结构爆炸毁伤的浸没多介质有限体积物质点法

结构在爆炸载荷作用下的毁伤现象涉及强非线性激波、固体结构极端变形和破坏破碎、强流固耦合, 给数值计算方法带来了极大的困难与挑战. 针对结构爆炸毁伤问题, 建立了浸没多介质有限体积物质点法(iMMFV-MPM), 采用基于黎曼求解器的多介质有限体积法(MMFVM)模拟爆炸产物和空气的多介质流体, 采用物质点法(MPM)模拟固体结构, 并将提出的基于拉格朗日乘子的连续力浸没边界法(lg-CFIBM)扩展到多介质流体中以处理流固耦合边界条件. 该算法在每个时间步严格满足流固耦合界面处的速度边界条件及动量守恒方程, 不需要重构流固耦合界面, 能够有效地模拟近场爆炸下爆炸产物与结构的相互作用、激波与结构的相互作用和演化以及结构的动态断裂和拓扑变化. 利用iMMFV-MPM对近场爆炸下方形钢筋混凝土靶板的失效模式、外爆载荷下建筑物的毁伤现象以及多腔室内爆炸试验进行了模拟, 模拟结果与相关实验数据吻合良好, 验证了所建立的流固耦合算法的有效性及精度.      

空中强爆炸冲击波地面反射规律数值模拟研究

为准确预测空中强爆炸产生的冲击波载荷分布，基于欧拉坐标系建立了能够模拟具有高密度比、高压力比的强激波问题的二维多介质流体数值方法。结合网格自适应技术，对1 kt TNT当量的空中强爆炸在不同爆炸高度下的冲击波地面反射过程进行了数值模拟，并考虑了真实气体状态方程和空气随高度不均匀分布的影响。计算得到了地面上距爆心投影点大尺度范围内的反射超压和冲量等冲击波载荷分布，并给出了冲击波载荷随爆高的变化规律。     

欧拉坐标系下具有锐利相界面的可压缩多介质流动数值方法研究

可压缩多介质流动问题的数值模拟在国防和工业领域内均具有重要的研究价值,诸如武器设计、爆炸安全防护等,通常具有大变形、高度非线性等特点,是一项极具挑战性的研究课题. 本文提出了一种基于 Euler 坐标系的非结构网格、具有锐利相界面的二维和三维守恒型多介质流动数值方法,可用于模拟可压缩流体和弹塑性固体在极端物理条件下的大变形动力学行为. 利用分片线性的水平集函数重构出单纯形网格内分段线性的相界面,并在混合网格内构建出具有多种介质的相界面几何结构,理论上可以处理全局任意种介质、局部 3 种介质的多介质流动问题. 利用传统的有限体积格式来计算单元边界上同种介质间的数值通量,并通过在相界面法向上求解局部一维多介质 Riemann 问题的精确解来计算不同介质间的数值通量,保证了相界面上的通量守恒. 提出了一种非结构网格上的单元聚合算法,消除了由于网格被相界面分割成较小碎片、违反 CFL 条件,进而可能带来数值不稳定的问题. 针对一维多介质 Riemann 问题、激波与气泡相互作用问题、浅埋爆炸问题、空中强爆炸冲击波和典型坑道内冲击波传播问题开展了数值模拟研究,将计算结果与相关的理论、实验结果进行比对,验证了数值方法的正确性和可靠性.      

水下爆炸冲击波的近场特性

通过求解球形一维流体动力学方程，模拟了水下爆炸冲击波的产生和传播过程。在数值模拟中，对TNT炸药采用标准的JWL状态方程，对水采用Two-phase状态方程。应用Level Set方法确定爆炸产物和水的交界面的位置。对裸药球在无限水域爆炸进行了数值计算，考察了网格大小对结果收敛性的影响，分析了水下爆炸冲击波压力和比冲量的近场特性。最后通过数值拟合得到了冲击波压力峰值、比冲量和时间衰减常数的近似回归公式。     

