возгорание происходит при меньших деформациях, чем дня ВВ при комнатной температуре, хотя пиковое значение напряжения выше. Локальное сдвиговое разрушение может быть причиной такого явления.

Рис, 1.1: Схема эксперимента но регистрации ударного инициирования реакций с помощью высокоскоростной камеры |7|,

«

Рис, 1.2: Последовательность кадров высокоскоростной камеры от реакций в подножке АХ толщиной 0,4 мм и размером зерен в 150-210 мкм. Скорость ударника 700 м/с. Время экспозиции каждого кадра 30 по. Диаметр зоны реакции составляет приблизительно 8 мм.

По материалам обзора о чувствительности кристаллических энергетических материалов |9| утверждается, что кроме электрического ноджига главным общепринятым механизмом образования ГТ является адиабатическое симметрическое сжатие и коллапс газовых полостей (нагрев газа, нылепие, упруго-пластическая работа), а также скольжение друг об друга поверхностей, как при трении или адиабатическом сдвиге. Механизмы инициирования связаны с анизотропией пластичности и разрушением кристаллов ВВ, Разложение молекул может иметь место в результате взаимодействия их в деформированном кристалле. Третий механизм инициирования с помощью ГТ в работе |1| полагается фоновым фактором роста окружающей температуры, что увеличивает вероятность роста ГТ, Обзор микроскопических механизмов инициирования онублико-

ван Лейбером, Упоминается, что в более поздней статье были предложены более обширные механизмы образования ГТ [13]. Для разгорания ГТ важно выявить те механизмы, которые приводят к критическим ГТ. Создать критерии температуры, размера и времени, как полагают Боуден с коллегами. Важным является то обстоятельство, что эти механизмы могут складываться. Например, вязкое течение приводит к затуханию ГТ, а это может создать разогретое вещество, которое поспособствует коллапсу пустот. В качестве выводов к обзору представлены тезисы:

1. Взрывчатые вещества синтезировались и использовались задолго до того, как было понято, почему они выделяют свою энергию столь быстро по сравнению с по-рохами.

2. Стало ясно в течение Второй Мировой Войны, что взрывчатые вещества детонируют в соответствии с их способностью к разложению достаточно резко, чтобы преобразовывать химическую энергию, заключенную внутри их молекул в ударную волну. Обычно необходимо, чтобы топливо и окислитель находились в непосредственной близости. В твердых ВВ это достигается наличием «топлив и окислителей» внутри одной и той же молекулы или в близлежащих ионах. В обыкновенном порохе любое перемешивание (независимо от того, насколько связаны топлива — углерод, сера; с окислителем — нитрат калия), диффузионная длина всегда достаточна, чтобы замедлить скорость выделения энергии, как требует того детонация.

3. Изучение быстрого и индуцированного инициирования показало, что сжатие и трение много меньше, чем требуется на нагрев сплошного вещества, до температур, при которых происходит поджиг или инициирование взрыва. Отсюда появилась плодотворная идея о горячих точках. Разные механизмы многие годы предлагались, но они могут быть сведены к коллапсу газа в пустотах (производя ударные волны под воздействием струй или при адиабатическом сжатии), а также трению поверхностей друг о друга, создаваемого при сдвиговом напряжении кристаллических плоскостей и разрушением.

4. Механизмы инициирования, характерные для кристаллического ВВ, связаны с анизотропией, пластичностью и разрушением. Такой механизм приводит к тому, что разложение молекул происходит так, как если бы они воздействовали друг

на друга плоскостями (при трении поверхностей). Однако многое еще необходимо исследовать о путях реакции в этих материалах,

5, Переход горения в детонацию твердых ВВ в большой степени изучен в одной-и двухмерных системах. Одним из хорошо известных последствий трехмерности является ограничение, приводящее к детонации, связанное с механической инерцией взрывчатых веществ, по сравнению с воздействием от твердой емкости или оболочки. Все же появляется концепция критического диаметра или критической массы/объема в трех измерениях, за которыми данное ВВ будет детонировать, нежели произойдет распространение дефлаграции,

