模拟舱室内部气云爆炸载荷的不同精度WENO格式比较

为了研究加权本质无振荡(WENO)格式精度对舱室内部气云爆炸载荷的影响规律,基于FORTRAN平台,采用三、五、七、九阶WENO格式,开发了高精度舱室内部气云爆炸三维数值计算程序。选用Sod激波管、激波与熵波相互作用两个经典算例验证了程序编写的可靠性,并初步考察了不同精度WENO格式的计算性能。采用已验证的程序开展了封闭舱室和泄压舱室内部球体气云爆炸的数值模拟,并探讨了WENO格式精度对爆炸载荷的影响规律。研究表明:舱室内部气云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;WENO格式精度对冲击波载荷影响较大,高阶格式给出更陡峭的峰值,而对形成的准静态超压影响较小。     

圆柱装药近地空爆冲击波峰值超压空间转换模型

为研究近地空爆冲击波峰值超压空间数值关系,基于镜像法、角等分和超压归一化思想,确定了冲击波空间传播界线,建立了混合流场中超压的理论计算方法。首先,利用三波点轨迹与爆高水平线交点、虚拟爆源、真实爆心三者连线构成的几何约束以及马赫反射终点条件,确定了冲击波流场分布界限。其次,等分测点角度,并基于超压归一化值分段线性假设构建归一化值方程。然后将归一化值方程扩展为圆柱装药长径比、爆高、当量、测点角度和比例距离的函数。最后,基于控制变量法,利用符合经验公式和实爆结果的圆柱装药近地空爆AUTODYN-2D数值模型的计算结果代入上述函数求解。结果表明:以长径比、比例爆高、比例距离和测点角度为输入参数的峰值超压空间转换模型可描述圆柱装药近地空爆峰值超压的空间数值关系,转换效果良好。     

组合装药的撞击安全性与内爆威力试验研究

为了验证某组合装药的撞击安全性与内爆威力,开展了组合装药的大型落锤试验及爆炸罐内爆威力试验研究。结果表明:单一温压炸药在400 kg落锤作用下的临界落高为2.2 m,组合装药分别在2.2、2.3、2.5和2.7 m落高时均未发生爆炸反应,证明组合装药具有更好的撞击安全性;组合装药的初始冲击波超压峰值是单一温压炸药的61.9%,比冲量是单一温压炸药的99.4%,准静态压力峰值是单一温压炸药的94.5%。考虑到炸药在有限空间内爆炸的能量释放特性,将准静态压力峰值作为威力评价标准更为合适。试验结果证明组合装药的内爆威力与单一温压炸药相当。     

水下爆炸强冲击波与平板结构相互作用的理论分析方法

针对水下爆炸一维强冲击波与平板结构的瞬态流固问题开展研究,综合考虑流体和结构材料的可压缩性,引入状态方程建立强冲击波在板表面反射后的波阵面参数关系,得到板表面的反射系数。然后依据动量守恒定律建立平板的运动方程,求解得到板表面的壁压及板的速度时程,形成了水下爆炸强冲击波与平板结构相互作用的理论分析方法。在此基础上给出了强冲击波与平板相互作用的冲量传递比近似估算公式。最后开展平板结构的近距及接触水下爆炸实验,并结合数值计算对理论方法进行验证。结果表明,建立的理论方法与实验及数值模拟结果吻合良好,为水下近距爆炸强冲击波与结构的相互作用分析提供了理论基础。     

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。     

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。     

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。     

铝粉粒径对温压炸药爆炸性能及热安定性的影响

为了研究铝粉粒径对温压炸药在有限空间内爆炸能量输出的影响,在温压炸药中分别添加了粒径为40nm、3μm和35μm的3种铝粉。利用爆炸容器进行内爆炸实验,获得了冲击波压力时程曲线,经计算分析得到1.0、1.2和1.5m处的超压和冲量数值,并采用差示扫描量热仪(DSC)研究这3种粒径铝粉对温压炸药热安定性的影响。实验研究结果表明:铝粉粒径对温压炸药在有限空间的爆炸能量有较大影响,含粒径为3μm的样品2在各距离处的超压较样品1提升了6.0%以上,较样品3提升了10%以上;3组样品的热安定性均随着铝粉粒径的减小而降低,活化能最大降幅达31.1%,升温速率接近零时的峰值温度(Tp0)最大降低了11.7℃。     

