一、激波管/风洞测试系统ALT500简介
激波管是一根两端封闭的长管膜片把整个圆管分成高压室与低压室两部
分前者填充高压气体后者放置待校准的传感器和测速传感器。校准时对高压
室充压缩气体。当气体压强超过膜片强度极限时膜片突然破裂。经过一定距离的
传播后形成一个标准阶跃冲击波沿低压室方向传播。激波的阶跃压力平台值可
以通过距离为 s 的两个测速传感器感受激波的时间间隔 t 换算得到。激波管动态校准系统如图 4.11 所示。
物体在爆炸/冲击载荷下的力学响应往往与静载荷下的有显著不同，了解材料在冲击加载条件下的力学响应必将大大有助于这些材料的工程应用和工程设计。此外，数值模拟已在工程设计中发挥着重要作用，而进行数值模拟的前提是必须首先建立一个基于材料在各种应变率下（尤其是在动态应变率下）的精确应力－应变曲线基础上的本构模型。与准静态实验相比，进行有效并准确的高应变率下的动态实验依然是一个很大的挑战。所以，获得一套材料在高应变率下的应力—应变曲线非常重要。激波管材料动态力学特性测试系统是建立在统一高精度基准之下的一套专用试验设备，其应用领域从最初研究金属材料的动态力学性能到现在可研究岩石、混凝土、陶瓷、高聚物、含能材料、泡沫材料等多种材料的动态力学性能，对于力学学科、机械工程学科和材料学科的教学和科研而言显得意义非常重大.激波管主要用于传感器标定或作为加载装置，以研究工程结构或生物体在给定冲击波作用下的损伤行为。
真实冲击波场受环境因素的影响较大，其物理参数的可控性差，不便于用大型精密仪器测定冲击波的参数，也不便于在实验现场对实验对象进行仪器检查；此外，人力物力消耗大，周期长。因此，通常研究者们在实验室内设计模拟冲击波发生装置-激波管，用于物体（或生物体）受冲击损伤的实验研究。
本激波管加载装置在实验室内以惰性气体为高压驱动介质，以模拟冲击波对工程结构或生物体的损伤破坏效应。该装置的建设将在学科建设、科学研究和人才培养等方面发挥重要作用。
三.
3.1工作原理
激波管本质上是在长管内利用压力薄膜将其分为2个具有压力差的区域，触发破膜后，高压气体向低压区运动形成冲击波，随着冲击波的传播，其强度会不断衰减，在一定距离设置靶室，以实现对预定工程结构或生物体的损伤。激波管的物理过程如图3.1所示，在t=0时，由一薄膜将充满气体的激波管分割成两部分，薄膜两侧处于静止状态，在x方向上有气体压力和密度不同的初始值，即薄膜两侧分别为不同的常数分布。这样在x=0处存在一个压力的间断。
图3.1 t=0时刻激波管示意图
薄膜突然爆裂后（即t>0时），由于气体处于不稳定状态，气体开始由高压区向低压区流动，由高压向低压方向压缩的气体形成激波，反方向形成膨胀波，在激波与膨胀波之间有一接触间断，如图3.2所示。值得注意的是，激波管问题所包含的激波间断、膨胀波（稀疏波）、接触间断等各种间断，正是CFD中所考虑的，是CFD中的经典算例之一。又因为激波管问题本身存在精确解，所以可以用来检验数值方法的精度。
图3.2 t=t1时刻激波管示意图
3.2主要影响因素
3.2.1驱动气体
由于实验条件的限制，着重研究惰性气体或不发生化学反应的气体来作为高压室内的驱动气体。
空气、二氧化碳等气体为常用惰性介质，如表3.1所示，通过前人试验，将高压区加压到2MPa，低压区为0.1MPa，选取1mm铝片作为膜片，对比可以知道，用空气、N2、CO2和H2作为高压区驱动气体时，所产生激波的阶跃压力幅值大小不同，其中CO2驱动的阶跃压力幅值最小，H2驱动的阶跃压力幅值最大，对产生激波的阶跃压力幅值大小影响明显，对产生激波的动态特性影响不大。
表3.1 不同驱动气体下激波峰值压力对比
驱动气体 |
理论峰值压力/MPa |
实测峰值压力/MPa |
峰值误差/% |
空气 |
1.01 |
0.89 |
11.9 |
氮气 |
1.03 |
0.93 |
9.7 |
二氧化碳 |
0.83 |
0.68 |
18.1 |
氢气 |
4.19 |
3.66 |
12.6 |
3.2.2膜片
膜片的厚度是激波管装置触发后能够获得的激波阶跃压力值的决定因素之一。Nguyen等研究过膜片承载与膜片厚度的关系，根据实验要求对高低压室分别充以不同压力值的气体，当高低压室之间的压力差达到膜片所能承受的极限值时，膜片就会破裂，高压室的气体膨胀迅速冲入低压室从而形成激波。
增加膜片数目，同时也增加压室数可以改装成双膜激波管，其结构时在两端的压室中，具有较低压力的那一段仍被称为“低压室”，具有较高压力的那一段仍被称为“高压室”，两膜片之间的那一段被称为“中压室”，一般“中压室”的压力值介于“低压室”和“高压室”压力值之间。膜片的破裂时间对激波的产生机制也不同。
图3.3第二膜片瞬间破裂的波系图
图3.4第二膜片延时破裂的波系图
如上图，双膜破裂的机制不同，其区别为：第一、第二膜片几乎同时立即破裂，在中压室中没有形成反射区；二是第二膜片延时破裂，在中压室形成的反射压力使得第二膜片破裂，为了使相同厚度的膜片破裂，双膜激波管比单膜需要更大的初始高压室压力。
