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

Abstract

The study of short duration shock pulses is relevant in many high-energetic applications. One such application is the initiation of insensitive high explosives, often preferred as booster charges in military and civilian applications due to superior safety and timing properties. Ultra-fine Hexanitrostilbene (HNS) is a material that meets the requirements of such booster charges. Critical flyer impact velocity for a given flyer thickness and material, and run-up to detonation distance as a function of flyer velocity for a given flyer, becomes key observables in impact experiments designed to characterise a specific grade of HNS. Numerical modelling can serve as an important additional tool in such studies. In this work, we investigate the use of the numerical method smoothed particle hydrodynamics (SPH), and a particular extension to that method called Regularized SPH (RSPH), for modelling the interaction of a plastic flyer with an HNS pellet. This report describes the basic features of the model used for studying the initiation process of the explosives. It presents a detailed discussion of the importance of using an appropriate amount of artificial viscosity to control numerically the fluctuations resulting from the impact. Details are given on how the Ignition & Growth model describing the detonation process is implemented. Resolution requirements for the specific application is formulated, first for the simpler case of non-reactive HNS, then for reactive HNS. It is concluded that 20-40 calculation nodes (referred to as particles) are needed across the width of the flyer in order to secure a reasonably accurate detonation threshold and run-up to detonation description. This represents a severe resolution requirement which makes it very challenging to simulate the problem in full 3D. Two different options for reducing the CPU-cost, using either variable resolution or a time-varying simulation domain, are discussed. The results indicate that using time-varying simulation domain is a better strategy than using variable resolution in this case because of numerical stability issues. Comparisons of numerical and experimental results of a 75 𝜇��m thick flyer reveal a good fit when the flyer width is roughly 600 𝜇��m or larger. As the flyer width is reduced below 600 𝜇��m, the numerically obtained critical flyer velocity increases faster than the experimental data suggests. The reason for this discrepancy has as of yet not been established.

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.