Numerical modelling of short pulse shock initiation of ultrafine Hexanitrostilbene (HNS)

Studiar av kortvarige sjokkpulsar er relevant for mange høg-energetiske applikasjonar. Ein slik applikasjon er initieringa av ufølsamt høgeksplosiv, gjerne føretrekt som boosterladning i militære og sivile applikasjonar grunna dei overlegne eigenskapane når det gjeld tryggleik og presisjon i tid. Ultrafin Hexanitrostilbene (HNS) er eit material som oppfyller krava til ein slik boosterladning. Kritisk fart ved anslag på film av spesifisert material og tjukkleik og propageringslengd for trykkbølgje før detonasjon, er viktige markørar i anslagstestar for å kunne karakterisere ein spesifikk variant av HNS. I dette arbeidet undersøker vi bruken av "smoothed particle hydrodynamics" (SPH), og ein spesiell utviding av metoden kalla regularisert SPH (RSPH), til modellering av vekselverknaden mellom ein plastfilm og ein HNS-ladning.

Denne rapporten skildrar dei grunnleggande aspekta ved modellen som skal brukast til å studere initieringsprosessen av eksplosivet. Ein detaljert diskusjon vert presentert av kor viktig det er med riktig bruk av kunstig viskositet for numerisk å kunne kontrollere fluktuasjonane som vert generert som følge av anslaget. Detaljar omkring implementeringa av modellen for detonasjonsprosessen vert gjeven. Krav til oppløysing for den spesifikke applikasjonen vert formulert. Først tek rapporten for seg det enklare problemet med ikkje-reaktivt HNS, for etterpå å sjå på tilfellet med reaktivt HNS. Det vert konkludert med at det trengst 20-40 reknenodar (kalla partiklar) innanfor tjukkleiken til plastfilmen for å få nokolunde riktig detonasjonsterskel og tidsutvikling for tenneprosessen. Dette representerer eit strengt krav til oppløysing som gjer det utfordrande å modellere problemet i full 3D. To ulike strategiar for å redusere CPU-kostnaden vert diskutert, ved bruk av anten variabel oppløysing eller tidsvarierande simuleringsdomene. Resultata indikerer at å bruke tidsvarierande simularingsdomene er ein betre strategi i dette tilfellet enn å bruke variabel oppløysing grunna utfordringar med numerisk stabilitet.

Samanlikning av numeriske og eksperimentelle resultat av ein 75 𝜇m tjukk film syner godt samsvar dersom breidda på filmen er omlag 600 𝜇m eller meir. Dersom breidda er under 600 𝜇m og gradvis vert redusert, aukar den kritiske farten til filmen raskare i dei numeriske simuleringane enn det som vert indikert av dei eksperimentelle resultata. Det er framleis uklart kva som er årsaka til dette avviket.