三维爆炸与冲击问题的可视化研究

结合爆炸与冲击物理现象的特点,对三维爆炸场的可视化进行了研究,在三维多流体网格法基础上自行研制了三维爆炸场的可视化工具软件ViSC3D。利用ViSC3D,对两种复杂边界的爆炸场进行了可视化,详细地展现了爆炸场的概貌和局部细节,表明该软件效果较好。     

三维显式有限元程序及炸药冲击起爆应用

冲击和爆炸数值模拟在军事工程和民用领域都应用广泛。基于显式有限元理论,本文介绍了自主研发的三维冲击和起爆流体动力学程序。该程序的功能包含了材料本构、状态方程、炸药反应速率方程和接触碰撞算法,能够模拟复杂条件下结构冲击和炸药起爆问题。由于采用面向对象的编程方法,程序结构相对简单并且容易修改。首先,进行了Taylor杆碰撞数值模拟,并将计算结果与实验结果以及DYNA2D结果进行了比较;接着,基于Lee-Tarver点火增长模型,模拟了冲击加载下裸炸药和带壳炸药的冲击起爆问题。计算结果表明,三维程序计算结果与实验值和商业软件结果都非常吻合,该程序能够较准确地模拟三维结构的冲击和炸药起爆问题。同时,基于面向对象开发的三维计算程序实现了模块化功能,易于后续开发,为冲击和爆炸计算程序的开发提供了参考。     

用于爆炸流场与结构间相互作用分析的Euler-Lagrange耦合模拟技术

介绍了1种把Eulerian计算过程和Lagrangian计算过程耦合起来的数值技术,编写了计算程序,把爆炸流场作用过程和结构动力学响应过程的计算结合起来,实现了爆炸流场对结构加载和结构动力响应 及对爆炸流场反作用过程的模拟.利用Eulerian过程的流体弹塑性有限差分计算程序MMIC(multi-materials ...     

瓦斯爆炸诱导沉积煤尘爆炸的数值模拟

建立了描述瓦斯爆炸卷扬沉积煤尘参与爆炸的物理和数学模型,借助流场模拟平台,对瓦斯爆炸 卷扬沉积煤尘参与爆炸的过程进行了数值模拟;并把模拟值与实验值进行了对比;对爆炸过程中的速度场和 温度场进行了深入的分析。通过比较分析爆炸压力、速度场以及温度场,认为模拟结果清楚地展现了沉积煤 尘的扬起和爆炸过程,达到了瓦斯爆炸诱导沉积煤尘爆炸数值模拟的要求。     

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。     

爆炸冲击波绕流的三维数值模拟研究

对爆炸冲击波绕流问题采用可压缩流体模型建立了质量、动量和能量的偏微分守恒方程组,基于多物质流体Euler型算法, 采用算子分裂格式, 运用体积份额法处理多介质界面, 用自行开发的三维数值模拟程序MMIC3D模拟计算了三维空中爆炸的爆源附近和爆炸场中冲击波流场的发展规律, 研究了挡墙拐角处绕流的形成和变化情况, 分析比较了挡墙的位置、形状对挡墙后爆炸冲击波的影响, 并与经验公式进行了比较研究. 数值计算基本符合物理规律,说明文中采用的模型和算法是合理的, 为工程设计减压设施提供了数值计算依据．      

带制退器膛口流场的三维数值模拟

利用三维任意坐标 系下Euler方程组和LU分解的数值方法模拟了不带膛口装置的某步枪膛口流场,计算结果与 实验结果比较吻合. 对某口径火炮带有制退器的膛口流场进行了数值模拟,其结果反映了制 退器内外流场的主要特征和冲击波波系之间的相互作用,在数值模拟的基础上分析 了3排侧 孔对制退器性能的影响. 本文提供了有关膛口流场的详细数据,将对制退器总体性能研究有 重要的参考意义.     