6, Новые оптические и связанные с техникой электронной микроскопии подходы дали большой толчок для получения новой точной информации о смещениях и механизмах разрушения в связанных полимерами ВВ, Моделирование деформации многих составов ВВ, сильно заполненных пластификаторами, представляет интерес и может быть проверено с использованием указанных инструментов,

7, Движение к малочувствительным ВВ в вооружении мотивировано нацелено на лучшее понимание чувствительности этих ВВ, Высоко энергетические ВВ НМХ и RDX слишком чувствительны, чтобы найти свое применение в чистом виде, и они десенсибилизируются на практике добавлением полимерных связующих веществ (ВВ PBX типа). Важность влияния пористости и гетерогенности в мезоскопике на взаимодействие с УВ хорошо изучена. Деградация (термическое разложение) PBX взрывчатых веществ может включать в значительной степени оба фактора, Гранулированный слой часто изучается, как «ложно» поврежденное вещество PBX, и обширные исследования на таком уровне для этих систем показывают как параметры кристалла определяют чувствительность к сжатию,

8, Чувствительность кристаллического ВВ может быть уменьшена следующими способами: а) снижение числа дефектов в кристалле, б) исключение пор и пустот, в) исключение химической неоднородности, г) исключение большого числа фаз, д) оптимизация дисперсного состава частиц ВВ,

1.2 Численное макро- и мезомоделнрованне инициирования детонации

Моделирование экспериментального или численного влияния мезоекопичеекой структуры на чувствительность взрывчатого вещества к ударному воздействию связано с описанием пор, структуры гранул взрывчатого вещества или связующего компонента, Макроскопические подходы рассматривают явление с помощью введения дополнительных параметров в описании сред, В мире существует большое количество попыток разработки численных моделей, как атомистических — квантовых и классических, так и мезоекопичееких и континуальных моделей с описанием микроскопических процессов на подееточном или макрокинетичееком уровне.

Существуют несколько численных подходов для моделирования инициирования детонации, ДВ и волн горения, на основе которых создано большое количество вычислительных программ. Задача инициирования пористых, порошковых ВВ может быть промоделирована с использованием разнообразных методик и подходов. Применимость тех или других методов обуславливается характерными пространственными, временными и физико-химическими процессами инициирования. Моделирование инициирования детонации должно описать скорость распространения волны, пик фон Неймана, точку Чепмена — Жуге к моменту формирования ДВ, В то же время при моделировании детонации в пористом ВВ возникают гетерогенные факторы, которые вызваны образованием горячих точек (ГТ), Требуется более детальный анализ процессов детонации за пределами применимости классической теории (ЗНД модель).

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Мурзов Семен Александрович, 2020 год

Литература

1. Bowden F, P., Yoffe A, D, Hot Spots and the Initaiation of Explosion // Third symposium on combustion, flame and explosion phenomena, 1948, P. 551-560,

2. Akiki M,, Menon S, A model for hotspot formation in shocked energetic material // Combustion and Flame. 2016. Vol. 162. P. 1759-1771.

3. Kistiakowskv B. Initiation of Detonation of Explosives // Third symposium on combustion, flame and explosion phenomena. 1948. P. 560-565.

4. Wu Y.-Q., Huang F.-L. Initiation Pressure Thresholds from Three Sources // UCRL-JRNL-219576. 2011. p. 22.

5. Seav G. E,, Seelv JR. L. H. Initiation of a Low-Density PETN Pressing by a Plane Shock Wave // Journal of Applied Physics. 1961. Vol. 32. p. 1092.

6. Stirpe D,, Johnson J. O,, Wackerle J. Shock Initiation of XTX8003 and Pressed PETN // Journal of Applied Physics. 1970. Vol. 41. p. 3884.

7. Proud W. G. Ignition and Detonation in Energetic Materials: An Introduction // STO-EN-AVT-214. 2003. p. 20.

8. Физика взрыва / С. Г. Андреев, А. В. Бабкин, Ф. А. Баум [и др.] / под ред. Л.П. Орленко. Наука, Зе издание, 2004. Т. 1. С. 304-318.

