泄压口大小对约束空间爆炸准静态超压载荷的影响规律

约束空间爆炸载荷主要包含瞬态冲击波和持续时间较长的准静态超压,为了研究泄压口大小对约束空间爆炸准静态超压载荷的影响规律,采用三阶WENO有限差分格式,编写了约束空间内炸药爆炸冲击波三维数值计算程序。利用Sod激波管、双爆轰波碰撞、激波与熵波相互作用等经典算例验证了数值程序的可靠性。基于验证的程序开展了带有泄压口的约束空间内爆炸载荷数值计算。在分析数值计算结果基础上,提出了描述准静态超压载荷简化理论公式,该理论公式与数值计算结果吻合较好。研究结果可为工程抗爆结构设计提供一定的参考和指导。     

爆炸载荷下舱内泡沫铝夹芯结构的动响应特性

为探索爆炸载荷下舱内夹芯复合结构的动态响应特性与防护效能,采用小尺度舱室结构模型实验,结合有限元数值分析,开展了不同爆炸距离下舱内双层泡沫铝夹芯结构的动响应特性和变形模式研究。分析了不同爆距下舱内爆炸载荷的作用过程和时空分布特性,讨论了在初始冲击波、初始冲击波叠加各壁面二次反射波和舱内爆炸准静态压力3种载荷下泡沫铝夹芯结构的变形模式。爆炸载荷下舱室壁板承受的载荷依次为初始冲击波、各壁面二次反射波和准静态气压。炸药在靠近舱室一端处起爆时,初始冲击波在近端壁的局部效应明显,在远端壁的作用范围更大,与舱室中心爆炸相比,其爆轰产物波动次数更少。泡沫铝夹芯结构的变形过程可分为泡沫芯层压缩、局部凸起变形和整体挠曲变形3个阶段,对应迎爆面板局部凸起叠加整体挠曲大变形、局部凸起叠加整体挠曲大变形和整体挠曲大变形3种变形模式。     

泡沫铝柱壳对药柱水下爆炸压力场影响的数值研究

基于流体弹塑性模型,建立了描述泡沫铝在爆炸载荷下的冲击响应方程;采用Lagrange差分格式,在均匀网格上对方程进行了离散;编写数值计算程序,进行了药柱水下爆炸的一维数值计算,重点考虑了泡沫铝对水中爆炸冲击波分布的影响。结果表明,数值计算结果与实验数据、LS-DYNA模拟结果基本吻合,证明所建立的泡沫铝流体弹塑性本构方程可以用来描述泡沫铝的冲击响应行为,且泡沫铝对水中爆炸冲击波压力场的影响显著。     

抗爆容器内爆炸流场数值模拟

 采用计算流体动力学中的二阶精度TVD差分格式和特殊算子分裂法,按轴对称问题,对半球顶圆柱筒密闭式抗爆容器内部爆炸流场进行了数值模拟。计算得到的容器壁面载荷分布与实验结果基本一致。不同时刻爆炸流场压力分布图像清晰地描述了容器壁面的冲击波加载过程。     

改进的三阶WENO-Z+格式及其应用

为改善三阶WENO格式的耗散特性,提高其对流场结构的分辨率,在三阶WENO-Z+格式（WENO-Z+3）基础上,构造不同形式的全局光滑因子,提出一种改进的WENO-Z+3格式（NWENO-Z+3）.选取Sod激波管、双爆轰波碰撞、激波与熵波相互作用、双马赫反射等经典算例,考察该格式的计算性能,结果表明：NWENO-Z+3格式具有更低耗散性和更高的分辨率.数值研究柱形高压气体爆炸波在单舱室和连通舱室内部的传播过程及波系演化.结果表明：改进格式NWENO-Z+3能够较好地模拟包含高压比、高密度比的爆炸波系结构.     

一种提高极值点处精度的三阶WENO-Z改进格式及应用

高精度、高分辨率激波捕捉格式对含激波流场的数值模拟具有重要意义。为了提高三阶WENO-Z格式在极值点处的计算精度,首先通过理论推导给出三阶WENO格式满足收敛精度的充分条件。采用泰勒级数展开的方式,推导确定所构造格式的参数。通过精度测试证明改进格式在光滑流场区域能收敛到三阶精度。选用Sod激波管、Rayleigh-Taylor不稳定性等经典算例证实了提出的改进格式WENO-NN3相较其他格式(WENO-SJ3、WENO-Z3和WENO-N3)具有精度高、耗散低、对流场结构分辨率高的特性。     

强爆炸火球辐射流体自适应网格高精度数值模拟

提出一种自适应网格方法,应用于基于Euler方法的强爆炸辐射流体高精度数值求解.通过与Zinn数值结果对比,验证该方法的正确性.研究自适应网格对冲击波和光辐射输出模拟精度的影响,对比不同网格尺度下的计算耗时.在相同的条件下,使用自适应网格与均匀网格加密3倍得到的冲击波超压分布、光辐射输出演化接近,计算效率提升约8.5倍...     

