爆炸冲击波在防护挡墙下的削波作用研究

侯枫琳 张建桥 陈鹏 马艺琳 杨旭 郝莉

【摘 要】采用多流体网格法，基于JWL状态方程，用面向对象的C++语言自行开发编制了NM—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VISC 2D可视化软件对计算结果进行动画演示，从中不仅可以看到爆炸过程的整体概貌，还可以清晰地显示细微过程。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评估。

【关键词】冲击波；多流体网格法；数值模拟

0.引言

在现代生活中，爆炸灾害的发生与日俱增，造成建筑物和设备的破坏及人员的伤亡。大多数的工业灾害事故是由爆炸引起的。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。本文采用多流体的Euler型算法，运用自行编制的NM-MMIC通用程序，模拟了在爆点周围有无防护挡墙的二维爆炸场，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。

1.计算方法

1.1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[1]。在冲击波的数值模拟中，涉及到三种介质：炸药、土和空气。炸药采用TNT， 爆轰产物的初始条件采用瞬时爆轰模型，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：

p=8.626×10ee （1）

式中，P为压力， εpv为体积应变。

图1带防护墙的初始图

1.2数值计算方法

计算域（z×r）取150×150m，网格划分（z×r）为600×600个。网格步长取0.25 。边界条件为：左边界取对称边界，其他三边取连续边界条件，计算采用显式差分格式。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[2]。对于含两种物质的混合格，运用Youngs界面处理技术，当混合网格中有三种物质时，采用简单线界面技术（SLIC）。图1为正梯形挡墙的计算模型。

2.数值模拟结果

本文研究了无挡墙、矩形挡墙、正梯形挡墙、左斜右直挡墙等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[3]。图2为正梯形挡墙的爆炸过程。

图2 正梯形挡墙的爆炸过程

通过计算可以得出如下结论：

（1）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，梯形挡墙与左斜右直的挡墙对远场的效果差别不大。

（2）无防护挡墙的超压要比有防护挡墙时大得多，这表明防护挡墙在减弱远场压力方面还是起到了一定作用的。

（3）在挡墙后方高度的2倍距离处的峰值压力比无挡墙时要大得多，这是因为在此处形成马赫反射的缘故。这一点在设计防护挡墙时应特别注意。

3.结论

本文针对爆炸冲击波问题，采用多流体网格法，研究了防护挡墙对爆炸效应的影响。针对不同位置、不同形状的挡墙，给出了爆炸场的各个物理量随时间的变化关系。在此基础上重点讨论了远场压力对防护挡墙的依赖关系，为工程设计提供了十分有用的数值分析手段。

【参考文献】

[1]宁建国，张文耀，郑祖国，李伟.爆炸与冲击数值模拟的可视化.兵工学报，第21卷增刊，2000，8：89-91.

[2]宁建国，王仲琦，赵衡阳等.冲击波绕流的数值模拟研究[J].北京理工大学学报，1999，19（5）.

[3]郝莉.多物质二维流体弹塑性程序的理论基础及其应用研究，北京理工大学博士学位论文，2003，8.