9. \ Valley S. М,, Field J. Е,, Green way М. W, Review. Crystal sensitivities of energetic materials // Material science and technology. 2006. Vol. 22. P. 402-413.

10. Hot Spot Ignintion Mechanism for Explosives and Propellants / J. E. Field, N. K. Bourne, S. J. P. Palmer et al. // Phil. Trans. R. Soc. Lond. A. 1992. Vol. 339. P. 269-283.

11. Hot spot generation in energetic materials created by long-wavelength infrared radiation / M.-W, Chen, S, You, K, S, Suslik et al, // Applied Physics Letters, 2014, Vol, 104. p. 061907.

12. Hot spots in energetic materials generated by infrared and ultrasound, detected by thermal imaging microscopy / M.-W. Chen, S. You, K. S. Suslik et al. // Review of Scientific Instruments. 2014. Vol. 85. p. 023705.

13. Field J. E. Hot Spot Ignintion Mechanism for Explosives // Aec. Chem. Res. 1992. Vol. 25. P. 489-496.

14. Urtiew P. A., Tarver C. M. Shock initiation of Energetic Materials at Different initial temperatures // Combustion, Explosion and Shock Waves. 2005. Vol. 41. P. 766-776.

15. Lee E. L,, Tarver C. M. Phenomenologieal model of shock initiation in heterogeneous explosives // Phvs. Fluids. 1980. Vol. 23, no. 12. P. 2362-2372.

16. Johnson T. N,, Tang P. K,, Forest C. A. Shock-wave initiation of heterogeneous reactive solids // Journal of applied physics. 1985. Vol. 57. p. 4323.

17. Gibbs T., Popolato A. LASL explosie property data. University of California press, Berkley, Los Angeles, London, 1980. p. 138.

18. Nichols A. L,, Tarver C. M. A Statistical Hot Spot Reactive Flow Model for Shock Initiation and Detonation of Solid High Explosives. 2002. July.

19. Tarver C. M,, Don Breithaupt R,, Kurv J. W. Detonation waves in pentaervthritol tetranitrate //J. Appl. Phvs. 1997. Vol. 81. p. 7193.

20. A Study of Detonation Propagation and Diffraction with Compliant Confinement / J. W. Banks, W. D. Henshaw, D. W. Sehwendeman et al. // ArXiV. 2008.

21. A Study of Detonation Diffraction in the Ignition-and-Growth Model / A. K. Kapila, D. W. Sehwendeman, J. B. Bdzil et al. // Combustion Theory and Modeling. 2010. Vol. 14. p. 3.

22. Sehwendeman D. W,, Kapila A. K,, Henshaw W. D. A study of detonation diffraction and failure for a model of compressible two-phase reactive flow // Combustion Theory and Modelling. 2010. p. 33.

23. White B, W,, Tarver C, M, Ignition and Growth Modeling of Detonation Reaction Zone Experiments on Single Crystals of PETN and HMX // LLNL-PROC-675458. 2015. p. 7.

24. Michael L., Nikiforakis N. Hybrid formulation for the numerical simulation of condensed phase explosives // Journal of Computational Physics. 2016. Vol. 316. P. 193-217.

25. Kobvlkin I. F,, Petukov A. V. Manifestation of the effect of shock wave de-sensitization upon projectile detonation initiation in explosive thin layers // Ingenernv jurnal: nauka i innovatsii, 2015 (in Russian). Vol. 3. p. 12. URL: http://engjournal.ru/eatalog/meeh/mlgp/1383.html.

26. Kang J., Butler P. B,, Baer M. R. A Thermomeehanical Analysis of Hot Spot Formation in Condensed-Phase, Energetic Materials // Combustion and Flame. 1992. Vol. 89. P. 117-139.

27. A mechanistic model for shock initiation of solid explosives / J. Massoni, R. Saurel, G. Baudin et al. // Pvsies of fluids. 1999. Vol. 11. P. 710-736.

28. Doolan C. J. A Microstrueture Dependent Reactive Flow Model for Heterogeous Energetic Materials // Technical Report, DTIC Document DSTO-TR-1383. 2003.

