爆炸冲击波在变截面通道中传播规律数值研究.pdf
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1、第 卷 第 期兵 器 装 备 工 程 学 报 年 月 收稿日期:修回日期:作者简介:余雯君()女硕士研究生:.通信作者:陈胜云()男高级工程师:.:./.爆炸冲击波在变截面通道中传播规律数值研究余雯君陈胜云邓树新纪玉国唐胜世(.南京理工大学 机械工程学院 南京.军事科学院 国防工程研究院 北京)摘要:为研究在变截面通道内爆炸冲击波的传播规律利用 软件对变截面通道内部 爆炸进行数值模拟在 中分析了不同截面变化中冲击波传播云图以及不同测点处超压时程曲线研究了截面大小变化率和截面长度变化率对爆炸冲击波在变截面通道内传播的影响 结果表明:截面由小变大时随着截面面积增大消波率先迅速减小后略微增大再减小整
2、体上截面面积越大消波效果越好截面由大变小时爆炸冲击波在刚进入截面缩小段一部分直接以平面波的形式进入缩小段一部分与截面变化处壁面发生碰撞反射反射使得该部分爆炸冲击波超压变大并向反方向传播当小截面缩小至原来一半时出口处测得爆炸冲击波相当于原来 倍药量在直通道中爆炸的冲击波同时得到了冲击波超压峰值在不同工况下沿变截面直通道内传播的拟合方程可为研究新型消波系统提供理论依据关键词:爆炸冲击波超压变截面通道数值模拟消波系统本文引用格式:余雯君陈胜云邓树新等.爆炸冲击波在变截面通道中传播规律数值研究.兵器装备工程学报():.:.():.中图分类号:.文献标识码:文章编号:()(.):.:.:引言随着精确制导
3、武器的发展通过延时引信作用和穿 破串联结构可以让弹药战斗部直接打击到坑道口或坑道内部后爆炸战斗部爆炸在坑道中以冲击波的破坏作用更加明显杨科之等通过分析国内外大量试验和数值模拟发现与自由场中爆炸冲击波相比坑道中的爆炸冲击波衰减更慢毁伤效果更明显 由于 爆轰结束瞬间爆轰产物的压力可达 爆轰产物强烈压缩周围的空气介质形成强冲击波在一定距离内会对坑道内人员和设备造成不同程度的破坏甚至造成人员伤亡和设备失灵 因此研究爆炸冲击波在坑道中的传播规律是进行安全防护的基础也是研究新型消波系统的理论基础对于爆炸冲击波在坑道内传播规律的研究国内外学者都做了相关的研究 国外学者对爆炸冲击波的研究起步较早.和.通过数值
4、模拟和试验的方式提出了坑道内冲击波超压的计算公式 和 对冲击巷道内冲击波传播规律进行了研究和总结巷道内爆炸分 个阶段第 种是在爆心附近类似炸药在空气中爆炸后的三维自由传播第 种是离爆心较远时冲击波以一维平面波的方式在巷道内自由传播国内杨科之、于文华利用三维数值模拟计算方法证明了有限元软件进行爆炸冲击波问题的数值模拟的可靠性同时归纳得到了冲击波沿坑道方向的传播衰减规律 张玉磊、孔霖、徐利娜等通过试验的方式得到了直坑道内爆炸冲击波的传播规律 钟珍利用自行搭建的煤与瓦斯突出冲击波传播试验系统和数值模拟方法研究了不同初始瓦斯压力下突出冲击波在截面突变巷道中的传播规律本研究中利用 软件对变截面直通道内部
5、 炸药爆炸进行数值模拟得到了爆炸冲击波在变截面直通道内的传播规律 数值计算及验证.模型建立以美军 半穿甲弹在为例装药等效质量为 按照直径为 的隧道模型进行等效缩比建立有限元模型圆形直通道半径为.长 两端开口 由爆炸相似率:()计算得到 质量为.炸药简化成立方块体在通道内部中心爆炸 根据建模及网格划分尺寸计算得到数值模拟中 质量为.位于通道内部爆炸 模型如图 所示模型尺寸单位为 按立方体建模文献对不同尺寸网格的模型进行了数值模拟结果表明随着网格尺寸减小模拟得到的结果将更接近真实值细化网格精度能够提高计算精度但过度细化网格会导致运算量大大增加当炸药网格为 、空气网格为 时误差在可接受范围内因此此处