含双侧分支受限空间油气爆炸火焰行为与超压特性大涡模拟

为研究含分支结构狭长受限空间油气爆炸特性规律,基于大涡模拟WALE模型和Zimont预混火焰模型,对横截面为100 mm×100 mm的含双侧分支管道受限空间油气泄压爆炸特性进行了数值模拟。通过对火焰形态、火焰传播速度和动态超压3个物理量的对比,验证了所建立模型对于含分支结构受限空间油气爆炸计算的适用性。基于数值模拟结果,对爆炸过程中的流场结构、火焰形态和超压变化规律进行了分析,指出了“浪花状”火焰的形成原因。结果表明:（1）火焰传播进入分支管道前,在主管道和分支管道交界处会产生旋转方向相反的对称涡旋结构,并随着火焰传播不断向分支管道内部发展;（2）当火焰传播进入分支管道后,分支管道内部前期已建立流场决定了火焰的形态,火焰锋面在涡旋结构作用下呈“浪花状”,此后火焰和流场相互影响,流场向湍流转捩,火焰锋面褶皱变形;（3）爆炸超压升压过程可划分为4个阶段,受到火焰锋面面积和分支管道泄压共同作用,表明爆炸流场、火焰行为和动态超压呈现出显著耦合性。     

长杆弹对混凝土的侵爆效应

对适用于长杆弹在混凝土介质中侵彻和爆炸全过程的三维数值模拟方法和技术进行了研究。描述了进行相应数值模拟的有关方法和关键技术。确定了靶体C30混凝土材料所使用的本构模型及其相应的参数。对卵形头长杆弹在C30混凝土中侵彻到一定深度再爆炸的全物理过程进行了三维数值模拟,分别给出了C30混凝土靶体在侵彻和爆炸作用下的破坏效应图像。将侵彻计算图像与实验结果进行了比较,两者定性符合。     

二维流体力学有限差分和有限元程序的耦合计算

根据压力和法向速度连续准则,将Euler方法为基础的MFPPM（Piecewise-Parabolic Method）程序和Lagrange方法为基础的DEFEL（2-D Finite ElementsCode,二维流体弹塑性动力有限元）程序进行耦合,发展了基于levelset的GEL（Ghost—fluid Euler-Lagrange）方法。该方法在处理大变形流场与小变形结构以及复杂流动与多物体相互作用等问题具有优越性。通过二维算例的计算结果与文献比较,检验了GEL方法和耦合程序的正确性,并对水下爆炸形成的流场对多物体作用过程进行了数值模拟。     

炸药爆炸作用下地下结构的动力响应分析

基于显式有限元计算程序LS-DYNA3D和粘弹性人工边界条件，建立了爆腔-地下结构-软回填隔震层-岩土介质系统三维弹粘塑性动力响应分析模型，其中爆腔的模拟采用了经验关系式。通过与美陆军技术手册TM5-855-1经验公式的计算结果比较，表明该分析模型与方法是合理的。还进一步讨论了软回填层的隔震效果。     

远距离近地面爆炸空气冲击波计算的网格尺寸优化与验证

建筑结构上爆炸荷载的确定是进行结构动态响应和损伤破坏分析以及结构抗爆设计和加固的前提。考虑到空气爆炸冲击波远距离传播数值模拟计算效率和精度以及软硬件能力的平衡问题，通过确定和优化网格尺寸，从而为大型复杂街区爆炸冲击波荷载的数值模拟网格尺寸选取提供合理建议。针对汽车炸弹和弹药库等典型近地面爆炸场景，首先，使用AUTODYN软件分别开展比例距离为0.2～5.0 m/kg1/3和0.2～39.0 m/kg1/3的空中爆炸自由场和地面爆炸入射场超压和冲量的单一尺寸网格敏感性分析，并考虑软硬件对单元网格数量的限制，给出依赖比例距离的渐变网格尺寸建议。其次，基于映射算法和建议的渐变尺寸网格对地面爆炸入射场超压和冲量进行数值模拟，提出了比例距离大于10.0 m/kg1/3的峰值超压误差修正方法，并得到UFC 3-340-02规范的验证。最后，基于足尺房屋爆炸荷载分布试验共71个测点的超压和冲量时程数据，对提出的优化网格尺寸的计算精度和效率进行了验证。     

