燃气爆炸冲击加载试验研究与数值模拟

2015-12-30张秀华,段忠东,李玉顺

振动与冲击 2015年10期

第一作者张秀华女，博士，副教授，1970年10月生

燃气爆炸冲击加载试验研究与数值模拟

张秀华1,2，段忠东2，李玉顺3(1.东北林业大学土木工程学院，哈尔滨150040；2.哈尔滨工业大学土木工程学院，哈尔滨150090；3.宁波大学建筑工程与环境学院，浙江宁波315211)

摘要：利用大型核爆炸模爆器—燃气爆炸冲击加载试验装置进行乙炔-空气可燃气体爆炸试验研究，探索乙炔-空气可燃气体作为爆炸源对结构抗爆试验的可行性。通过分析压力时程曲线，研究气体爆炸对结构的冲击荷载规律。采用有限元程序LS-DYNA模拟气体爆炸冲击波传播过程。结果表明，峰值压力数值计算与试验结果吻合较好；乙炔浓度达9.45%时爆炸冲击波压力最大，在模爆器内壁产生的正反射波压力高达0.815 MPa。研究结果可为此类试验加载控制奠定基础。

关键词：爆炸力学；燃气爆炸冲击加载；传播规律；爆炸试验；数值模拟

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51378265)

收稿日期：2014-01-02修改稿收到日期：2014-05-20

中图分类号:O382+4文献标志码：A

Tests and numerical simulation for gas blast shock loading

ZHANGXiu-hua1,2,DUANZhong-dong2,LIYu-shun3(1. School of Civil Engineering, Northeast Forestry University, Harbin 150040, China；2. School of Civil Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150090, China；3. College of Architectural, Civil Engineering and Environment, Ningbo University, Ningbo 315211, China)

Abstract:Based on a large nuclear explosion simulator-gas blast shock (GBS) loading system, acetylene-air flammable gas explosion tests were performed .The feasibility was explored by using acetylene-air gaseous mixture as an explosive source to perform anti-explosion tests of structures. Through analyzing the blast pressure time-history curves, the blast loading laws on structures under gas explosion were studied. The propagation processes of gas explosion shock wave were simulated using the finite element program LS-DYNA. The numerical simulation results are compared with the test ones, and the simulation results of peak pressure agree well with the test ones. The results showed that the explosion shock wave pressure is the biggest when acetylene concentration reaches 9.45%; the positive reflection overpressure peak value on the inner wall of the large nuclear explosion simulator can reach 0.815 MPa. The results provided a basis for explosion shock loading controls.

Key words:mechanics of explosion; gas blast shock loading; propagation law; explosion test; numerical simulation

爆炸作为频发灾害之一，不仅对建筑物构件造成严重损坏，甚至导致整个建筑物倒塌、危及生命财产安全。对构件、结构受爆炸冲击作用特性等诸多研究已取得阶段性成果。如András等[1]对足尺寸钢筋混凝土板进行爆炸试验研究；Morrill等[2]用简化方法分析爆炸荷载作用下钢框架梁柱连接的动力响应；方秦等[3]分析非线性弹性大变形材料梁的抗爆特性；Shi等[4]利用数值推导的压力-冲量图分析爆炸荷载作用下钢筋混凝土柱的破坏模式；张秀华等[5]用数值分析方法模拟爆炸荷载作用的钢框架柱冲击响应与破坏模式；丁阳等[6]对爆炸荷载作用下钢框架结构连续倒塌进行分析。李世强等[7]用有限元分析软件AUTODYN对爆炸冲击波在地铁车站内的传播规律进行数值模拟。

由于用化学炸药为爆炸源进行结构爆炸冲击试验难度大、费用高，故关于爆炸冲击波对建筑结构动力响应特性的试验研究较少。而欧进萍等[8-9]对哈尔滨工业大学国防抗爆与防护工程实验室大型核爆炸模拟器(简称模爆器)试验装置进行改造，研制开发出利用可燃气体爆炸产生冲击波对结构/构件加载的试验装置及方法。该加载称为燃气爆炸冲击加载系统(简称GBS系统)。该系统经改造，可对结构/构件施加水平、竖向爆炸冲击荷载。

