爆炸沖擊波在防護(hù)擋墻下的削波作用研究

侯楓琳 張建橋 陳鵬 馬藝琳 楊旭 郝莉

【摘 要】采用多流體網(wǎng)格法，基于JWL狀態(tài)方程，用面向?qū)ο蟮腃++語(yǔ)言自行開(kāi)發(fā)編制了NM—MMIC通用多物質(zhì)二維流體彈塑性程序，對(duì)有和無(wú)防護(hù)檔墻的爆炸空氣沖擊波進(jìn)行了數(shù)值模擬，并用VISC 2D可視化軟件對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行動(dòng)畫(huà)演示，從中不僅可以看到爆炸過(guò)程的整體概貌，還可以清晰地顯示細(xì)微過(guò)程。計(jì)算結(jié)果基本符合沖擊波饒過(guò)擋墻的物理現(xiàn)象和規(guī)律，這說(shuō)明該物理模型和數(shù)值算法較為合理，可用于對(duì)可能發(fā)生的爆炸事故進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。

【關(guān)鍵詞】沖擊波；多流體網(wǎng)格法；數(shù)值模擬

0.引言

在現(xiàn)代生活中，爆炸災(zāi)害的發(fā)生與日俱增，造成建筑物和設(shè)備的破壞及人員的傷亡。大多數(shù)的工業(yè)災(zāi)害事故是由爆炸引起的。由爆炸產(chǎn)生的空氣沖擊波遇到目標(biāo)，如建筑物、軍事設(shè)施等會(huì)發(fā)生反射和繞射現(xiàn)象，研究這些現(xiàn)象對(duì)于摧毀敵方的軍事目標(biāo)和加強(qiáng)我方的防御工事，以及對(duì)危險(xiǎn)品生產(chǎn)車(chē)間的防護(hù)都有很大的實(shí)用價(jià)值。本文采用多流體的Euler型算法，運(yùn)用自行編制的NM-MMIC通用程序，模擬了在爆點(diǎn)周?chē)袩o(wú)防護(hù)擋墻的二維爆炸場(chǎng)，并通過(guò)考慮防護(hù)擋墻的形狀對(duì)其后爆炸場(chǎng)的影響，給出了一些對(duì)工程設(shè)計(jì)有參考價(jià)值的結(jié)果。

1.計(jì)算方法

1.1總體方程組

爆炸沖擊波的形成過(guò)程可用二維不定常彈塑性流體力學(xué)方程組描述[1]。在沖擊波的數(shù)值模擬中，涉及到三種介質(zhì)：炸藥、土和空氣。炸藥采用TNT， 爆轟產(chǎn)物的初始條件采用瞬時(shí)爆轟模型，狀態(tài)方程分別為：對(duì)于空氣，近似采用理想氣體狀態(tài)方程，對(duì)炸藥采用JWL狀態(tài)方程，土介質(zhì)所采用的狀態(tài)方程是：

p=8.626×10ee （1）

式中，P為壓力， εpv為體積應(yīng)變。

圖1帶防護(hù)墻的初始圖

1.2數(shù)值計(jì)算方法

計(jì)算域（z×r）取150×150m，網(wǎng)格劃分（z×r）為600×600個(gè)。網(wǎng)格步長(zhǎng)取0.25 。邊界條件為：左邊界取對(duì)稱(chēng)邊界，其他三邊取連續(xù)邊界條件，計(jì)算采用顯式差分格式。應(yīng)力，密度，比內(nèi)能，速度，應(yīng)力偏量等均定義在網(wǎng)格中心，人工粘性定義在網(wǎng)格邊界中點(diǎn)[2]。對(duì)于含兩種物質(zhì)的混合格，運(yùn)用Youngs界面處理技術(shù)，當(dāng)混合網(wǎng)格中有三種物質(zhì)時(shí)，采用簡(jiǎn)單線(xiàn)界面技術(shù)（SLIC）。圖1為正梯形擋墻的計(jì)算模型。

2.數(shù)值模擬結(jié)果

本文研究了無(wú)擋墻、矩形擋墻、正梯形擋墻、左斜右直擋墻等不同形狀和位置的防護(hù)擋墻對(duì)爆炸空氣沖擊波的影響，考察了圓柱形區(qū)域的高壓氣體對(duì)地面和防護(hù)擋墻的沖擊波流場(chǎng)的發(fā)展規(guī)律[3]。圖2為正梯形擋墻的爆炸過(guò)程。

圖2 正梯形擋墻的爆炸過(guò)程

通過(guò)計(jì)算可以得出如下結(jié)論：

（1）靠近爆心一側(cè)的防護(hù)擋墻形狀對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)壓力的影響較大，梯形擋墻要好于矩形擋墻；而遠(yuǎn)離爆心一側(cè)的防護(hù)擋墻形狀對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)壓力的影響不明顯，梯形擋墻與左斜右直的擋墻對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)的效果差別不大。

（2）無(wú)防護(hù)擋墻的超壓要比有防護(hù)擋墻時(shí)大得多，這表明防護(hù)擋墻在減弱遠(yuǎn)場(chǎng)壓力方面還是起到了一定作用的。

（3）在擋墻后方高度的2倍距離處的峰值壓力比無(wú)擋墻時(shí)要大得多，這是因?yàn)樵诖颂幮纬神R赫反射的緣故。這一點(diǎn)在設(shè)計(jì)防護(hù)擋墻時(shí)應(yīng)特別注意。

3.結(jié)論

本文針對(duì)爆炸沖擊波問(wèn)題，采用多流體網(wǎng)格法，研究了防護(hù)擋墻對(duì)爆炸效應(yīng)的影響。針對(duì)不同位置、不同形狀的擋墻，給出了爆炸場(chǎng)的各個(gè)物理量隨時(shí)間的變化關(guān)系。在此基礎(chǔ)上重點(diǎn)討論了遠(yuǎn)場(chǎng)壓力對(duì)防護(hù)擋墻的依賴(lài)關(guān)系，為工程設(shè)計(jì)提供了十分有用的數(shù)值分析手段。

【參考文獻(xiàn)】

[1]寧建國(guó)，張文耀，鄭祖國(guó)，李偉.爆炸與沖擊數(shù)值模擬的可視化.兵工學(xué)報(bào)，第21卷增刊，2000，8：89-91.

[2]寧建國(guó)，王仲琦，趙衡陽(yáng)等.沖擊波繞流的數(shù)值模擬研究[J].北京理工大學(xué)學(xué)報(bào)，1999，19（5）.

[3]郝莉.多物質(zhì)二維流體彈塑性程序的理論基礎(chǔ)及其應(yīng)用研究，北京理工大學(xué)博士學(xué)位論文，2003，8.