舱内爆炸角隅汇聚反射冲击波超压特性研究

为研究密闭舱室内爆角隅汇聚反射冲击波超压特性,利用缩比模型进行了某典型舱室内爆试验,得到远离角隅、两面角隅和三面角隅处的冲击波载荷,结合数值模拟研究了3种特征位置处冲击波传播规律及载荷特征。研究结果表明:远离角隅处壁面反射冲击波超压曲线呈现单峰结构,反射冲击波以球面波传播;距两面角隅一定范围内冲击波超压曲线呈现双峰结构,两面角隅冲击波超压曲线呈现单峰结构,角隅汇聚反射冲击波以椭球状传播;距三面角隅一定范围内冲击波超压曲线呈现多峰结构,三面角隅冲击波超压曲线呈现单峰结构,角隅汇聚反射冲击波以球面波传播;在合理假设条件下,根据量纲分析及数值模拟结果,得到首次冲击时角隅汇聚反射冲击波载荷经验计算公式。     

冲击波作用下LY12铝合金结构毁伤的数值模拟

针对冲击波作用下的结构毁伤判据问题,利用LS-DYNA软件,对LY12铝合金平板结构的损伤过 程进行了数值模拟。讨论了冲击波超压、正压作用时间、材料屈服强度和结构自振频率等因素对结构破坏的 影响规律,提出了一个以超压为函数,以正压作用时间、材料屈服强度和结构自振频率为参量的破坏判据,与 实验结果比较,该判据吻合程度较高。     

球形装药动态爆炸冲击波超压场计算模型

为获得球形装药动态爆炸冲击波超压场计算模型,对静态爆炸冲击波超压Baker计算公式加入修正因子进行修正,并建立了构造包含装药运动速度、对比距离和方位角的修正因子函数的方法。为获得修正因子的函数表达式,采用高精度显式欧拉流体动力学软件SPEED针对具有典型运动速度的球形装药空中爆炸过程进行了数值模拟,得到了沿装药不同对比距离和方位角处的动态爆炸冲击波超压峰值。在对数值模拟结果处理的基础上,经过数据拟合获得了动态爆炸冲击波超压场计算模型。校验结果表明,该模型能较准确描述动态爆炸冲击波超压分布,具有普适性。     

多点云雾爆炸波相互作用的数值模拟

为研究多点云雾爆炸超压场的分布特性,利用LS-DYNA程序,对4个非圆柱体云雾的爆炸超压的相互作用过程进行了数值模拟,并与实验结果进行了对比。得到了中心区域冲击波相互作用演化过程与中心竖直方向0~20 m处的超压变化规律,以及0°、90°、135°和180°等4个方向的地面峰值超压随水平距离变化的规律。结果表明:中心区域地面依次出现3重冲击波;地面整体超压场强度向中心区域倾斜。在45°方向竖直截面上冲击波波系由入射波、反射波与马赫波构成。     

一种冲击波作用下结构毁伤算法研究

针对爆炸冲击波与建筑物结构相互作用过程,分析了冲击波与结构碎块作用机理,发展了一种能够模拟建筑物结构破坏及冲击波传播过程的计算模型和方法。采用建筑物结构工程毁伤载荷作为判据,处理结构在冲击波作用下的破坏问题;利用流固耦合界面算法处理结构运动引起的泄压效应,利用“虚拟网格通气技术”处理结构碎块对冲击波的阻碍作用,模拟了冲击波作用下典型建筑物的毁伤过程及冲击波传播过程。结果表明,该模型在模拟冲击波与结构的作用过程中,压力计算结果与非结构动网格模拟结果符合较好;在典型建筑物毁伤过程的数值模拟中,计算得到的建筑物毁伤效果和冲击波超压分布与建筑物物理毁伤特点符合。     

砌体结构长脉宽爆炸荷载损伤等级评估方法

随着百千吨级当量爆炸工业事故的频繁发生,建筑结构的损伤评估和抗爆安全性更受到关注。目前,构件级的评估方法相对成熟,而大当量冲击波作用下的建筑结构整体毁伤评估依旧是个开放性问题。本文中,面向结构级的毁伤评估,提出了一种新的评估方法?构件损伤加权。该方法以承重构件损伤程度为基础,通过基于应变能的构件权系数加权,进而评估结构级损伤破坏程度。为了验证评估方法的有效性,以典型砌体结构为例,利用自主研发的冲击波结构毁伤模拟有限元程序,开展了百毫秒脉宽爆炸冲击波荷载下结构动力学响应数值模拟。根据数值模拟结果,结合构件损伤加权的评估方法,获取砌体结构损伤等级与冲击波超压的关系。预测的超压值的相对误差为?16.9%～26.2%,验证了评估方法的有效性。该评估方法为获取砌体结构的超压-冲量曲线提供了可行的途径,可为结构的抗爆安全设计提供参考。     

