近地爆沖擊波在洞庫內的傳播特性

石成英，梅宗書，王爭，魯昌兵

（第二炮兵工程大學，西安710025）

【裝備理論與裝備技術】

近地爆沖擊波在洞庫內的傳播特性

石成英，梅宗書，王爭，魯昌兵

（第二炮兵工程大學，西安710025）

研究了洞庫內TNT炸藥離地面較近時，產(chǎn)生的爆炸沖擊波在一端封閉的洞庫內的傳播特性。由于洞庫縱深短，傳播特性主要為炸藥近地爆條件下沖擊波的早期非穩(wěn)定傳播。采用數(shù)值模擬方法進行了爆炸仿真試驗，得到?jīng)_擊波超壓云圖和壓力時程曲線，總結出了近地爆條件下沖擊波在洞庫內的不規(guī)則反射、環(huán)流以及二元波次等特點。

近地爆；洞庫；數(shù)值模擬；傳播特性

現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，隨著精確制導技術的發(fā)展和鉆地彈技術的提高，導彈在洞庫及坑道內的爆炸可能性大幅度提高［1］。相對于導彈在地面上爆炸和空爆，洞庫或坑道內爆由于壁面反射而具有更高的沖擊波超壓和更長的作用時間，因此破壞效果也更大。對于炸藥內爆，目前大部分研究集中在縱深較長（≥100 m）的坑道內的爆炸，如礦用坑道和軍事地下坑道。常用的研究途徑為通過擬合真實或仿真爆炸試驗參數(shù)，得到?jīng)_擊波在坑道內傳播達到穩(wěn)定時的峰值超壓計算公式。如我國學者楊科之、楊秀敏［2］通過對長坑道中的化爆流場進行仿真試驗，得到坑道內爆時空氣沖擊波超壓峰值沿坑道軸線的衰減曲線，并擬合得到如下形式的計算公式

式中：Δpm為峰值超壓（MPa）；m為TNT質量（kg）；S為坑道截面積（m2）；R為到爆心距（m）。該公式適用于波形穩(wěn)定可看成平面波的沖擊波超壓計算，試用范圍為等效比例爆距（SR/m）1/3≥2.7 m/kg1/3。

本研究以縱深較短（≤30 m）的洞庫為研究對象，通過數(shù)值模擬計算分析在洞庫內的近地爆沖擊波早期紊亂流動狀態(tài)。

1 模型建立

考慮到模型為三維軸對稱模型，建模時只建二分之一模型。圖1所示為洞庫二分之一模型，洞庫一端開口，由炸藥、空氣、和混凝土壁面組成。其中炸藥位于洞庫中軸線上，炸藥量為200 g，離地高度為100 mm，距洞口2 000 mm，空氣整體尺寸為2 300 mm×600 mm×800 mm，與炸藥網(wǎng)格共節(jié)點，洞庫壁厚50 mm。三者層層包裹，沒有重疊部分。

圖1 洞庫模型剖面圖

從解析計算的角度對爆炸沖擊波傳播的狀態(tài)進行預測，根據(jù)尺寸可計算出模型中的等效比例爆距（SR/m）1/3≤1. 69，小于上文中沖擊波超壓計算中等效比例爆距（SR/m）1/3≥2.7 m/kg1/3的適用范圍。即說明在洞庫內爆流場的整個傳播歷程中，爆炸沖擊波始終未達到可用上文所述公式計算器超壓峰值的穩(wěn)定狀態(tài)，即全程為非穩(wěn)定傳播狀態(tài)。

2 材料參數(shù)與算法

本試驗涉及的材料有TNT炸藥、空氣、混凝土。根據(jù)洞庫內爆的實際情況，合適的材料模型和算法的選取是決定仿真計算準確的重要保證。本研究中炸藥采用*HIGH_EXPLOSIVE_BURN［3］模型及*EOS_JWL狀態(tài)方程進行定義

式中：P為爆轟壓力；V是相對體積；E是單位體積內能；ω，A，B，R1，R2為材料常數(shù)，各參數(shù)具體數(shù)值設定為分別為：A= 3.74×1011，B=3.231×109，R1=4.15，R2=0.95，ω=0.3，初始內能E0=7.0×109J，初始相對體積V0=1.0。

空氣模型采用非黏性理想氣體模型*MAT_NULL及* EOS_LINEAR_POLLYNOMIAL狀態(tài)方程。線性多項式狀態(tài)方程為

式中：P為爆轟壓力；E為單位體積內能；V為相對體積。C0=C1=C2=C3=C6=0，C4=C5=0.4。

混凝土材料采用*MAT_SOIL_CONCRETE［4］模型，該模型能有效地模擬混凝土和土壤材料，參數(shù)設置為密度ρ=2.5 g/cm3，剪切模量E=12.5 GPa，體積彈性模量K= 16.67 GPa。

試驗對炸藥和空氣采用Euler網(wǎng)格建模，單元使用多物質ALE算法［5］，對洞庫壁面混凝土采用Lagrange網(wǎng)格建模。網(wǎng)格劃分時，3種材料使用相同的單元尺寸。為準確描述洞庫壁面和洞口空氣的近似無線域介質，在混凝土4個壁面和洞口空氣表面施加無反射邊界。

