冲击波对防护挡墙的数值计算.doc

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1、冲击波对防护挡墙的数值计算**基金项目：国家自然科学基金资助项目（10572018）郝莉1宁建国2(1北京建筑工程学院，北京100044)（2北京理工大学爆炸与安全科学国家重点实验室，北京100081）摘要：本文基于多物质流体的Euler型算法，用面向对象的C++语言自行编制了M—MMIC通用多物质二维流体弹塑性程序，对有和无防护档墙的爆炸空气冲击波进行了数值模拟，并用VISC2D[1]可视化软件对计算结果进行动画演示。计算结果基本符合冲击波饶过挡墙的物理现象和规律，这说明该物理模型和数值算法较为合理，可用于对可能发生的爆炸事故进行风险

2、评估。关键词:冲击波多流体网格法数值模拟1引言由爆炸产生的空气冲击波遇到目标，如建筑物、军事设施等会发生反射和绕射现象，研究这些现象对于摧毁敌方的军事目标和加强我方的防御工事，以及对危险品生产车间的防护都有很大的实用价值。冲击波遇到障碍物之后的作用过程是非常复杂的。随着计算机技术的飞速发展，使得原本非常复杂的科学计算成为可能。为了减轻意外爆炸对建筑物和人体可能造成的伤害及对可能发生的爆炸事故作出风险评估，对爆炸场进行数值模拟研究是十分必要的。本文采用多流体的Euler型算法，运用自行编制的M-MMIC通用程序，模拟了在爆点周围有无防护挡

3、墙的二维爆炸场，并通过考虑防护挡墙的形状对其后爆炸场的影响，给出了一些对工程设计有参考价值的结果。2计算方法2.1总体方程组爆炸冲击波的形成过程可用二维不定常弹塑性流体力学方程组描述。在柱对称情况下，使用Euler坐标的基本方程组如下：质量守恒方程（1）动量守恒方程（2）（3）能量守恒方程（4）屈服条件（5）式中，时物质为弹性，时物质进入塑性状态。状态方程在冲击波的数值模拟中，涉及到三种介质：炸药、土和空气。状态方程分别为：对于空气，近似采用理想气体状态方程，对炸药采用JWL状态方程，土介质所采用的状态方程是：(6)式中，P为压力，为体

4、积应变。2.2数值计算方法本论文中，计算采用显式差分格式，计算域为4545m2。采用等间距网格，将计算域分成180180（z向，r向）个矩形网格。应力，密度，比内能，速度，应力偏量等均定义在网格中心，人工粘性定义在网格边界中点。总体方程组采用“和”分裂算法，按两个方向进行分裂。对于每个方向，方程的计算分为两个阶段：第一阶段是Lagrange阶段，网格随流体运动；第二阶段是输运阶段，计算通过网格边界的质量、动量、总能量和应力偏量的输运，这认为是把第一阶段即Lagrange阶段完成后移动了的网格重新映射到它的原始位置。图1带防护挡墙的二维爆

5、炸场由于计算域中含有炸药、空气、土三种介质。所以在计算域中，同一网格内可能同时存在两种或三种介质。对于含两种物质的混合格，运用Youngs界面处理技术[2]，。当混合网格中有三种物质时，采用简单线界面技术（SLIC）[3]。3数值模拟结果本文研究了不同形状和位置的防护挡墙对爆炸空气冲击波的影响，考察了圆柱形区域的高压气体对地面和防护挡墙的冲击波流场的发展规律。图1所示就是带防护挡墙的爆炸场初始示意图。将地面和挡墙处理为土介质，采用理想弹塑性模型；爆轰产物是TNT炸药爆轰后的产物，装药量为10吨。爆轰产物的初始条件采用瞬时爆轰模型，初始时

6、刻空气为静止。挡墙的不同形状和位置由A、B、C、D四点的位置坐标而定，下表是计算采用的四种不同形状挡墙的四个角点坐标：表1各算例挡墙角点坐标算例1A(任意，20)B(任意，20)C(任意，20)D(任意，20)算例2A(16，20)B(16，24)C(20，24)D(20，20)算例3A(12，20)B(16，24)C(20，24)D(24，20)算例4A(12，20)B(16，24)C(20，24)D(20，20)无挡墙(a)梯形挡墙(c)左斜右直(d)矩形挡墙(b)图2地表面点(40.1,20.1)处的压力—步数曲线t=0.13ms

7、(a)t=13.9ms(b)t=42.0ms(c)t=82.27ms(d)图3正梯形挡墙的二维爆炸场的可视化结果算例1对应于无挡墙的情况，算例2对应于矩形挡墙的情况，算例3对应于正梯形挡墙的情况，算例4对应于左斜右直挡墙的情况。在对模拟结果进行分析时，在爆炸场中采集了一关键点来分析它的压力—时间变化情况，如图2中的a，b，c，d所示（图中曲线横轴单位是运算的步数，纵轴的单位是大气压）。图3为可视化效果图。通过计算可以得出如下结论：（1）从图2中可以清楚地看到激波的存在及其传播情况：激波的强度越来越弱，即压力峰值越来越低。此外还可以从图中

8、看到由于爆轰产物的反向压缩而形成的二次激波的情况。（2）从图2中还可以看出，靠近爆心一侧的防护挡墙形状对远场压力的影响较大，梯形挡墙要好于矩形挡墙；而远离爆心一侧的防护挡墙形状对远场压力的影响不明显，梯形挡