接触爆炸荷载作用下带孔防护结构内冲击波的传播规律

采用有限元分析软件ATUODYN,对接触爆炸荷载作用下带孔防护结构内冲击波的传播进行了数值模拟,得到了防护结构孔口和内部中心处冲击波超压－时间曲线;分析了炸药量和爆心距孔口距离对防护结构内部超压、正压冲量的影响;以数值计算结果为基础,结合量纲分析,拟合得到了结构内部中心处爆炸冲击波特征参数的预估公式。     

神经网络状态方程在强爆炸冲击波数值模拟中的应用

强爆炸数值模拟的主要挑战在于如何准确地描述爆炸产物状态方程。利用BP神经网络和强爆炸产物状态数据对神经网络产物状态方程进行训练,并将得到的状态方程植入自编的一维球对称数值模拟程序,对强爆炸冲击波参数进行了计算。结果显示,计算得到的冲击波峰值超压、冲击波到时、正压时间与标准值吻合较好,证明将神经网络状态方程应用于强爆炸冲击波数值模拟是可行的。研究结果对确定强爆炸数值模拟方法具有很好的借鉴意义。     

柱形装药空中爆炸冲击波荷载研究

受比例距离、装药长径比、起爆方式、方位角、冲击波入射角以及反射面相对位置等多种因素的影响,球形装药空中爆炸冲击波荷载的计算方法不适用于柱形装药。为探究柱形装药空中自由场爆炸冲击波入射和反射荷载,首先,开展柱形TNT装药单端起爆的空中爆炸试验,并基于显式动力学分析软件AUTODYN进行数值模拟,通过与试验和规范进行对比,验证了采用的有限元分析方法的适用性。进一步开展考虑比例距离、长径比、起爆方式、方位角和刚性反射等因素的1 000余组柱形装药空中爆炸工况的数值模拟。基于模拟结果,揭示了柱形装药空中爆炸入射冲击波峰值超压和最大冲量及其形状因子的分布特征,提出峰值超压和最大冲量临界比例距离的判定准则和确定方法,阐明了刚性反射冲击波峰值超压和反射系数的变化规律。最后,提出柱形装药空中爆炸入射和反射冲击波荷载的计算方法,并得到360余组试验数据的验证。该方法可快速计算作用于建筑结构上的爆炸荷载,并为弹药毁伤效能评估、结构动态响应和破坏分析及其抗爆设计提供参考。     

考虑环境温、湿度的球形装药爆炸冲击波参数计算模型

为获得实际温、湿度环境中冲击波参数计算模型,计算了考虑温、湿度的理想气体状态方程参数,利用SPEED软件,针对典型状态空气中球形装药爆炸过程进行数值模拟,得到了温、湿度对爆炸冲击波参数的影响规律。结果表明,温度和相对湿度对冲击波超压的影响较小,而正压作用时间和冲量随温度和相对湿度的升高均呈线性递减关系,在高温高湿和寒冷干燥条件下,冲击波正压作用时间和冲量相差分别达21.8%和18.4%。以经典工程计算模型为基础,通过引入含有温度、湿度和对比距离的修正因子,建立了考虑环境温、湿度的球形装药爆炸冲击波参数的计算模型。采用该模型计算得到的不同药量球形TNT爆炸冲击波参数与数值仿真结果吻合较好,可对装药在实际环境中威力评估提供参考。     

一维与二维爆轰传播的时空关联特性数值研究

一维爆轰传播的理论完备、计算准确, 二维斜爆轰传播由于壁面与黏性效应, 大尺度、高精度预测还有一定难度. 利用Euler方程和H₂-Air基元反应模型, 对二维有限长楔面诱导的斜爆轰和活塞驱动一维非定常正爆轰进行计算比较研究, 从时空两个维度方面, 分析了两者在起爆过程、稀疏波传播、爆轰波面演化中的关联特性. 研究结果表明: 在过驱动度相同的条件下, 经过时空变换的活塞驱动一维爆轰传播与二维驻定斜爆轰在起爆区波系结构、波面演化特征和主要参数分布规律方面无论定性或者定量对比均符合较好, 所以, 一维非定常爆轰和二维驻定斜爆轰具有时空相关性. 两者的差异主要体现在过驱动斜爆轰受稀疏波影响过渡到近Chapman-Jouguet (C-J)爆轰状态所需的弛豫时间不同, 原因可能是起源于活塞和壁面稀疏波强度的差异. 本文提出的一维与二维爆轰传播的时空关联方法不仅有助于认知斜爆轰起爆、过驱爆轰产生、胞格爆轰演化的三阶段规律, 还可以对比揭示壁面、边界层和黏性效应的影响, 应用在斜爆轰发动机燃烧室设计中能够有效节约计算时间和成本, 并降低复杂度.      