6、整体网格尺寸采用 符合模拟要求 同时对所有模型两端均不封堵设为无反射边界将空气边界设置为刚性边界来模拟通道结构对爆炸冲击波的反射 由于模型的对称性采用/模型图 直通道内部爆炸的物理模型.材料参数)空气材料在数值模拟中将空气模型简化为非黏性理想气体冲击波的膨胀假设为绝热过程则空气状态的方程为:()()式()中:为空气的密度 为空气的绝热指数为单位初始体积内能用 状态方程和 材料分别表示空气的本构关系相关参数如表 所示余雯君等:爆炸冲击波在变截面通道中传播规律数值研究表 空气材料参数和状态方程参数 /./().)炸药炸药 的材料模型假设为 状态方程 该状态方程可以用来模拟炸药爆轰过程中压力、内能和
7、比容的关系表达式为:()()()式()中:为材料压力 为炸药相对体积 为炸药内能、为材料常数用 材料和状态方程分表表示 的本构关系相关参数如表 所示表 炸药材料参数和状态方程参数 /./()/()/()/.数值验证在实际试验中工况更加复杂装药形状对测得压力也有很大的影响因此模拟结果和经验公式存在一定的偏差表 为长直圆通道内 爆炸部分测点所测得的冲击波超压由表 可以看出模拟值测得的超压峰值与杨科之拟合的经验公式处于同一量级在距离爆心.后通道内爆炸冲击波已经形成平面波传播形成平面波以后模拟值与杨科之拟合的经验公式误差均在 以内满足模拟要求表 数值误差对比 距离/经验公式/模拟值/误差/.变截面通道
8、冲击波数值模拟.工况设置变截面通道横截面如图 所示 其中 为整形段长度.为变截面前的通道长度为变截面后的通道长度 为变截面前的通道直径即正常尺寸.为定值为变截面后的通道直径 为了模拟更加符合实际爆心设置在距离坑道口部.处位置并在出口处增加 减少无反射边界设置造成的冲击波紊乱 分别在变截面通道内中轴线、壁面及变截面断面处壁面设置监测点测点 位于通道内中轴线上为出口压力检测点 为了研究爆炸冲击波在不同截面大小及长度的通道中的传播规律通过改变、大小建立以下数种工况如表 表 所示图 截面变化爆炸计算的物理模型.表 截面面积扩大数值模拟工况设置 /工况.工况.工况.工况.工况.工况.工况.工况.工况.工
9、况.表 截面面积缩小数值模拟工况设置 /工况.工况.工况.工况.工况.工况.注:研究截面面积扩大和缩小对冲击波传播规律的影响时.为定值兵 器 装 备 工 程 学 报:/./表 截面长度变化数值模拟工况设置 /工况 工况/工况/工况/工况/工况/工况/工况 工况/注:研究截面长度变化对冲击波传播规律的影响时.为定值.爆炸冲击波传播规律分析)截面扩大通道中传播如图()及图 所示爆炸冲击波经过整形段后形成稳定的平面波沿管道方向传播到达测点、的时间分别为.和.超压峰值分别为.和.即可认为爆炸冲击波已经形成平面波如图()所示当爆炸冲击波刚进入截面扩大段时爆炸冲击波的头部以球面波的形式向外传播径向的弧线更
10、为明显如图()所示爆炸冲击波接触壁面并与壁面发生碰撞反射中轴线上压力由于壁面反射汇聚中轴线上压力为相同位置壁面上压力的一半如图()所示爆炸冲击波继续向前传播并与壁面发生明显的马赫反射如图()所示反射波追上爆炸冲击波头部如图()所示经过监测点、测得爆炸冲击波到达时间为.和.即爆炸冲击波头部以稳定的平面波继续向前传播波后继续进行着反射以及马赫反射)截面缩小通道中传播如图()及图 所示爆炸冲击波经过整形段后形成稳定的平面波沿管道向前传播如图()所示当爆炸冲击波刚进入截面缩小段时爆炸冲击波一部分直接以平面波的形式进入缩小段另一部分波与截面变化处壁面发生碰撞反射壁面压力变大压力最大处达到.壁面压力最大处
11、压力是进入变截面通道前平面波压力的.倍如图()所示反射使得该部分爆炸冲击波超压变大并向反方向传播最高压力达到多少.相同位置进入变截面通道前压力为.反射压力是进入变截面通道前相同位置的 倍以上但计算超压峰值则到达到 倍以上如图()所示进入截面缩小段的爆炸冲击波经过一段时间的传播后形成稳定的平面波向前继续传播另一部分波在截面突变处发生复杂的反射图 工况 压力云图.图 工况 压力云图.余雯君等:爆炸冲击波在变截面通道中传播规律数值研究图 不同工况不同时刻冲击波超压分布.爆炸冲击波压力分析)截面扩大通道如图 所示该图像分别是工况 的中轴线上测点、处的冲击波超压时程曲线由图可知冲击波进入截面扩大段后冲击
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