黃河冰凌單點(diǎn)爆破的數(shù)值模擬與試驗(yàn)研究

許冠超, 孟卓倫, 趙繼偉

(1.華北水利水電大學(xué),河南 鄭州 450046; 2.國網(wǎng)河南省電力公司檢修公司,河南 鄭州 450006)

黃河具有特殊的熱力、水力、河道邊界條件及地理位置,導(dǎo)致其每年在內(nèi)蒙段都會出現(xiàn)不同程度的冰凌災(zāi)害,嚴(yán)重影響了沿岸人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全[1]。目前,黃河防凌減災(zāi)主要以軍隊(duì)實(shí)施的向冰面拋擲炸彈的方法為主。這種方法在黃河凌汛期的緊急搶險(xiǎn)中發(fā)揮了很大的作用,但成本高,炸藥能量利用率很低,有時(shí)爆炸所產(chǎn)生的沖擊波會給兩岸設(shè)施及人員帶來一定的危害。再加上頻頻出現(xiàn)的極端氣候現(xiàn)象,致使黃河流域大部分地區(qū)常常遭遇寒潮,氣溫驟降,黃河冰封提前,冰厚較往年增加,黃河流域受凌汛災(zāi)害影響越來越嚴(yán)重。因此,研發(fā)節(jié)約防凌成本且破冰效果更好的爆破防凌器材對黃河防凌具有非常重要的作用[2-3]。黃河流域內(nèi)蒙段是黃河產(chǎn)生冰凌災(zāi)害的主要河段之一,幾乎每年封河和開河時(shí)都會造成冰凌災(zāi)害。因此,本文選取內(nèi)蒙古自治區(qū)包頭市磴口黃河冰封河段,針對冰凌河段在不同冰厚、炸藥裝藥量和炸藥埋深等工況下,開展冰凌爆破數(shù)值模擬試驗(yàn)和現(xiàn)場聚能隨進(jìn)破冰器破冰的試驗(yàn)研究,以期為黃河流域的防凌減災(zāi)和研制一系列聚能隨進(jìn)破冰器材的需要提供理論依據(jù)[4-5]。

1 冰凌爆破數(shù)值模擬

1.1 建立數(shù)值模型

冰凌爆破數(shù)值模型涉及到冰體材料模型的破壞和水下爆炸,反映空氣、冰體、水體和炸藥間的相互耦合作用,整個(gè)過程是一個(gè)動態(tài)的、高度非線性的變化過程,不能只采用有限元軟件ANSYS建立冰體爆破模型進(jìn)行計(jì)算。對于江河中冰凌爆破的數(shù)值模擬計(jì)算問題,國防科技大學(xué)和大連理工大學(xué)等高校及科研院所常利用ANSYS/LS-DYNA程序,采用多物質(zhì)ALE (Arbitrary Lagrange-Euler)算法以及適用于界面的流固耦合算法進(jìn)行顯式動力分析[6]。LS-DYNA程序能模擬真實(shí)世界各種復(fù)雜的幾何非線性、材料非線性和接觸非線性問題,特別適合求解各種二維、三維非線性結(jié)構(gòu)的高速碰撞、爆炸和金屬成型等非線性動力沖擊問題。因此,本文在進(jìn)行冰凌爆破數(shù)值模擬時(shí)也采用ANSYS/LS-DYNA程序。

基于爆破模型的對稱性和計(jì)算的快捷性,只建立了1/4個(gè)三維的冰凌爆破模型,模型由空氣、冰、炸藥和水4部分組成:空氣模型尺寸為500 cm×500 cm×50 cm;冰模型尺寸為500 cm×500 cm×Xcm(冰厚為10～60 cm);水模型尺寸為500 cm×500 cm×100 cm;炸藥模型尺寸為Xcm×Xcm×Xcm(X取值10～20 cm),如圖1所示。

圖1 冰凌爆破1/4數(shù)值模型

模型單元選用3D Solid 164單元,它是由8個(gè)節(jié)點(diǎn)組成的三維實(shí)體單元,每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有9個(gè)自由度;水體為NULL模型;冰體采用各向同性彈性斷裂模型;計(jì)算方法采用多物質(zhì)ALE算法,即多物質(zhì)任意拉格朗日-歐拉算法[7-10]。