29. Tran L,, Udavkumar H. S. Simulation of Void Collaprse in an Energetic Material, Part 1: Inert Case // Journal of Propulsion and Power. 2006. Vol. 22.

30. Tran L,, Udavkumar H. S. Simulation of Void Collaprse in an Energetic Material, Part 2: Reactive Case // Journal of Propulsion and Power. 2006. Vol. 22.

31. Kapahi A., Udavkumar H. S. Dynamics of void collapse in shocked energetic materials: physics of void-void interactions // Shock Waves. 2013. Vol. 23. P. 537-558.

32. Wu Y.-Q., Huang F.-L. A microscopic model for predicting hot-spot ignition of granular energetic crystals in response to drop-weight impacts // Mechanics of Materials. 2011. Vol. 43. P. 835-852.

33. Pore collapse in an energetic materials from the micro-scale to the macro-scale / T. L. Jackson, J. D. Buekmaster, J. Zhang et al. // Combustion Theory and Modelling. 2015.

34, Politzer P., Murray J, S, Energetic Materials: part 2, Detonation, Combustion, Theoretical and computational chemistry, 2003, p. 351,

35, Теоретическое обоснование феноменологической модели ударно-вол новой чувствительности гетерогенного ВВ на основе ТАТБ с учетом одно двухкратного ударно-волнового нагружения, в том числе с промежуточной разгрузкой / В, Г, Морозов, И, И, Карпенко, С, Е, Куратов [и др.] // Химическая физика, 1995, Т. 14, с, 32,

36, Mader С, L, Numerical Modeling of Explosives and Proppelants, CEC Press, Boca Eaton London New York Washington, D.C., 2008, p. 528,

37, Mader C, L, Numerical Modeling of Detonation, University of California Press, Berkley Los-Angeles London, 1979, p. 384,

38, Mader C, L,, Kershner J, D, The three-dimenional hydrodynamie hotspot model // LA-UB-85-742. 1981. p. 9.

39, Eai N. K. Numerical framework for mesoscale simulation of heterogeneous energetic materials // PhD thesis. 2015. p. 173.

40, A historical and current persepetive on predicting thermal eookoff behavior / A. K. Burnham, E. K. Weese, A. P. Wemhoff et al. // Journal of Thermal Analysis and Calorimetrv. 2007. Vol. 89. P. 407-415.

41, Urtiew P. A., Tarver С. M. One-dimensional time to explosion (thermal sensitivity) tests of PETN, PBX-9407, LX-10, and LX-17 // LLNL-TE-681467. 2016. p. 9.

42, Bhattacharia S. K,, Nun Icy J., Weeks B. L. New insights into kinetics of PETN decomposition from the product and reactant point of view: An investigation with mass spectrometry and differential scanning calorimetrv // Thermochimica Acta, 2015, Vol, 617. P. 38-43.

43, Merzhanov A. G,, Abramov V. G. Thermal Explosion of Explosives and Propellants, A Beview, // Propellants and Explosives, 1981, Vol, 6, P. 130-148,

44, Tarver С. M,, Tran T. D,, Whipple E. E. Thermal Decomposition of Pentaervthritol Tetranitrate // Propellants, Explosives, Pyrotechnics, 2003, Vol, 28 (4), P. 189-193,

45, Miller J. A., Bowman С. T. Mechanism and modeling of nitrogen chemistry in combustion // Prog. Energy Combust. Sci. 1989. P. 287-338.

46. Direct simulation of non-equilibrium kinetics under shock conditions in nitrogen / D, Bruno, M, Capitelli, F, Espositto et al, // Chemical Physics Letters, 2002, Vol, 360, P. 31-37.

47. Bruno D,, Capitelli M,, Longo S. DSMC modelling of vibrational and chemical kinetics for a reacting gas mixture // Chemical Physics Letters, 1998, Vol, 289, P. 141-149,

48. Modeling thermal ignition and initial conditions for internal burning in PBX 9501 / B. F. Henson, L. Smilowitz, J. J. Romero et al. // AIP Conference Proceedings. 2009. Vol. 1195. p. 257.

49. Powers J. M. Review of Multiseale Modeling of Detonation // Journal of Multiseale Modeling of Detonation. 2006. Vol. 22. P. 1217-1229.