1乙炔-空气混合气体爆炸试验

1.1爆炸试验装置及原理

GBS加载系统由多功能大型核爆炸模爆器、脉冲发生器、脉冲点火系统、输气管道、空气泵、空气储气缸、乙炔流量传感器、空气流量传感器、乙炔储气瓶等组成。模爆器为钢结构圆柱型抗爆容器，壁厚30 mm，内径2.4 m、高3.5 m，分上中下三部分，见图1。模爆器能为爆炸试验提供密闭环境及试件安装空间。脉冲发生器为爆轰管，壁厚13 mm、长1 500 mm、直径426 mm，一端封闭，一端与水平管连接(出口)。输气管道与爆轰管上端相连，直径57 mm、长16.18 m，其作用将高压混合气体输送至脉冲发生器引爆后发生爆燃迅速发展成爆轰波，爆轰波在脉冲发生器中经多次反射得到加强形成瞬时高压冲击波。数据采集用奥地利德维创公司的Dewetron2010高速动态采集系统，采样频率100 Hz～1 MHz。压力测量用西安杰诚CYG41000高频压力传感器，最大量程10 MPa。

图1　试验装置 Fig.1 Experimental devices

为更好研究乙炔-空气混合气体爆炸在模爆器中传播规律及准确采集气体爆炸对模爆器内壁产生的冲击波压力，在模爆器外壁距基础顶面0.5 m处同一水平面布置3个测点，分别安装指向模爆器内部的高频动态压力传感器，用以测试模爆器内壁相应位置承受的冲击波压力。试验时向GBS系统中充入一定浓度的乙炔-空气混合气体并通过混合点火器、输气管道进入脉冲发生器。当乙炔-空气混合气体由起爆端点燃时爆轰波沿管道传至脉冲发生器水平管开口端并由管端流出，产生的空气冲击波作用于模爆器内壁表面。加载系统可通过调节爆炸混合气体的冲气时间及体积比浓度，实现对爆炸冲击波压力控制。试验原理及压力测点平面布置见图2。

图2　试验原理及压力测点平面布置 Fig.2 Sketch of experiment principle and pressure measuring points

1.2乙炔-空气混合气体爆炸试验分析

据乙炔-空气混合气体爆炸反应特性，通过改变混合气体中乙炔浓度、增大混合气体充气量等进行10次爆炸试验。充气时间SY-1～SY-7为20 s，SY-8～SY-10为40 s。对10次爆炸试验数据进行分析，各测点所测爆炸场特征参数见表1。由表1知，充气时间相同时SY-1～SY-7乙炔浓度变化不大，冲击波压力较接近；SY-8～SY-10乙炔用量越多混合气体体积越大冲击波压力越大。由于SY-8～SY-10有部分混合气体流入模爆器，1号测点压力与脉冲发生器未充满混合气体时压力相差不大，而2、3号测点压力变化较大，表明进入模爆器内混合气体在脉冲发生器水平管口呈半球形向外扩散并产生爆炸。

每次试验3测点压力传感器所测爆炸冲击波前0.03s压力时程曲线见图3～图5。由三图看出，爆炸冲击波对模爆器内刚性壁冲击波压力呈典型的气体冲击波作用特征，表明爆炸冲击波与刚性壁作用过程中，壁面气体介质经历升压、降压、余波震荡三个阶段。每次试验所得冲击波压力时程波形大致相同，曲线包括峰值连续衰减的冲击波荷载及气体压力荷载。由于爆炸冲击试验动态实测结果会受试验、测试条件影响，压力传感器所测压力为爆炸冲击波反射波压力。随距脉冲器口径向距离增加，爆炸冲击波超压峰值较小、作用时间增加。爆炸冲击波遇障碍物后除发生正反射，还会发生斜反射等作用。1号测点正反射超压可达0.815 MPa。