炸藥采用HIGH-EXPLOSIVE-BURN高能炸藥模型,爆轟壓力的確定采用JWL(JONES-Wilkins-Lee)狀態(tài)方程[11]:

(1)

式中:P為爆轟壓力;V為炸藥的相對體積;E為單位體積炸藥的初始內(nèi)能;ω、A、B、R1、R2均為材料常數(shù)。

1.2 模擬分析工況

工況1:冰厚為20～60 cm;分析在不同埋深處,炸藥的裝藥量分別為1.2、2.4、4.8 kg時(shí)冰體爆破直徑和體積的關(guān)系。

工況2:分析炸藥的裝藥量分別為1.2、2.4、4.8 kg時(shí)不同冰厚、炸藥埋深與冰層爆破直徑之間的關(guān)系。

工況3:分析冰層厚度分別為20、40、60 cm時(shí)不同裝藥量、炸藥埋深與冰層爆破直徑之間的關(guān)系。

2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

根據(jù)建立的三維冰凌爆破模型,模擬分析工況1,限于篇幅,僅以冰厚30 cm和50 cm為例,分析不同裝藥量、藥包埋深與冰體爆破直徑和體積的關(guān)系,詳見表1和表2。

根據(jù)表1、表2中的數(shù)值模擬分析結(jié)果,經(jīng)回歸分析可得:冰層厚度在20～60 cm時(shí),以水為約束介質(zhì)的最佳爆破作用系數(shù)K=R/H=30/60～20/20=0.5～1.0(H為冰厚;R為炸藥埋深,即藥包中心至冰層下表面的距離);藥包位于冰層下的爆破效果明顯好于位于冰面或冰層內(nèi)的爆破效果。

表1 炸藥埋深與冰層破壞直徑和體積的關(guān)系(冰厚30 cm)

表2 炸藥埋深與冰層破壞直徑和體積的關(guān)系(冰厚50 cm)

根據(jù)建立的三維冰凌爆破模型,模擬分析工況2,設(shè)定裝藥量分別為1.2、2.4、4.8 kg,運(yùn)用ORIGIN軟件繪制不同冰厚、炸藥埋深與冰層爆破直徑之間的關(guān)系曲線如圖2所示。

模擬分析工況3,設(shè)定冰層厚度分別為20、40、60 cm時(shí),不同裝藥量、炸藥埋深與冰層爆破直徑之間的關(guān)系如圖3所示。

不同冰層厚度下,裝藥量和冰體最大爆破直徑之間的關(guān)系如圖4所示。

圖2 設(shè)定裝藥量時(shí),不同冰厚、炸藥埋深與冰層爆破直徑之間的關(guān)系

圖3 設(shè)定冰層厚度時(shí),不同裝藥量、炸藥埋深與冰層爆破直徑之間的關(guān)系

圖4 不同冰層厚度下,裝藥量和冰體最大爆破直徑之間的關(guān)系

由圖2—4可知：裝藥量為1.2 kg和2.4 kg時(shí)，不同冰厚、不同炸藥埋深的最大爆破直徑分布比較開，相差較大，最大差值約2 m；裝藥量為4.8 kg時(shí)，不同冰厚、不同炸藥埋深的最大爆破直徑相對比較集中，可以預(yù)估在0～60 cm的冰厚區(qū)域內(nèi)，當(dāng)裝藥量相對較大時(shí)，在最佳炸藥埋深范圍內(nèi)冰體爆破直徑相對集中，變化不大。

當(dāng)裝藥量一定、冰層厚度固定時(shí)，冰體破壞直徑隨著藥包埋深的增加大致呈先增加后減小的趨勢；在以水為介質(zhì)的爆破范圍內(nèi)存在一個(gè)最佳爆破點(diǎn)。