黏性激波管的有限体积WENO格式数值模拟

本文采用OpenFOAM软件下实现的一种可实现任意阶数,可应用于非结构网格的有限体积WENO格式对黏性激波管问题进行模拟。模拟中对流项离散采用3阶精度、4阶精度该类WENO格式,网格形式采用结构网格和三角形非结构网格。结果表明,采用该类格式,三角形非结构网格的算精度、效率优于结构网格,3阶精度格式计算效率优于4阶精度。该工作表明OpenFOAM下采用3阶精度该类格式及非结构网格对叶轮机械内部流动等复杂流场的模拟更具优势与应用潜力.     

TVD格式在燃料蒸气云爆炸场数值模拟中的应用

本文采用了有限差分方法——TVD格式(Total Variation Diminishing,A.Harten,1983)对燃料蒸气云爆炸产生的二维轴对称爆炸场进行了数值模拟。爆炸波超压和运动轨迹的数值计算值与实验结果吻合得相当好。     

基于FLACS的某城市燃气储配站气云爆炸安全评估

随着城市的发展,位于城市边缘的燃气储配站逐渐转移到了城市中心,而储配站存在燃气泄漏爆炸的可能,给城市公共安全带来潜在的风险。基于GIS技术建立了南京某燃气储配站所在区域的几何模型,导入FLACS软件进行甲烷气云爆炸数值模拟,研究了储配站气云爆炸发展过程与荷载分布规律,讨论了气云大小、点火位置以及气云位置对爆炸超压的影响,最后根据模拟结果划出爆炸损伤范围。结果表明:将GIS技术应用于FLACS模型建立可以大大缩短建模时间并提高模型精度;当气云尺寸不小于60 m且点火位置存在明显约束或障碍时,点火后可能产生爆燃;气云位于储罐西南侧时将造成大范围的人员轻伤和建筑物轻微损坏,并造成一定范围的人员重伤和建筑物的严重损坏;为避免气云爆炸产生严重后果,储配站附近应尽量减少高大密集的建筑群。     

高压气体驱动激波管的数值模拟与参数影响分析

爆炸荷载作用下建筑构件的动态响应与损伤破坏的试验研究对于结构抗爆设计具有重要的参考价值。为了探究激波管参数对末端荷载峰值和持时的影响，首先，基于商用有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA开展了典型激波管试验的数值模拟，通过对比膨胀段末端反射超压和测试构件的挠度时程，验证了激波管有限元模型、参数取值和数值分析方法的准确性；然后，设计了末端尺寸为3 m×3 m的激波管，开展了激波管几何参数和驱动段超压对末端反射超压的参数影响分析，结果表明：超压峰值和持时随驱动段长度、直径和超压的增大而增加，随膨胀段角度减小而增加；最后，给出了基于反射超压峰值和持时的激波管设计方法，并通过设计算例进行了验证。     

分辨率优化的混合WENO格式

为提高有限差分格式的分辨率,利用傅里叶分析对WENO格式进行色散及耗散优化,并给出优化的线性权重.用优化后的WENO格式与保单调格式（MP）进行加权混合,得到新的加权混合WENO格式（H-WENO）.通过一维激波管问题、Shu-Osher问题及二维双Mach反射问题及R-T不稳定性问题对格式进行数值测试.结果显示,新格式具有强健的激波捕捉能力和对小尺度波结构的高分辨率,与原WENO格式相比改进明显.     

WENO格式物理/计算域变换精度对流动预测的影响

精细地捕捉激波及分离流对航空叶型/翼型设计具有重要意义。WENO(Weighted Essentially Non-Oscillatory)格式以其高间断分辨率和低耗散的特性得到广泛青睐。格式的构造都是基于均匀网格,而在实际应用中考虑计算量的问题,通常需要在梯度较大的地方进行局部加密,生成非均匀网格。坐标变换法是一种有效地将格式运用于非均匀网格的方法,而坐标变换的精度对格式特性的影响尚未得知,存在一定的盲目性。针对该问题,基于非均匀网格,开展不同精度坐标变换方法对有限差分WENO格式的精度、耗散影响研究;同时结合工程实际问题,研究不同精度非均匀网格处理方法对激波分辨率和大尺度涡捕捉能力的影响,并给出工程应用建议。     

铝氧比对含铝炸药水下爆炸载荷及能量输出结构的影响

为了系统地研究铝氧比对含铝炸药水下爆炸载荷及能量输出结构的影响,在验证数值模型有效性的基础上,针对铝氧比分别为0、0.16、0.36、0.63的RDX基含铝炸药,利用耦合欧拉-拉格朗日方法模拟了其水下爆炸连续的全过程,考虑了冲击波载荷和气泡载荷之间的耦合作用,从冲击波、气泡和能量输出结构三方面对影响效应进行评估。计算结果表明:随着铝氧比的增大,含铝炸药水下爆炸冲击波衰减时间常数、冲击波冲量、气泡脉动周期、气泡最大半径以及比气泡能都增大;铝氧比为0.36时,冲击波峰值压力、冲击波能流密度和比冲击波能达到最大。铝粉的加入对气泡能的提高相对于冲击波能更加显著。     

