水下爆炸沖擊波在圓柱殼結構表面繞射衰減分布

張迪洲 , 何鎮(zhèn)宏 , 何心怡 , 李 營 , 盧 軍 , 陳 雙

水下爆炸沖擊波在圓柱殼結構表面繞射衰減分布

張迪洲1, 何鎮(zhèn)宏2, 何心怡1, 李 營2, 盧 軍1, 陳 雙1

(1. 海軍研究院, 北京, 100161; 2. 北京理工大學 爆炸科學與技術國家重點實驗室, 北京, 100081)

水下爆炸沖擊波作用于圓柱殼表面時, 除反射沖擊波外, 在背爆面還會形成繞射沖擊波。為了研究沖擊波壓力在圓柱殼表面的繞射分布特性, 采用ABAQUS 軟件的耦合歐拉-拉格朗日方法對水下爆炸沖擊波與圓柱殼結構的相互作用進行了數(shù)值仿真, 得到了圓柱殼周圍的壓力場分布情況, 分析了不同爆距和藥量對繞射沖擊波衰減的影響。研究結果表明: 沖擊波壓力峰值和沖量在迎爆面區(qū)域急速衰減, 隨著爆距的減小, 衰減到50%的角度變小, 衰減速度明顯變快, 而藥量對沖擊波壓力峰值和沖量衰減影響都很小。

水下爆炸; 圓柱殼; 沖擊波; 繞射壓力衰減

0 引言

圓柱殼結構是艦艇及其他海洋結構物中廣泛使用的工程構件, 世界各國海軍密切關注水下爆炸對上述設施和結構的破壞問題, 其中, 沖擊波載荷是上述結構和設施安全的主要威脅之一, 其與圓柱殼體間的相互作用具有重大研究意義。

在分析水下爆炸沖擊波波動效應時, 除了圓柱殼迎爆面的壓力分布和反射外, 也要考慮圓柱殼背爆面形成的繞射沖擊波。Huang [1]考慮了球面沖擊波與圓柱殼的相互作用, 計算了殼面幾個點的衍射壓力, 得到解析解。李裕春等[2]研究了水中平面沖擊波對剛性方形臺的繞射效應。姚熊亮等[3]采用ABAQUS 軟件, 仿真分析了雙層圓柱殼結構的抗沖擊性能。朱正洋[4]研究了近地空中爆炸沖擊波與柱形拱殼結構的相互作用, 分析了沖擊波在空氣介質中的傳播過程和對結構的繞射特性。邵宗戰(zhàn)[5]測量了水下爆炸作用下圓柱殼周圍的沖擊波壓力曲線。此外，姚熊亮等[6]還分析了不同板厚和爆距對沖擊波繞射圓柱殼的影響; 譚皓洋[7]采用ABAQUS的耦合歐拉-拉格朗日(coupled Eulerian-Lagrangian, CEL)方法, 仿真了水下爆炸沖擊波、氣泡脈動和氣泡射流全物理過程。但以上研究重點均圍繞水下爆炸圓柱殼載荷變化機理和結構響應規(guī)律, 對實尺度下沖擊波繞射規(guī)律和圖譜關注不夠, 限制了工程應用。

文中以10 m 級圓柱殼為研究對象, 采用ABAQUS 有限元程序對水下爆炸沖擊波繞圓柱殼傳播的動態(tài)過程進行了數(shù)值仿真, 分析了沖擊波沿圓柱殼繞射的衰減過程, 得到了壓力峰值和沖量分布圖譜, 為水下武器毀傷評估的理論方法提供載荷輸入。

1 數(shù)值仿真模型

1.1 物理模型

水下爆炸是一個復雜的流固耦合問題, 炸藥爆炸會在毫秒時間內產生高峰值壓力的沖擊波, 文中采用CEL 方法模擬沖擊波與圓柱殼的相互作用。計算模型如圖1 所示, 參考實際尺寸, 圓柱殼半徑為R=5 m, 藥包TNT 當量為100 kg, 藥包中心與殼體間的距離r=5 m。圓柱殼內部為空氣, 外部為水, 圓柱殼設為剛性結構并固定。為減小流場邊界影響, 流場大小為圓柱殼截面方向長50 m, 高20 m, 圓柱殼長度方向15 m, 流場最小網(wǎng)格和結構網(wǎng)格尺寸為0.1 m, 流場邊界采用無反射邊界條件。由于圓柱殼為對稱結構, 以1/2 模型進行計算,計圓柱殼迎爆面離藥包最近點角度為0°, 背爆面離藥包最遠點角度為180°, 為研究沖擊波沿圓柱殼的繞射, 在圓柱殼周圍每隔5°設置1 個壓力測點, 圖1 標記了幾個典型角度的測點。