不同冰厚的最大爆破直徑在一定范圍內(nèi)隨裝藥量的增加而變大，但不呈線性關(guān)系遞增。

3 現(xiàn)場試驗(yàn)研究

2010年3月和2012年3月,由華北水利水電大學(xué)防凌減災(zāi)研究所與工程兵科研三所等單位組成的破冰試驗(yàn)小組先后兩次赴黃河流域內(nèi)蒙古磴口段開展了不同裝藥量和炸藥埋深的現(xiàn)場破冰試驗(yàn)。采用的破冰器材為聚能隨進(jìn)破冰器。聚能隨進(jìn)破冰器是集存儲、運(yùn)輸、發(fā)射、破冰功能于一體的兩級爆炸破冰結(jié)構(gòu),將聚能穿孔裝置、隨進(jìn)破冰裝置、推進(jìn)裝置依序密封在連接筒內(nèi),如圖5所示。第一部分聚能穿孔裝置通過傳爆裝置與第二部分隨進(jìn)破冰裝置相連,第二部分隨進(jìn)破冰裝置尾端嵌入至第三部分——提供動力的推進(jìn)裝置中。該器材的連接筒外側(cè)中部設(shè)置了支架。

圖5 聚能隨進(jìn)破冰器

在冰厚30 cm、裝藥量1.2 kg時(shí),分別進(jìn)行了炸藥埋深為-20、-10、0、10、20 cm的冰凌爆破試驗(yàn),試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表3,現(xiàn)場試驗(yàn)場景如圖6所示。對比分析表1和表3,結(jié)合圖6可知：相同裝藥量下,現(xiàn)場爆炸效果與數(shù)值模擬的計(jì)算結(jié)果表現(xiàn)出良好的一致性;爆炸區(qū)域均基本呈圓形;在冰體破碎區(qū)域,冰體都有徑向和環(huán)向裂紋產(chǎn)生,證明了數(shù)值計(jì)算模型和計(jì)算結(jié)果的安全可靠性。

表3 冰厚30 cm、裝藥量1.2 kg時(shí)現(xiàn)場破冰試驗(yàn)結(jié)果

2010年和2012年的兩次破冰試驗(yàn)都非常圓滿地完成了預(yù)定的爆破計(jì)劃,取得了良好的現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果；同時(shí)，驗(yàn)證了聚能隨進(jìn)破冰器的可行性,且為聚能隨進(jìn)破冰器進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。

4 結(jié)語

基于黃河流域防凌減災(zāi)和研制一系列聚能隨進(jìn)破冰器的需要,為獲取各種典型工況下的防凌爆破參數(shù),選取內(nèi)蒙古自治區(qū)包頭市磴口黃河冰封河段,開展了冰凌爆破數(shù)值模擬試驗(yàn)和現(xiàn)場聚能隨進(jìn)破冰器破冰試驗(yàn),主要結(jié)論如下:

1)現(xiàn)場聚能隨進(jìn)破冰器破冰試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性,為設(shè)計(jì)不同防凌器材奠定了理論基礎(chǔ)。

2)藥包在冰面爆炸的破冰效果最差,在冰內(nèi)爆炸的效果也不理想,在冰層以下爆炸的效果最好,且在冰層下方存在一個(gè)最佳爆破系數(shù)K=R/H=0.5～1.0。

3)當(dāng)冰厚一定、裝藥深度一定時(shí),冰體爆破直徑隨裝藥量的增加大致呈增加趨勢;當(dāng)裝藥量一定、裝藥深度一定時(shí),冰體爆破直徑隨冰厚的增加呈減小趨勢;當(dāng)裝藥量一定、冰厚一定時(shí),冰體爆破直徑隨炸藥埋深的增加呈先增加后減小趨勢。

4)最佳爆破位置的確定,為各種裝藥量、不同地區(qū)的冰厚尺寸下的爆破防凌器材的延時(shí)參數(shù)設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。

5)通過現(xiàn)場試驗(yàn)和數(shù)值模擬分析,不同工況下的爆破參數(shù)可以組建成為防凌爆破數(shù)據(jù)庫,為研發(fā)一系列不同防凌器材提供參考,對今后黃河面對不同凌災(zāi)選用合適的防凌器材具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。