泄压空间内爆炸温度载荷的影响规律研究(一)——装药质量

基于自主开发的程序开展了泄压空间内炸药爆炸温度场数值计算,初步探讨了装药质量对泄压空间内爆炸温度载荷的影响规律。研究表明:①爆炸发生后,舱室内部气体被迅速加热升高到准静态温度峰值,且随着药量的增大,准静态温度直线上升速率增大;随着泄压口的持续泄压,舱室内部气体温度缓慢衰减到平稳值,且随着药量的增大,准静态温度直线衰减速率加快。②相较同初始条件密闭空间内爆炸,随着药量的增加,泄压对于温度载荷的降低效果更明显。本文的研究可为进一步探讨考虑后燃烧效应爆炸温度场数值计算及毁伤评估提供参考。     

方管内汽油-空气混合气体密闭爆炸和泄爆特性研究

为研究汽油-空气混合气体密闭爆炸和泄爆特性,采用可视化方管进行了两种爆炸模式实验研究,并基于壁面自适应局部涡黏(wall-adapting local eddy-viscosity,WALE)模型和Zimont预混火焰模型进行了数值模拟研究。结果表明:（1）泄爆工况超压-时序曲线峰值数量多于密闭爆炸工况,且泄爆工况超压-时序曲线存在剧烈的类似简谐振动的振荡,而密闭爆炸工况的爆炸超压特征参数显著高于泄爆工况;（2）密闭爆炸工况最大火焰传播速度明显小于泄爆工况,但前者在火焰传播初期即达到最大值,而后者在火焰传播末期才达到最大值;（3）密闭爆炸工况出现郁金香形火焰,而泄爆工况出现蘑菇形火焰,郁金香火焰的形成与管道内火焰锋面、流场和流场动压三者之间耦合效应相关,蘑菇形火焰由外部流场湍流和斜压效应的共同作用引起。     

Coupling Relation Between Air Shockwave and High-Temperature Flow from Explosion of Methane in Air

After a methane-in-air explosion in a coal mine tunnel, a secondary explosion of coal dust is prone to happen. The shockwave in the gas explosion produces a coal dust suspension, and the peak temperature band may detonate that suspension. This secondary detonation depends on the space-time relation between the shockwave and the peak temperature band. This paper presents a methodology to estimate the coupling relation between the air shockwave and high-temperature flow from the explosion of methane in air. The commercial software package AutoReaGas was used to carry out the numerical simulation for the explosion processes of methane in air in the tunnel. Based on the numerical simulation and its analysis, the coupling relation between the leading shock wave and high-temperature flow was demonstrated for a methane-in-air explosion in a tunnel. In the near field of the ignition point, the deflagration wave transmits energy by heat, and the temperature load is in the front of the pressure wave. With development of deflagration and deflagration-to-detonation transition, the corresponding mechanism of energy transmission is changed from heat conduction to shock compression, and a precursor pressure wave is formed gradually. The time interval between the precursor pressure wave and high-temperature flow behind the wave increases with distance. Attenuation of the precursor shock wave and high-temperature flow depends on the length of the methane-in-air space in a tunnel. Beyond the methane-in-air space, the quantitative relation of the time interval between the precursor shock wave and high-temperature flow with axial distance from ignition and the length of methane-in-air space was proposed.     

改进特征线法在水下爆炸正反演问题中的应用

介绍了改进特征线法及其在水下爆炸正反演问题中的应用。将改进特征线法用于TNT炸药球水下爆炸的模拟,并与实验数据和AUTODYN程序的结果比较,结果表明,改进特征线法求解水下爆炸问题具有较好的准确性,且能够捕捉到流场中弱冲击的传播。而后应用改进的特征线法将正问题中的冲击波参数作为初值条件,利用逆序差分格式,对水气界面做反演求解;将反演的水气界面与正问题中的界面作比较,结果显示两者在近场吻合良好。     

Prolonged simulation of near-free surface underwater explosion based on Eulerian finite element method

In the area of naval architecture and ocean engineering, the research about the underwater explosion problem is of great significance. To achieve prolonged simulation of near-free surface underwater explosion, the underwater explosion transient numerical model is established in this paper based on compressible Eulerian finite element method(EFEM). Compared with Geers–Hunter formula, EFEM is availably validated by simulating the free-field underwater explosion case. Then, the bubble pulsation and flow field dynamic characteristics of the cases with different underwater explosive depth are compared in this work. Lastly, the height of the water hump and the pressure of flow flied are analyzed quantitatively through the simulation results.