NUMERICAL SCHEME OF MULTI-MATERIAL COMPRESSIBLE FLOW WITH SHARP INTERFACE ON EULERIAN GRIDS

可压缩多介质流动问题的数值模拟在国防和工业领域内均具有重要的研究价值,诸如武器设计、爆炸安全防护等,通常具有大变形、高度非线性等特点,是一项极具挑战性的研究课题. 本文提出了一种基于 Euler 坐标系的非结构网格、具有锐利相界面的二维和三维守恒型多介质流动数值方法,可用于模拟可压缩流体和弹塑性固体在极端物理条件下的大变形动力学行为. 利用分片线性的水平集函数重构出单纯形网格内分段线性的相界面,并在混合网格内构建出具有多种介质的相界面几何结构,理论上可以处理全局任意种介质、局部 3 种介质的多介质流动问题. 利用传统的有限体积格式来计算单元边界上同种介质间的数值通量,并通过在相界面法向上求解局部一维多介质 Riemann 问题的精确解来计算不同介质间的数值通量,保证了相界面上的通量守恒. 提出了一种非结构网格上的单元聚合算法,消除了由于网格被相界面分割成较小碎片、违反 CFL 条件,进而可能带来数值不稳定的问题. 针对一维多介质 Riemann 问题、激波与气泡相互作用问题、浅埋爆炸问题、空中强爆炸冲击波和典型坑道内冲击波传播问题开展了数值模拟研究,将计算结果与相关的理论、实验结果进行比对,验证了数值方法的正确性和可靠性.     

Mie-Grneisen状态方程可压缩多流体流动的PPM方法

采用流体体积分数的混合型多流体数值模型，将piecewise parabolic method (PPM)方法应用于可压缩多流体流动的数值模拟，拓展了以前提出的模型和数值方法，使它能够处理一般的Mie-Grneisen状态方程。采用双波近似和两层迭代算法求解一般状态方程的Riemann问题；并根据多流体接触界面无振荡原则设计高精度计算格式，对典型的纯界面平移问题可以从理论上证明本算法在接触间断附近压力和速度没有振荡，而且数值模拟结果表明界面数值耗散也被控制在2~3个网格之内。模拟了多种复杂的可压缩多流体流动，算例结果表明本文方法可以有效地处理接触间断、激波等物理问题，且具有耗散小精度高的特点。     

近水面水下爆炸二维Level-set数值模拟

水下爆炸是一个多介质、动边界、瞬态非线性过程,捕捉介质之间交界面的变化是数值模拟的一个难点.本文采用Level-set方法来描述水下爆炸气体产物和流体交界面以及自由表面变化,应用TVD (Total Variation Diminishing) 计算技术求解Level-set流场,首先建立了近水面水下爆炸的二维数值方法,然后,将该方法推广到流场内有刚性结构的情况,考虑了冲击波和刚性结构物的相互作用.为了模拟无限边界流场问题,引进了Thompson建立的无反射边界条件.     

两介质流界面-激波相互作用RKDG 方法应用分析

为精确模拟多介质流界面运动现象,采用RKDG方法结合虚拟流体方法对气-气、气-液和液-气等多种界面-激波相互作用问题展开研究。数值结果表明,RKDG方法的时空高精度特征使其能够精确、稳健地求解各种复杂界面运动问题。最后,对水下激波自由面折射问题用多种DG格式限制器进行了计算,对比了它们的间断捕捉能力。     

非结构动网格在多介质流体数值模拟中的应用

采用非结构动网格方法对含多介质的流场进行数值模拟.采用改进的弹簧方法来处理由于边界运动而产生的网格变形.采用基于格心的有限体积方法求解守恒型的ALE(Arbitrary Lagrangiall-Eulerian)方程,控制面通量的计算采用HLLC(Hartem,Lax,van Leer,Contact)方法,采用几何构造的方法使空间达到二阶精度,时间离散采用四阶Runge-Kutta方法.物质界面的处理采用虚拟流体方法.本文对含动边界的激波管、水下爆炸等流场进行数值模拟,取得较好的结果,不同时刻界面的位置和整个扩张过程被准确模拟.     