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。     

地下管廊在燃气爆炸作用下的动力响应分析

在燃气通过地下管廊输送过程中,若燃气泄漏进入管廊内部并引起爆炸将会产生严重的后果。以平潭综合试验区环岛路管线工程为背景,借助LS-DYNA非线性动力分析有限元软件,基于流固耦合和ALE多物质算法,建立地下空间燃气爆炸数值计算模型,探讨管廊内燃气爆炸过程中爆炸冲击波对管廊结构的影响。数值计算结果表明:在爆炸过程中,超压峰值从爆源中心转移到波阵面上,导致爆源附近压力低于波阵面压力,爆源附近形成负压区;爆炸荷载作用下,燃气仓内距离爆源最近的内墙上的测点超压值最大,在t=7.8ms时达到最大值为18.65MPa,且在t=10ms左右时,位移和速度达到最大值,分别为10.47mm、3.303m/s;气体爆炸后,管廊燃气仓内墙正负压振荡时间持续较长,振动现象最为明显,最易发生破坏。     

圆柱形水下爆炸实验容器壁部强度设计研究

 基于薄壁壳理论和水下爆炸理论,对圆柱形水下爆炸实验容器在爆炸冲击波作用下弹性范围内的壁部应变进行了理论分析和实验研究。导出了圆柱形水下爆炸实验容器在爆炸冲击波作用下壁部弹性应变与容器直径、壁厚及内部爆炸药量之间的关系,并对计算结果进行了实验验证。实验表明公式求解结果与实验结果具有较好的一致性。     

地面爆炸冲击波的相互作用

为了研究多点同步地面爆炸冲击波的相互作用,通过改变装药质量组合和布局,利用空中爆炸测量系统对2点和3点地面同步爆炸进行了试验研究,并利用冲击波与刚性壁面碰撞理论计算了2个冲击波相互作用的冲击波压力和冲量。结果表明:多个装药同步爆炸时,冲击波超压和冲量都显著增加,大大提高了装药爆炸威力。装药总质量相同时,炸药的组合数量越多,冲击波超压和冲量越高,不同布局的装药,冲击波超压和冲量的增加量也不同。冲击波与刚壁的碰撞模型可以用来近似计算2个同等强度冲击波的相互作用。     

加速器电水锤数值模拟与实验研究

强流加速器水介质形成线放电或击穿形成的冲击波对陶瓷真空界面具有破坏作用。为获得该冲击载荷的信息,应用通用软件ANSYS/LS-DYNA建立了一种水下爆炸有限元模型,将电弧放电等效为爆炸源,模拟得到了冲击波传播时序、压力历史曲线及陶瓷板的加速度响应;为验证模型的有效性,应用"针-板"电极水开关在输出电脉冲40～50 ns、幅值100～300 kV可调的10级陡化前沿Marx发生器上开展了电水锤缩比实验研究。实测了不同击穿电压下冲击波峰压、波速和主脉冲宽度,并依据经验公式计算了放电沉积能量和冲击波能量,平均约17%的间隙放电能量转换为冲击波机械能。对冲击波能量与峰压关系进行了拟合,并与数值模拟结果进行了比较,二者变化趋势基本一致,量级上吻合较好。     

煤矿巷道瓦斯爆炸冲击波与高温气流的关系

 为了给瓦斯爆炸后煤尘二次爆炸的深入研究提供理论依据,应用计算流体力学方法,对煤矿巷道内瓦斯爆炸的瞬态流场进行了数值模拟,得到了冲击波与高温气流流动的时空关系,并借助实验对数值方法进行了验证。研究表明：在瓦斯爆炸后的一定时间内,近场区域和远场的部分区域极有可能引发煤尘二次爆炸。给出了可能发生煤尘二次爆炸的区域随瓦斯区长度的函数关系式,以及远场中峰值温度和峰值超压到达时间的间隔随轴向距离和瓦斯区长度的分布特性。     