3 結果分析

實驗得到壓力云圖如圖2、圖3所示。

由圖2、圖3可知，對于洞庫內爆流場早期傳播特性，主要有以下特點：

1）爆炸起始階段，由于爆炸點靠近地面，沖擊波依次經(jīng)歷了地面、正向壁面和頂面3次反射，沖擊波在經(jīng)過底面和側壁反射后向前上方傳播，在傳播過程中，頂面作為二次反射面沖擊波超壓是最大的，能量主要向洞庫頂部聚集，這一點可以從圖3中超壓值最大的紅色區(qū)域得到。

2）沖擊波在洞庫頂面發(fā)生反射后，一部分能量合并到前沿波陣面向前傳播，一部分能量由于頂面法向反射，使前沿波陣面后的流場產(chǎn)生環(huán)流現(xiàn)象［6］，加劇了傳播的不穩(wěn)定性。

3）沖擊波峰值超壓所處位置隨時間而變化，具體而言，有由側面向中心移動，由頂部向底部移動的趨勢。

圖2 洞庫內沖擊波傳播右視圖

圖3 洞庫沖擊波傳播俯視圖

在距離地面1.5 m的模型中軸線上取爆心距分別為5 m，10 m，15 m，20 m的4個點，通過LS-PROPOST后處理器得到4點處沖擊波超壓峰值如圖4所示。

圖4 不同爆心距沖擊波超壓

由圖4可知，在爆心為10 m處，沖擊波兩次達到峰值，由此說明流場中沖擊波的結構為前沿合成波陣面和后續(xù)紊亂環(huán)流波結構組成，稱之為二元波次結構。從兩次超壓峰值的大小可知，后續(xù)紊亂環(huán)流波的能量較大，而能量較高的波速度也越大，說明在繼續(xù)傳播一定距離后，前后兩列波將融合在一起，繼而形成穩(wěn)定的平面波向前傳播，這一點吻合坑道內爆沖擊波流場的傳播規(guī)律。此外，爆心距20 m處沖擊波超壓峰值反而比其他三點處高，說明在洞庫內爆流場的早期傳播中，沖擊波超壓峰值與爆心距不成線性反比關系。

4 結束語

爆炸沖擊波在洞庫內傳播在短距離內無法達到穩(wěn)定，由于波陣面的不穩(wěn)定性和空氣的環(huán)流效應，沖擊波超壓與爆心距并不成線性比例關系，隨著空氣的非穩(wěn)定流動，爆心距大的單元處超壓峰值反而更高，這是與典型洞庫內沖擊波傳播規(guī)律最大的不同。同時研究爆炸沖擊波在洞庫內傳播，必須考慮二元波次的存在，洞庫內沖擊波能量在傳播方向上分為前后兩股能量，能量的大小為后續(xù)環(huán)流波的能量要大于前沿合成波的能量，這對于處于洞庫內的物體來說意味著存在兩次沖擊動力響應。

［1］Hader H J.Design and Application of Reinforced ConcretearmouredDoors［C］//Proceeding of the 2th Symposium onthe Interaction of Nonnuclear Munitions with Structures.［S.l.］:Panama City Beach，F(xiàn)L，1985:494-499.

［2］楊科之，楊秀敏.坑道內化爆沖擊波的傳播規(guī)律［J］.爆炸與沖擊，2003，23（1），37-40.

［3］Esparza E D，Aker w E，OldhamG A.Blast pressure inside and outside suppressive structures［R］.USA:southwest Research Institute，1975:8-14.

［4］藺照東.井下巷道瓦斯爆炸沖擊波傳播規(guī)律及影響因素研究［D］.太原:中北大學，2014.

［5］Livermore Software Technology Corporation.LS-DYAN Keyword User's Manual（Version960）［Z］.Liver-more，2001.

［6］Igra O，Wu X，F(xiàn)alcovitz J，et al.Experimental and theoreticalstudy of shock wave propagation through ducts withabrupt changes in the flow direction［J］.Journal of FluidMechanics，2001（9）:255-282.

（責任編輯周江川）

Propagation Characteristic of Near-Earth Detonation Shock Wave in Underground Structure

SHI Cheng-ying，MEI Zong-shu，WANG Zheng，LU Chang-bing
（The Second Artillery Engineering University，Xi'an 710025，China）

This paper mainly studied the propagation characteristics of the TNT explosion shock waves in an only one side enclosed underground structure.Because of the short depth of the underground structure，the propagation was the early stage of the shock-wave which was non-stable under the condition of nearearth detonation.This study used numerical simulation method to conduct blast simulation test，and got the shock wave over pressure cloud and the pressure temporal curves，and summed up the characteristics of irregular reflection，circulation and dual wave inferior under the condition of near-earth explosion shock wave in the underground structure.

near underground explosion；underground structure；numerical modeling；propagation characteristics

石成英，梅宗書，王爭，等.近地爆沖擊波在洞庫內的傳播特性［J］.四川兵工學報，2015（11）：1-3.

format：SHI Cheng-ying，MEI Zong-shu，WANG Zheng，et al.Propagation Characteristic of Near-Earth Detonation Shock Wave in Underground Structure［J］.Journal of Sichuan Ordnance，2015（11）：1-3.

O347.5；TJ4

A

1006-0707（2015）11-0001-03

10.11809/scbgxb2015.11.001

2015-06-20

石成英（1964—），男，教授，博士生導師，主要從事戰(zhàn)斗部工程研究；梅宗書（1991—），男，碩士研究生，主要從事兵器科學與技術研究。