气体动理学方法对斜界面不稳定性实验的数值模拟

介绍了基于BGK模型(Bhatnagar-Gross-Krook)的气体动理学数值方法(Gas Kinetic Scheme,GKS),通过计算多组分激波管问题对以GKS方法实现的MBCD程序进行了验证,表明了在接触间断处产生的震荡非常小,网格收敛性好。在多组分问题求解时各组分满足同温和同速的假设条件下,利用该程序开展了Air/SF6斜界面不稳定性实验的数值模拟,得出了不同时刻SF6的密度分布图,并得到交界面宽度、斜界面左右端相对位置在激波穿过斜界面后的变化情况。通过与实验结果的比较可知,GKS方法和程序在网格数为1024×200和512×100时得到的交界面宽度与实验值的最大误差分别为6.1%和7.3%,可用于对界面不稳定性问题的计算。     

FAE爆炸场超压与威力的实验研究

利用现场测试系统动态灵敏度标定技术,分别等精度测试了FAE和TNT爆炸场峰值超压。在此基础上获得了各自的爆炸波峰值超压随传播距离的拟合曲线和TNT当量比。结果表明:FAE爆炸场超压分布规律与TNT有显著区别,前者属于大体积云雾爆炸,爆炸场可划分为云雾爆轰区、云雾边缘区和冲击波作用区;在云雾爆轰区,超压平均值在2.6MPa左右,在小于2/3云雾半径的范围内比同质量的TNT低,在大于2/3的云雾半径范围则显著大于TNT;在冲击波作用区,环氧丙烷燃料的FAE爆炸超压约是TNT爆炸效果的5倍,超压均呈衰减趋势,但FAE衰减比TNT缓慢许多。     

泄爆诱导二次爆炸的实验研究

在不同泄爆压力、不同泄爆面积和不同当量比的甲烷/空气预混气的实验条件下,采用容积为0.00814m3带导管的柱形泄爆容器和底端中心点火方式,进行了一系列泄爆实验。实验获得了内外流场测点的压力历史曲线。结果表明泄爆后外流场出现典型的破膜激波和二次爆炸波的双峰变化特征,前者不断下降,其强度随泄爆压力的增大而增大,而后者经历了上升和下降过程,强度随泄爆压力、泄爆面积和甲烷/空气当量比的增大而增大。     

坑道内化爆冲击波的传播规律

装药在坑道内部爆炸时将产生沿坑道传播的空气冲击波,由于受到坑道洞壁的限制,空气冲击波在坑道内的传播规律异于在自由大气中的传播。利用三维数值模拟计算程序,对长坑道中的化爆流场进行了数值计算,归纳出空气冲击波沿坑道方向的传播规律。计算结果与试验结果符合较好。     

基于地震波触发的战斗部动爆冲击波试验研究

提出了一种基于地震波触发的战斗部爆炸冲击波超压测试方法,该测试方法能可靠获取战斗部动爆冲击波超压峰值。采用提出的测试方法对着靶速度为0、535和980 m/s的战斗部空中爆炸冲击波分别进行了测试,并对战斗部动爆冲击波超压峰值测试结果和经验公式计算值进行了对比,定量分析了战斗部速度对冲击波压力场分布的影响。最后,在实测数据的基础上采用薄板样条插值方法重建了战斗部动爆冲击波超压三维可视化模型,为实战复杂环境下基于实测数据研究动爆冲击波特性提供了依据。     

爆炸容器内小药量实验动态标定压力传感器

在爆炸容器中进行小药量空中爆炸实验, 利用传感器序列测量冲击波速度, 根据冲击波Rankine-Hugoniot关系获得测点近似理论峰值压力, 从而实现压力传感器的标定, 获得的灵敏度相对误差较小。同时测量了相应的冲击波参数, 并利用Modified-Friedlander公式进行数据后处理, 结果表明固定超压拟合更接近物理事实, 固定正相时间拟合也具有较高精度。最后进行了误差分析, 发现不同传感器特性及数据后处理方法都会带来一定误差。实验结果表明这种测量和后处理方法具有较高的精度, 可以同时标定传感器和测量冲击波参数。     

Numerical simulation of compressible multifluid flows using an adaptive positivity-preserving RKDG-GFM approach