圖1 水下爆炸物理模型Fig. 1 Physical model of underwater explosion

1.2 參數(shù)設置

1.2.1 水介質狀態(tài)方程

US-UP狀態(tài)方程被用來模擬不可壓的層狀流動, 并通過納維-斯托克斯(Navier-Stokes, N-S)方程控制運動, 能準確模擬水在沖擊波載荷作用下的運動過程。線性US-UPHugoniot 形式狀態(tài)方程為[8]

式中:US為線性沖擊速度;UP為質點速度; 水中聲速C1=1 500 m/s; 材料常數(shù)S1=1.75, 水密度為1 000 kg/m3。

1.2.2 空氣介質狀態(tài)方程

理想氣體狀態(tài)方程為[8]

式中: 空氣密度ρa=1.2 kg/m3; 氣體常數(shù)R=287;θ為當前溫度; θZ為絕對零度; 環(huán)境壓力pA設為0 .1 Mpa[8]。

1.2.3 炸藥狀態(tài)方程

水下爆炸產生的爆轟產物采用JWL(Jones-Wilkins-Lee)狀態(tài)方程

式中:A,B,R1,R2,ω為試驗得到的材料常數(shù),A=3.7377×1011Pa ,B=3.7471×109Pa,R1=0.45,R2=0.9, ω=0.35; 炸藥單位質量內能Em=3.8×106J/kg,初 始炸藥密度ρ0=1 630 kg/m3; 爆轟產物密度為ρ。

1.3 有效性驗證

1.3.1 仿真結果與經驗公式對比

為驗證數(shù)值仿真爆炸沖擊波載荷的準確性, 對自由場中的水下爆炸沖擊波進行計算。流場網(wǎng)格大小為0.1 m, TNT 當量為100 kg, 此時初始藥包半徑R0=0.245 m, 爆點設在藥包中心, 如圖2(a)所示。在距離爆心10R0、15R0和20R0處設置壓力測點P1,P2和P3。水下爆炸數(shù)值仿真計算的沖擊波壓力與Geersamp;Hunter 模型公式[9]對比曲線如圖2(b)～(d)所示, 從圖中可以看出, 峰值壓力數(shù)值仿真結果與經驗公式吻合良好。壓力曲線在峰值過后的多次壓力震蕩, Cole[10]認為是由于不同位置的炸藥顆粒產生的沖擊波疊加造成的, 而在數(shù)值仿真模型中的不同炸藥填充單元造成了峰值后的震蕩。

圖2 爆炸沖擊波壓力數(shù)值仿真與經驗公式對比Fig. 2 Comparison of explosion shock wave pressures between numerical simulation and empirical formula

1.3.2 仿真結果與試驗數(shù)據(jù)對比

由水下爆炸沖擊波縮比理論[11]可知, 在相同爆距半徑比下, 水下爆炸沖擊波壓力值相同。根據(jù)文獻[12]中的試驗數(shù)據(jù), 試驗壓力傳感器位于TNT炸藥10 倍半徑處, 在相同爆距半徑比下, 水下爆炸沖擊波峰值仿真結果與文獻中的試驗結果如表1所示。從表中可以發(fā)現(xiàn), 仿真值與試驗值誤差較小, 驗證了仿真結果的正確性。

表1 試驗與仿真沖擊波峰值壓力對比Table 1 Comparison of peak pressures of shock wave between test and simulation

2 水下爆炸沖擊波繞射特性

2.1 水下爆炸沖擊波繞射原理

基于空氣動力學理論, 超聲速氣流沿外折微小角度的壁面流動時, 經過折角后流動空間擴大, 速度增大, 壓強、密度、溫度降低, 壓強變化的擾動沿折點向外傳播形成弱膨脹波, 與波前氣流方向形成夾角, 圓柱殼面可看作連續(xù)的折角變化, 在圓柱殼的每一處都形成弱膨脹波, 從而形成了傳播方向改變的繞射波[13]。