拐角空间中悬浮铝粉尘爆轰后效的三维数值模拟

建立三维的铝粉-空气两相爆轰计算模型,采用时-空守恒元解元（CE/SE）方法求解,并开发了悬浮铝粉尘爆轰的三维数值模拟程序.基于消息传递接口（MPI）技术实现了程序的并行化设计.通过对激波管问题以及爆轰管中铝粉-空气两相爆轰实验的模拟验证程序的可靠性.对拐角空间中左侧浓度为368 g·m^-3的铝粉-空气混合物两相爆轰及其在拐角空间右侧和下方空气域内形成的冲击波和温压效应开展数值模拟,获得复杂空间内爆轰波或冲击波的传播、反射以及绕射过程.结果表明：两相爆轰在离铝粉尘区域2 m远的空气域内产生的后效冲击波能达到2.66 MPa的固壁反射压力,火球燃烧范围会超出初始铝粉尘区域约0.8 m,并且造成初始铝粉尘区域附近1.5 m范围内空气的温度高达1 600 K.模拟程序可用于铝粉尘爆轰的后效研究,对工业安全及其防护具有指导意义.     

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。     

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...     

Laval喷管内激波位置的计算及制冷性能分析

明确激波在Laval喷管内的发生位置,能够为设计及优化Laval喷管线型提供理论依据,从而提高Laval喷管的制冷性能和整个天然气超音速分离器的分离效率。文中对Laval喷管进行了结构设计,对不同背压条件下Laval喷管内激波位置进行了理论分析与计算,并利用FLUENT软件进行了数值模拟,通过研究不同背压条件下Laval喷管内气体马赫数、压力和温度分布,对喷管制冷性能进行了对比分析。结果表明:保持Laval喷管入口压力不变,随出口背压增大,激波位置逐渐从喷管出口向喷管入口方向移动,气体受到激波的影响,在喷管所能达到的最大马赫数不断降低,所能产生的最低温度不断上升,喷管的制冷性能越差;理论计算与数值模拟结果基本一致,数值模拟验证了理论计算的正确性。     

水蒸气跨声速流动中非平衡相变与激波的耦合作用

引入水蒸气非平衡相变的动力学模型和水蒸气真实物性模型,建立了水蒸气跨声速非平衡流动的守恒型数值计算模型,采用Roe-FDS计算格式数值捕捉了水蒸气超声速流动中的非平衡相变与激波效应,在此基础上开展了气动激波与凝结激波的耦合计算,分析了气动激波波锋面与凝结激波波锋面相遇时,气动激波与非平衡相变之间的相互作用规律。研究显示,随着背压的不断升高,气动压缩激波不断向喷管喉口位置推移。当气动激波发生在凝结激波的下游位置时,气动激波的耗散效应使得喷管内的液相质量分数逐渐减小而不会对上游的非平衡相变和凝结激波产生影响。当气动激波随背压继续上行与气动激波交汇时,气动激波强烈的耗散效应使得凝结激波特征迅速减弱,非平衡相变逐渐退化到喷管边界区域,而气动激波由于受到凝结激波的强烈干扰,激波强度迅速减弱,显现出明显的斜弱激波特征.当气动激波上行至喷管喉口附近时,X型凝结激波逐渐消退,非平衡相变在喷管主流区消失。     

惰性气体和水蒸气对长直空间燃气爆炸超压及其振荡的抑制作用

长直空间燃气爆炸超压及其振荡将对人员和结构安全产生不利影响。为减轻燃气爆炸危害,基于CFD软件FLACS建立了长直管道空间燃气爆炸数值模型,并对模型进行了验证。利用已验证的数值模型,研究了添加不同体积分数CO_2、N2和水蒸气的化学当量比CH4/空气混合气体的爆炸,讨论了惰性气体和水蒸气的体积分数对爆炸超压及其振荡的影响,并对比了3种气体的抑爆效果。结果表明:CO_2、水蒸气和N2的体积分数每增加10%,密闭管道气体爆炸的最终超压将分别下降81、47、65 kPa,尾端泄爆管道分别下降24、25、20 kPa,3种气体的体积分数分别为25%、26%、30%时,爆炸被完全抑制;CO_2、水蒸气和N2均能有效抑制爆炸超压的振荡,压力振幅和压力振荡频率均随添加气体体积分数的增加而减小;CO_2对爆炸超压及其振荡的抑制效果最好,水蒸气次之,N2最弱,这与3种气体的物理特性及其抑爆机理的差异有关。