不同自燃模式对压力波动形成的影响

在内燃机中,HCCI(均值混合气压燃)爆震、汽油机常规爆震、汽油机超级爆震都是由未燃混合气自燃引起的化学能突然释放,从而产生振荡燃烧,但其压升率及压力振荡幅值却截然不同。为了阐明其中机理,根据上述的带震荡的燃烧压力波变化规律,提出以实验测得的放热率为基础的“能量注入法”,建立了3种自燃模式。通过对能量方程中的热源项进行分类改变,进而对3种自燃模式进行数值模拟、对其产生的压力波动进行比较分析。模拟结果表明,不同震荡特征的燃烧压力波源于不同的自燃模式,从而导致其宏观表现的压升率以及压力波振荡幅值有极大的差异。以放热率为基础的“能量注入法”能准确、快捷地探究内燃机燃烧室中压力波的形成与传播。     

Self-similar magnetogasdynamic flows accompanied by detonation and combustion waves

Magnetogasdynamic (MGD) flows with detonation waves and combustion fronts have attracted more and more attention in recent years. Intensive heat supply assures such a significant increase in the temperature and pressure behind the heat liberation fronts that the gaseous combustion products become conductive so that the flow map in the electric and magnetic fields can vary substantially as compared with ordinary gasdynamics. In the case of finite gas conductivity, when the magnetic Reynolds numbers R_m are low, the asymptotic laws of detonation wave propagation which either go over into the Chapman-Jouguet (CJ) mode (in a number of cases at a finite distance from the initiation source) or remain overcompressed, have been studied [1]. Stationary flow modes behind detonation waves have been investigated in [2] and the problem of the detonation wave originating at the closed end of the tube emerging in the stationary mode in crossed homogeneous magnetic and electric fields has been examined. Results are presented in this paper of an investigation of one-dimensional self-similar flows caused by piston motion in a hot gas mixture in which a detonation wave or combustion front is propagated. The motion is realized in external electric and magnetic fields which exert a substantial effect on the flow of the conductive combustion products. Domains of application of the governing parameters in which the various flow modes are realized are found by using a qualitative and numerical analysis. The results obtained are used to solve problems about the hypersonic gas flow around a thin wedge in an axial magnetic field.     

Propagation characteristics of shock waves driven by gaseous detonation waves

We experimentally investigated propagation characteristics of the shock wave driven by a gaseous detonation wave emerging from the open end of a cylindrical detonation tube. In the present study, we visualized the shock wave and exhaust flowfields using a shadowgraph optical system and we obtained peak overpressure in the tube axial direction and the continuous shape transformation of shock waves around the tube open end. We also obtained overpressure histories of the shock wave using piezo-pressure transducers within 201 m from the open end of the tube. We normalized and classified these results by four regions using non-dimensional pressure and distance which are independent of variety of mixture and tube diameter. In the vicinity of the open end of the tube, the shock wave is nearly planar and does not significantly attenuate, and the peak overpressure maintains approximately C–J pressure. Subsequently, the shock wave attenuates rapidly, transforming from quasi-spherical to spherical. Farther from the tube open end, the shock wave propagates with approximately sound characteristic so that the peak overpressure decreases proportional to 1/r. Eventually, the shock wave begins to attenuate more rapidly than ideal sound attenuation, which may be due to the viscous effect.     

坑道内爆炸条件下水的消波效应研究

内爆炸对坑道内的人员、装备、结构都具有巨大的毁伤效应,内爆炸的防护技术已成为研究的热点。本文就炸药在坑道内爆炸情况下水的消波效应,开展了坑道模型爆炸试验、实际坑道爆炸试验、数值模拟研究,结果表明:坑道内爆炸条件下水具有显著的消波效应。文中还给出了不同置水工况下坑道空气冲击波超压的衰减率范围,并对水消波效应的机理进行了初步探讨。     

Distinctive features of galloping detonation in a supersonic combustible-mixture flow under an inert gas layer