50. Вязко-плаетичеекий механизм образования "горячих" точек в твердых гетерогенных ВВ / Б. А. Хасаинов, А. А. Борисов, Б. С. Ермолаев [и др.]. 1980. С. 11-22.

51. Two-pahse viseo-plastie model of shock initiation of detination in high-density pressed explosives / B. A. Khasainov, A. A. Borisov, B. S. Ermolaev et al. 1981. P. 435-447.

52. Shock response of single crystal and nanoervstalline pentaervthritol tetranitrate: Implications to hotspot formation in energetic materials / Y. Cai, F. P. Zhao, Q. An et al. // The journal of chemical physics. 2013. Vol. 139. p. 164704.

53. Arienti M,, Morano E,, E. S. J. Shock and detonation modeling with the Mie-Gruneisen equation of state // Graduate Aeronautical Laboratories Report FM99-8, 2004, p. 54,

54. Gee R., Wu C., Maiti A. A coarse grained model of PETN crystal // UCRL-JRXL-219077. 2006. p. 13.

55. Maiti A., Gee R. Modeling Growth, Surface Kinetics, and Morphology Evolution in PETN // Propellants Explos. Pvroteeh. 2009. Vol. 34. P. 489-497.

56. Eason M. R,, Sewell D. T. Molecular Dynamics Simulations of the Collapse of a Cylindrical Pore in the Energetic Material a-RDX // Journal dynamic behavior material. 2015. Vol. 1. P. 423-438.

57. Ultra-fast chemistry under non-equilibrium conditions and the shock to deflagration transition at the nanoseale / M. J. Cherukara, M. A. Wood, E. M. Kober et al. // Journal of physical chemistry C. 2015. Vol. 119. P. 22008-22015.

58. Shan T.-H.. Wixom E, E,, Thompson A, P. Extended asymmetric hot region formation due to Shockwave interactions following void collapse in shocked high explosive // Physical Review B. 2016. Vol. 94. p. 054308.

59. Molecular Simulations of Shock to Detonation Transition in Nitromethane / J.B. Maillot. E. Bourasseau, G. Vallverdu et al. // ArXiv, 2011.

60. Antillon E., Strachan A. Mesoscale simulations of Shockwave energy dissipation via chemical reactions // The Journal of Chemical Physics. 2015. Vol. 142. p. 084108.

61. Kroonblawn M. P., Sewell T. D., Maillot J.-B. Characteristics of energy exchange between inter- and intramolecular degrees of freedom in crystalline l,3,5-triamino-2,4,6-trinitrobenzene (TATB) with implications for coarse-grained simulations of shock waves in polyatomic molecular crystals // The Journal of Chemical Physics. 2016. Vol. 144. p. 064501.

62. Mesodvnamies with implicit degrees of freedom / K.-H. Lin, B. L. Holian, Т. C. Germann et al. // The Journal of Chemical Physics. 2014. Vol. 141. p. 064107.

63. Медин С. А., Паршиков A. H. Мезомеханичеекое моделирование ударного сжатия пористого алюминия // Матем. моделирование. 2014. Т. 26. С. 52-54.

64. Shock Wave Structure in Lennard-Jones Crystal via Molecular Dynamics / V. V. Zhakhovskii, S. V. Zvbin, K. Nishihara et al. // Phvs. Bev. Lett. 1999. Vol. 83. P. 1175-1178.

65. Parallel SPH modeling using dynamic domain decomposition and load balancing displacement of Voronoi subdomains / M. S. Egorova, S. A. Dvaehkov, A. N. Parshikov et al. // Computer Physics Communications. 2019. Vol. 234. P. 112 - 125.

66. Dvaehkov S. A., Parshikov A. N,, Zhakhovskv V. V. SPH simulation of boron carbide under shock compression with different failure models // J. Phvs.: Conf. Ser. 2017. Vol. 815. p. 012012.

67. Takeda H,, Mivama S,, Sekiva M. Numerical simulation of viscous flow by smoothed particle hydrodynamics // Prog. Theor. Phvs. 1994. Vol. 92. P. 939-960.