The Runge-Kutta discontinuous Galerkin method together with a refined real-ghost fluid method is incorporated into an adaptive mesh refinement environment for solving compressible multifluid flows, where the level set method is used to capture the moving material interface. To ensure that the Riemann problem is exactly along the normal direction of the material interface, a simple and efficient modification is introduced into the original real-ghost fluid method for constructing the interfacial Riemann problem, and the initial conditions of the Riemann problem are obtained directly from the solution polynomials of the discontinuous Galerkin finite element space. In addition, a positivity-preserving limiter is introduced into the Runge-Kutta discontinuous Galerkin method to suppress the failure of preserving positivity of density or pressure for the problems involving strong shock wave or shock interaction with material interface. For interfacial cells in adaptive mesh refinement, the data transfer between different grid levels is achieved by using a L² projection approach along with the least squares fitting. Various numerical cases, including multifluid shock tubes, underwater explosions, and shock-induced collapse of a underwater air bubble, are computed to assess the capability of the present adaptive positivity-preserving RKDG-GFM approach, and the simulated results show that the present approach is quite robust and can provide relatively reasonable results across a wide variety of flow regimes, even for problems involving strong shock wave or shock wave impacting high acoustic impedance mismatch material interface.     

近自由面水下爆炸冲击载荷特性三维数值模拟

基于三维SPH 方法,对传统链表搜索算法进行了变光滑长度改进,并提出了具有较好稳定性的多 相物质交界面的处理方法,模拟了三维无限域水下爆炸问题,验证了改进的三维SPH 方法模拟水下爆炸问题 的可行性和有效性。在此基础上,建立了水下爆炸三维数值模型,模拟了近自由面水下爆炸过程,研究了冲击 波传播特征、自由面下压力场和能量场特性以及水柱的产生过程。结果表明:自由面可将冲击波压力峰值和 压力冲量最大衰减到1/3和1/7;爆深的增加会导致压力比和冲量比的等值柱面曲率变小,产生的水柱也逐 渐由破碎的喷柱向高而窄的水冢过渡。     

混凝土板爆破作用数值分析

混凝土板是爆破拆除经常遇到的爆破对象，是建筑物的基本构件．爆炸应力波峰值随距离衰减是工程爆破参数设计的理论依据之一．通过数值计算，研究爆炸应力波峰值随距离的衰减规律．研究结果表明，与无限混凝土介质相比，爆炸应力波峰值在混凝土板中衰减较快．应力波峰值的衰减指数随装药量增大而减小，衰减指数的变化率也随装药量的增大而减小．     

Blast wave mitigation by dry aqueous foams

This paper presents results of experiments and numerical modeling on the mitigation of blast waves using dry aqueous foams. The multiphase formalism is used to model the dry aqueous foam as a dense non-equilibrium two-phase medium as well as its interaction with the high explosion detonation products. New experiments have been performed to study the mass scaling effects. The experimental as well as the numerical results, which are in good agreement, show that more than an order of magnitude reduction in the peak overpressure ratio can be achieved. The positive impulse reduction is less marked than the overpressures. The Hopkinson scaling is also found to hold particularly at larger scales for these two blast parameters. Furthermore, momentum and heat transfers, which have the main dominant role in the mitigation process, are shown to modify significantly the classical blast wave profile and thereafter to disperse the energy from the peak overpressure due to the induced relaxation zone. In addition, the velocity of the fireball, which acts as a piston on its environment, is smaller than in air. Moreover, the greater inertia of the liquid phase tends to project the aqueous foam far from the fireball. The created gap tempers the amplitude of the transmitted shock wave to the aqueous foam. As a consequence, this results in a lowering of blast wave parameters of the two-phase spherical decaying shock wave.     

Large-scale high performance computation on 3D explosion and shock problems

Explosion and shock often involve large deformation, interface treatment between multi-material, and strong discontinuity. The Eulerian method has advantages for solving these problems. In parallel computation of the Eulerian method, the physical quantities of the computaional cells do not change before the disturbance reaches to these cells. Computational efficiency is low when using fixed partition because of load imbalance. To solve this problem, a dynamic parallel method in which the computation domain expands with disturbance is used. The dynamic parallel program is designed based on the generally used message passing interface model. The numerical test of dynamic parallel program agrees well with that of the original parallel program, also agrees with the actual situation.