The problem of detonation initiation in a supersonic flow of a stoichiometric propane-air mixture occupying partially or completely the cross-section of a plane channel is considered. The initiation in the flow is produced by a step or a wall completely cutting off the flow. The study is conducted within the framework of one-stage combustion kinetics. A numerical method based on the Godunov scheme is employed. The critical conditions for detonation formation are determined in terms of the oncoming flow velocity. A previously unknown mechanism of detonation propagation is found; it is related with the presence of the combustible mixture in the wall layer under an inert gas layer. It is due to the formation of a complicated wave structure of the flow characterized by the penetration of a shock wave formed in the inert gas layer into a combustible mixture layer ahead of the detonation wave with the result that the latter layer is heated and ignited. The process as a whole is periodic in nature, as distinct from the conventional cellular detonation in a homogeneous fluid. Many problems arise in connection with the use of detonation in engines and other power plants. The most important among them are detonation excitation and stabilization in combustion chambers. The detonation initiation within a layer under conditions of unbounded space and a fluid at rest was experimentally investigated in [1]. In the case of a combustion chamber bounded in the transverse direction, some new effects accompanying the detonation might be expected.     

圆球诱发斜爆轰波的数值研究

斜爆轰发动机是飞行器在高马赫数飞行条件下的一种新型发动机,具有结构简单、成本低和比冲高等优点.但是斜爆轰发动机的来流马赫数范围广,来流条件复杂,为实现斜爆轰波的迅速、可靠引发,采用钝头体来诱发.利用Euler方程和氢氧基元反应模型,对超声速氢气/空气混合气体中圆球诱导的斜爆轰流场进行了数值研究.不同于楔面诱发的斜爆轰波,球体首先会在驻点附近诱发正激波/爆轰波,然后在稀疏波作用下发展为斜激波/爆轰波.模拟结果显示,经过钝头体压缩的预混气体达到自燃温度后,会出现两种流场:当马赫数较低时,由于稀疏波的影响,燃烧熄灭,钝头体下游不会出现燃烧情况;而当马赫数较高时,燃烧阵面能传到下游.分析表明,当钝头体的尺度较小时,驻点附近的能量不足以诱发爆轰波,只会形成明显的燃烧带与激波非耦合结构;当钝头体的尺度较大时,流场中不会出现燃烧带与激波的非耦合现象,且这一特征与马赫数无关.通过调整球体直径,获得了激波和燃烧带部分耦合的燃烧流场结构,这一流场结构在楔面诱发的斜爆轰波中并不存在,说明稀疏波与爆轰波面的相互作用是决定圆球诱发斜爆轰波的关键.     

爆轰产物压力势能缓释方法研究

为扩大脉冲爆轰技术的应用领域 ,抑制其振动、噪声等不利因素 ,提高能源转换效率的可能性 ,本文通过实验和数值计算 ,研究了单次爆轰产物通过孔盘将压力势能缓慢释放到相邻腔体的现象。实验在长 2m、内径 40mm的爆轰管中进行 ,数值模拟采用自适应的有限体积方法和有限速率化学反应模型。实验和数值模拟分析的结果均表明 ,在爆轰管与相邻腔体之间放置孔径适当的隔离孔盘 ,可以使爆轰产物的压力势能逐渐地传递到腔体内 ,造成随时间逐渐上升的压力分布。     

射孔弹爆轰波间干扰的有限元分析

通过有限元显式动力分析程序的显式算法,对石油射孔弹顺序起爆后弹间爆轰冲击波干扰的过程进行了2维数值模拟,并考虑了弹体对弹间干扰的影响,对模拟结果进行了讨论;分析了影响高孔密射孔技术的弹间干扰产生的原因,主要是爆轰冲击波的压力场受到不同程度的干扰,致使初始爆轰波形破坏.计算结果与已有的物理现象和规律吻合,说明该计算模型和...     

不同荷载模式下矿用救生舱受力性能的数值模拟

针对某煤矿井下救生舱,利用ANSYS和LS-DYNA软件建立救生舱、瓦斯/瓦斯煤尘和巷道三维有限元模型。分别进行了真实内瓦斯/瓦斯煤尘爆炸作用下救生舱流固耦合数值分析,等效三角波爆炸冲击荷载作用下救生舱动态模拟和静水压力荷载作用下救生舱的极限承载力和极限变形的数值计算,确定救生舱动/静态承载能力变化规律和变形模式,给出瓦斯/瓦斯煤尘爆炸超压与救生舱承载能力和变形模式的变化规律。研究结果表明,等效三角波爆炸冲击荷载作用下该救生舱整体结构的极限超压明显比流固耦合计算分析结果大,流固耦合计算分析结果更接近于实验结果。该救生舱满足爆炸冲击波荷载下的变形要求时,其在静水压荷载作用下的变形也能满足。