68. A complete equation of state for non-ideal condensed phase explosives / S. D. Wilkinson, M. Braithwaite, N. Nikiforakis et al. //J. Appl. Phvs. 2017. Vol. 122, no. 22. p. 225112.

69. Зельдович Я, Б,, Райзер Ю, П, Физика ударных волн и высокотемпературных гидродинамических явлений: практическое пособие, Физматлит, Москва, 2008, с, 656,

70. Murzov S, A,, Zhakhovsky V, V, Atomistic simulation of detonation initiation by ultrashort impact // J.Phvs, Conf, Ser, 2015, Vol, 653, p. 012056,

71. Ultrashort shock waves in nickel induced by femtosecond laser pulses / B, J, Demaske, V. V. Zhakhovsky, N. A. Inogamov et al. // Phvs. Rev. B. 2013. Vol. 87. p. 054109.

72. Dressier R. A. // Chemical dynamics in extreme environments. World Scientific Publising Co. Pte, Ltd,, Singapore, 2001. P. 564-580.

73. Dremin A. N,, Trofimov V. S. On the nature of the critical diameter // Tenth Symposium (International) on Combustion, 1965, P. 839-843,

74. Anisimov S. I., Zhakhovskii V. V., Fortov V. E. Shock Wave Structure in simple liquids // JETP Lett. 1997. Vol. 65. P. 755-761.

75. Zhakhovskii V. V., Nishihara K,, Anisimov S. I. Shock Wave Structure in dense gases // JETP Lett. 1997. Vol. 66. P. 99-105.

76. Two-Zone Elastic-Plastic Single ShoekWaves in Solids / V. V. Zhakhovsky, M. M. Budzevieh, I. I. Olevnik et al. // Phvs. Rev. Lett. 2011. Vol. 107. p. 135502.

77. Laminar, cellular, transverse, and multi-headed pulsating detonations in condensed phase energetic materials from molecular dynamics simulations / V. V. Zhakhovsky, M. M. Budzevieh, A. C. Landerville et al. // Phvs. Rev. E. 2014. Vol. 90. p. 033312.

78. Nelder J. A., Mead R. A simplex method for function minimization // Computer Journal. 1965. Vol. 7. P. 308-313.

79. Fiekett W,, Davis W. C. Detonation. University of California, 1979. p. 386.

80. Numerical Recipes in Fortran 77: The art of scientific computing / W, H, Press, S, A, Teukolskv, W, T. Vetterling et al. Cambridge University Press, 1992. Vol. 1. p. 973.

81. Murzov S,, Zhakhovsky V. Detonation initiation in solid explosive: MD simulation using AB interatomic potential // AIP Conference Proceedings, 2017, Vol, 1793, p. 070008,

82. Basset W. P., Dlott D, D, Shock initiation of explosives: Temperatures spikes and growth spurts // Appl. Phvs. Lett. 2016. Vol. 109. p. 091903.

83. Shock initiation of explosives: High temperature hot spots explained / W. P. Basset, B. P. Johnson, N. K. Neelakantan et al. // Appl. Phvs. Lett. 2017. Vol. 111. p. 061902.

84. Unreacted High-Explosives Equation of State at High Pressures / C.-S. Yoo, H. Cvnn, M, Howard et al. // Proceedings of the Eleventh Symposium (International) on Detonation. 1998.

85. Sergeev O. V., Yanilkin A. V. Molecular dynamics simulation of the burning front propagation in PETN // Journal of Physics: Conference Series. 2014. Vol. 500. p. 172010.

86. Parshikov A. N,, Medin S. A. Smoothed particle hydrodynamics using interparticle contact algorithms // Journal of computational physics. 2002. Vol. 180, no. 1. P. 358382.

87. Medin S. A., Parshikov A. N. Development of smoothed particle hydrodynamics method and its application in the hydrodynamics of condensed matter // TVT. 2010. Vol. 46. P. 973-980.

88. Eai N. K,, Schmidt M. J., Udavkumar H. S. Collapse of elongated voids in porous energetic materials: Effects of void orientation and aspect ratio on initiation // Physical Review Fluids. 2017. Vol. 2. p. 043201.