2.2 水下爆炸沖擊波繞射過程

數(shù)值仿真計算得到的水域壓力云圖如圖3 所示。炸藥起爆后, 沖擊波以球形向外傳播, 當?shù)竭_圓柱殼后, 形成反射, 如圖3(a)所示; 沖擊波在結構處反射后, 在結構處形成空化, 如圖3(b)所示; 沖擊波繼續(xù)沿著圓柱殼向前傳播, 到達圓柱殼頂部, 同時圓柱殼的反射波向炸藥方向傳播, 經過氣泡時產生截斷現(xiàn)象, 如圖3(c)所示; 沖擊波最后到達圓柱殼背爆面, 上下兩側沖擊波形成疊加效應, 如圖3(d)所示。

2.3 不同角度下圓柱殼壓力時域特征

不同角度下的圓柱殼壓力時域曲線如圖4 所示。迎爆面測點在沖擊波到達后出現(xiàn)第1 個峰值,隨后迅速衰減, 由于殼體的反射形成了第2 個波峰, 如圖4(a)所示; 背爆面測點在沖擊波到達后出現(xiàn)波峰, 在第1 個波峰衰減后仍然保持一定壓力,在180°處由于上下兩側沖擊波疊加, 壓力峰值疊加明顯大于170°和175°處, 同時也可以明顯看到,170°和175°處在第1 個峰值還未衰減完成時, 另一側沖擊波引起的2 次峰值疊加, 如圖4(b)所示。

圖3 水域壓力云圖Fig. 3 Pressure contour of water

圖4 壓力時域曲線Fig. 4 Time domain curves of pressure

3 沖擊波繞射影響因素分析

3.1 不同爆距下沖擊波繞射特性

近距離爆炸下, 沖擊波繞射曲率與爆距密切相關。為研究爆距對沖擊波繞射衰減的影響, 在不改變藥量100 kg 的條件下, 改變爆距進行仿真計算, 設計爆距范圍為3～10 m。圓柱殼半徑R=5 m,爆 距為r, 定義無量綱相對爆距λ=r/R。

3.1.1 壓力時域特征

不同爆距下典型角度處壓力時域曲線如圖5所示, 可見在迎爆面沖擊波隨著爆距減小衰減較為明顯, 而背爆面沖擊波經過繞射后, 不同爆距下沖擊波峰值相差不大, 在150°處沖擊波峰值已經較為接近。

3.1.2 壓力峰值空間分布

在每個工況下, 將0°處的沖擊波壓力峰值記為Pmax, 測點處的沖擊波峰值記為Pm, 定義無量綱參數(shù)Pm/Pmax來衡量沖量的衰減程度, 如圖6 所示?？梢钥吹經_擊波壓力峰值在迎爆面區(qū)域急速衰減, 而在背爆面衰減速度變慢。同時, 隨著爆距減小, 衰減速度也變快, 在λ=2時約68°處達到了50%的衰減, 在λ=0.6時約40°處便達到了50%的衰減。由于180°處上下兩側沖擊波的疊加, 沖擊波 峰值略微上升。

3.1.3 沖量空間分布

沖量是壓力場持續(xù)作用在目標物上壓力的時間積累量, 是造成結構毀傷的一個重要參數(shù), 對沖擊波壓力曲線的第1 個波峰時間段進行積分, 得到沖擊波在單位面積的沖量I。在每個工況下,將0°處的沖量記為Imax, 測點處的沖量記為Im, 定義無量綱參數(shù)Im/Imax, 來衡量沖量的衰減程度,如圖7 所示?？梢钥吹經_量在迎爆面區(qū)域急速衰減, 而在背爆面衰減速度變慢。同時, 隨著爆距減小, 衰減速度也變快, 在λ=2時約70°處達到了50%的衰減, 在λ=0.6時約35°處便達到了50%的衰減。由于180°處上下兩側沖擊波的疊加, 沖量略微 上升。

圖5 不同角度處典型爆距下沖擊波壓力時域曲線Fig. 5 Time domain curves of shock wave pressure with typical blast distance at different angles

圖6 不同爆距下Pm/Pmax 隨角度變化曲線Fig. 6 Curves of Pm/Pmax varies with the angles in different blast distance

圖7 不同爆距下Im/Imax 隨角度變化曲線Fig. 7 Curves of Im/I max varies with the angles in different blast distance