激波与颗粒相互作用全尺度直接数值模拟

激波与颗粒的相互作用广泛存在于超音速两相流中,具有十分重要的研究意义和价值。本文将内嵌边界方法与高精度激波捕捉格式WENO结合,模拟了激波强度Ms为2.81和1.3的激波与圆柱相互作用的过程。计算结果与文献值吻合较好,验证了本文算法的准确性。通过将上述两个案例对比,发现激波强度对于流场结构有十分重要的影响。除此之外,本文还发现圆柱表面受到的压力不稳定,其最大值出现在入射激波到达圆柱赤道之前,数值要高出稳态值很多倍。     

内部爆炸载荷作用下砌体墙结构的失效规律

为了探究钢筋混凝土框架-砌体墙建筑物的内爆毁伤效应,开展了内爆载荷下砌体墙结构动力响应和失效规律研究。采用数值模拟方法,并结合理论分析,研究了不同当量内爆载荷下砌体墙的失效机理以及失效形式转化过程。结果表明,小药量内部爆炸时,砌体墙的主要失效形式为弯曲导致的墙面开裂。随着药量增加,墙体边界在首道冲击波反射超压作用下发生以剪切变形为主导的失效。而在大药量条件下,首道冲击波超压使砌体墙材料达到极限抗压强度而发生压溃失效。研究结果可为砌体墙结构毁伤评估与防护设计提供技术参考。     

气液爆轰波及冲击波传播的数值研究

采用高分辨率TVD格式、MacCormack格式和二维轴对称气液两相方程组数值模拟了气液爆轰的发展过程及冲击波衰减规律,计算结果与国内外研究结果符合良好。     

运动装药空中爆炸冲击波特性研究

利用AUTODYN对不同速度装药的空中爆炸冲击波场进行数值计算,定量研究运动装药空中爆炸冲击波场特性。仿真结果表明:装药速度对冲击波场的时空分布有较大影响,爆炸初期冲击波场的移动速度和位移与装药速度正相关;动爆冲击波场为空间非均匀分布,超压值随着与装药运动方向夹角的增大近似呈余弦变化,由大于静爆超压值逐渐降低为小于静爆超压值,且变化幅度均随装药速度的增加而增大。最后,分析了动爆与静爆冲击波场的关联特性,建立了动爆冲击波超压的工程计算模型,模型计算结果与动爆试验结果及仿真计算结果吻合较好。     

高分辨率熵相容格式及其在激波流动中的应用

为解决熵守恒格式在激波附近出现数值振荡的问题,本文将熵相容格式与MUSCL格式相结合,提出一种既能适合于激波问题、又不依赖于传统人工黏性经验模型的高分辨率熵相容格式,通过对多个激波问题的数值计算,并对比二阶中心格式、熵守恒格式、熵相容格式和高分辨率熵相容格式的计算结果,发现:熵相容格式具有较好的激波捕捉能力,有效解决了熵守恒格式在激波附近的数值振荡问题;MUSCL重构格式进一步提高了熵相容格式的数值模拟能力,既能精确捕捉激波附近的流动细节,又在光滑区保持二阶精度;在对比的四种格式中,本文提出的高分辨率熵相容格式对激波问题的预测性能最佳。该项工作对发展激波湍流相互作用模型、提高跨/超音速叶轮机械流动预测精度具有理论价值和应用潜力。     

激波汇聚效应对球形气泡演化影响的数值研究

利用三维程序,对比研究了汇聚激波及平面激波冲击下SF6球形气泡演化规律的异同,以期发现激波的汇聚效应对界面演化的影响.三维程序采用多组分可压缩欧拉方程,基于有限体积法,利用MUSCL-Hancock格式进行数值求解,可以达到时间和空间的二阶精度.相比平面激波,汇聚激波由于存在曲率,且激波强度以及壁面效应在汇聚激波运行的过程中逐渐增强,使得激波冲击后的流场演化有较大的不同.计算结果表明:汇聚激波作用下,气泡界面的涡结构更加尖锐;气泡内部的透射激波聚焦程度更强,在界面下游附近形成的最高压力大于平面激波算例,由此产生的射流运动速度更快;由于汇聚激波曲率及激波强度的变化,导致界面上涡量的分布规律以及涡量幅值产生较大变化.通过界面上产生的环量以及界面内外气体混合速度的对比表明,汇聚激波更有助于涡量的产生以及气体的混合.因此激波的汇聚效应对气泡界面演化具有重要影响.