89. Foltz M. F. Pressure Dependence on the Reaction Propagation Rate of PETN at High Pressure // UCRL-JC-111316. 1993. p. 15.

90. Khokhlov A. Propagation of turbulent flames in supernovae // The Astrophvsieal Journal. 1995. Vol. 449. P. 695-713.

91. Allen M. P., Tildeslev D. J. Computer Simulation of Liquids. Oxford University Press, 1987. P. 78-82.

92. A New Dynamical Domain Decomposition Method for Parallel Molecular Dynamics Simulation on Grid / V. Zhakhovskii, K. Nishihara, Y. Fukuda et al. // CoRR. 2004. Vol. cs.DC/0405086.

93. A new dynamical domain decomposition method for parallel molecular dynamics simulation / V. Zhakhovskii, K. Nishihara, Y. Fukuda et al. Vol. 2. 2005. May. P. 848-854 Vol. 2.

94. Brenner D. W., Eiert M. L., White C. T. Shock Compression of Condensed Matter -1989 / Ed. by S. C. Schmidt, J. N. Johnson, L. W. Davison. Elsevier Science Publishers, Amsterdam, 1990. p. 263.

95. Microscopic Simulations of Complex Hydrodvnamie Phenomena / C. T. White, D. H. Robertson, M. L. Eiert et al. / Ed. by M. Maresehal, B. L. Holian. Plenum Press, New York, 1992. P. 111-123.

96. Detonations at nanometer resolution using molecular dynamics / D. W. Brenner, D. H. Robertson, M. L. Eiert et al. // Phvs. Rev. Lett. 1993. Vol. 70, no. 14. P. 21742177.

97. For a review, see C. T. White, D. R. Swanson, and D. H. Robertson, Chemical Dynamics in Extreme Environments, edited by R. Dressier (World Scientific, 2001) Chap. 11, pp. 547-592.

98. Barrow G. M. Physical Chemistry / Ed. by S. C. Schmidt, J. N. Johnson, L. W. Davison. McGraw-Hill, New York, 5th edition, 1988. p. 836.

99. Nano-seale spinning detonation in a condensed phase energetic material / V. V. Zhakhovskv, M. M. Budzevieh, A. C. Landerville et al. // Journal of Physics: Conference Series. 2014.

100. Molecular-dynamics study of detonation. II. The reaction mechanism / B. M. Rice, W. Mattson, J. Grosh et al. // Phvs. Rev. E. 1996. Jan. Vol. 53. P. 623-635. URL: http://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevE.53.623.

101. M. M. Budzevieh, V. V. Zhakhovskv, C. T. White et al. // Phvs. Rev. Lett. 2012. Vol. 109. p. 125505.

102. Interaction potential for atomic simulations of conventional high explosives / A. J. Heim, N. Gr0nbeeh-Jensen, E. M. Kober et al. // Phvs. Rev. E. 2008. Oct. Vol. 78. p. 046709. URL: http://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevE.78.046709.

103. Monaghan J, SPH and Eiemann Solvers // Journal of Computational Physics, 1997, Vol. 136, no. 2. P. 298-307.

104. Monaghan J. Particle Methods For Hydrodynamics // Computer Physics Reports. 1985. Vol. 3. P. 71-124.

105. Dehnen W,, Alv H. Improving convergence in smoothed particle hydrodynamics simulations without pairing instability // Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. 2012. Vol. 425, no. 2. P. 1068-1082. URL: http://dx.doi.Org/10.llll/j.1365-2966.2012.21439.x.

106. Олдер В., Фернбах С., (ред.) Ротенберг М. // Вычислительные методы в гидродинамике. Мир, Москва, 1967. С. 212-250.

107. Carlslaw Н,, Jager J. Conduction of Heat in Solid. Oxford Univ. Press, London, 1965.

108. Souers P. C. JWL calculating // UCRL-TR-211984. 2005. p. 8.

109. Weseott B. L,, Stewart D. S,, Davis W. C. Equation of state and reaction rate for condensed-phase explosives // Journal of Applied Physics. 2005. Vol. 98. p. 053514.