3.2 不同藥量下沖擊波繞射特性

沖擊波峰值與藥量相關, 為研究藥量對沖擊波繞射衰減的影響, 在不改變爆距5 m 的條件下, 通過改變藥量進行仿真計算, 設計范圍為25～400 kg。

3.2.1 壓力時域特征

不同藥量下典型角度處壓力時域曲線如圖8所示, 可見不論在迎爆面還是背爆面, 沖擊波壓力峰值都隨著藥量增大而顯著增大。

3.2.2 壓力峰值空間分布

無量綱參數(shù)Pm/Pmax在不同藥量下隨爆距的變化如圖9 所示, 可以看到在不同藥量下, 沖擊波壓力衰減趨勢相似。

3.2.3 沖量空間分布

無量綱參數(shù)Im/Imax在不同藥量下隨爆距的變化如圖10 所示, 可以看到在不同藥量下, 沖擊波壓力衰減趨勢相似。

圖8 不同藥量下典型角度處沖擊波壓力時域曲線Fig. 8 Time domain curves of shock wave pressure with typical angles at different charge of TNT

圖9 不同藥量下Pm/Pmax 隨角度變化曲線Fig. 9 Curves of Pm/Pmax varies with the angles in different charge of TNT

圖10 不同藥量下Im/Imax 隨角度變化曲線Fig. 10 Curve of Im/Imax varies with the angles in different charge of TNT

4 結論

文中對水下爆炸沖擊波繞圓柱殼傳播的動態(tài)過程進行了數(shù)值仿真, 分析了沖擊波沿圓柱殼繞射的衰減過程, 得到了沖擊波壓力峰值、沖量在圓柱殼表面的分布圖譜, 探討了爆距和藥量對分布圖譜的影響, 為水下武器毀傷評估的理論方法提供載荷輸入。主要結論有:

1) 水下爆炸沖擊波在傳播到圓柱殼表面時,會產生反射波和繞射波, 迎爆面處壓力迅速達到峰值隨后衰減, 反射波形成第2 個較小的峰值。

2) 背爆面繞射沖擊波形成峰值, 衰減速度變慢, 在180°背爆面處由于兩側繞射波同時到達, 沖擊波疊加峰值變大。

3) 沖擊波壓力峰值和沖量在迎爆面區(qū)域急速衰減, 隨著爆距的減小, 衰減到50%的角度變小,衰減速度明顯變快。而藥量對沖擊波壓力峰值和沖量衰減影響都很小。

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Diffraction Attenuation Distribution of Underwater Explosion Shock Waves on the Surface of a Cylindrical Structure

ZHANG Di-zhou1,HE Zhen-hong2,HE Xin-yi1,LI Ying2,LU Jun1,CHEN Shuang1

(1. Naval Research Institute, Beijing 100161; 2. State Key Laboratory of Explosion Science and Technology, Beijing University of Technology, Beijing 100081)

When an underwater explosion shock wave acts on the surface of a cylindrical shell, a shock wave forms on the backshock surface in addition to the reflected shock wave. To study the diffraction distribution features of shock wave pressure on the surface of a cylindrical shell, the coupled Eulerian-Lagrangian method in the ABAQUS soft ware is used to simulate the interactions of underwater explosion shock waves and cylindrical shell structures. The pressure field distribution around a cylindrical shell is obtained. The influence of different blast distances and charges of TNT on the diffraction effect of shock wave attenuation is analyzed. The results indicate that the peak pressure and impulse of shock waves decay rapidly in front of the blast surface. With a decrease in blast distance, the angle required for attenuation to 50% decreases and the attenuation speed increases significantly. However, the charge of TNT has little effect on the peak pressure and impulse attenuation of shock waves.

underwater explosion; cylindrical shell; shock wave; diffraction

TJ410; U661.44

A

2096-3920(2022)03-0371-07

10.11993/j.issn.2096-3920.2022.03.013

張迪洲, 何鎮(zhèn)宏, 何心怡, 等. 水下爆炸沖擊波在圓柱殼結構表面繞射衰減分布[J]. 水下無人系統(tǒng)學報, 2022,30(3): 371-377.

2022-03-29;

2022-05-08.

張迪洲(1988-), 男, 博士, 助理研究員, 主要研究方向為裝備作戰(zhàn)效能評估技術.

(責任編輯: 許 妍)