对图3中SY-1的1号测点压力曲线进行频谱分析可知，曲线有两个频率较集中，低频集中在260 Hz、周期3.85 ms，与冲击波在模爆器内往返1次所测时间(4 ms)基本一致。在整个波动过程中，还伴随小周期高频振动，周期约为0.5～0.6 ms，此由爆炸产物与气体高频振荡引起。

试验结果表明，乙炔用量增加，作用于模爆器的反射压力峰值呈非线性增加，但正压作用时间增加不明显，反射压力第一峰值最高，后续峰值衰减较快。冲击波在模爆器内经2、3次反射后强度变弱。脉冲发生器内混合气体爆炸沿水平管开口轴向的正反射冲击波压力大于其斜反射冲击波压力。乙炔-空气混合比浓度增大爆炸冲击波压力增大，乙炔与空气体积比达9.45%时爆炸轴向压力最大，且随乙炔与空气体积比增大爆炸冲击波压力减小。试验所得结果与文献[11]结论基本一致。

表1　各测点爆炸冲击波压力

图3　1号测点实测冲击波压力时程曲线 Fig.3 Measured blastpressure-time history curves at the first measuring point

图4　2号测点实测冲击波压力时程曲线 Fig.4 Measured blastpressure-time history curves at the second measuring point

图5　3号测点实测冲击波压力时程曲线 Fig.5 Measured blastpressure-time history curves at the third measuring point

2乙炔-空气混合气体爆炸数值模拟

2.1有限元模型及参数选取

采用ANSYS/LS-DYNA动力有限元软件对模爆器内GBS系统气体爆炸冲击波传播规律及爆炸冲击波压力进行数值模拟。建模时对模爆器系统进行简化处理：①不考虑模爆器外的输气管道；②忽略模爆器壁四周的传感器、管道连接部位及固定脉冲发生器桁架；③设气体爆炸过程绝热，不计热量损失。

图6　有限元模型 Fig.6 Finite element models

数值模拟各项数据取SY-1～SY-4试验结果平均值，乙炔用量0.026 3 m3，空气用量0.203 m3，乙炔浓度11.6%。空气及混合气体材料模型用空物质材料模型及线性多项式状态方程描述[10]，其中空气密度ρ=1.29 kg·m-3，初始能量E=2.5×105J·m-3；混合气体密度ρ=1.273 kg·m-3，初始能量E=3.869×106J·m-3。空气、混合气体用Solid164单元。模爆器及脉冲发生器材料模型用刚体材料模型，用Shell163单元。混合气及空气采用欧拉算法，其它均用拉格朗日算法。利用对称性取1/2模型。据文献[12-13]选气体网格尺寸为50 mm，模型由空气、混合气体、模爆器及脉冲发生器组成，用完全封闭的模爆器包围空气介质，考虑空气及模爆器的耦合作用采用流固耦合方法进行数值模拟，有限元模型见图6。本文空气及混合气体材料、状态方程及网格尺寸的有效性及合理性已获得验证[13]。

2.2气体爆炸冲击波传播规律

乙炔-空气混合气体在模爆器内爆炸产生的冲击波传播及流场变化规律见图7。由图7看出，冲击波先在脉冲发生器中传播，随时间推移通过水平管开口处

以球面波形式向模爆器内传播。冲击波遇模爆器内基础底部发生反射(图7(a)、(b))；随冲击波不断向模爆器内传播遇到模爆器内壁时，反射波从模爆器中部向两边传播，随入射角增大在模爆器内壁底板方向产生复杂的马赫反射(图7(c)、(d))；随时间增加冲击波逐渐向模爆器顶部传播，在模爆器内来回传播，并越来越复杂(图7(e))；经多次来回反射后模爆器内冲击波压力大大降低，此时模爆器内只存在高频振荡气体(图7(f))。

图7　模爆器内混合气体爆炸传播 Fig.7 Propagation of gas explosion in large nuclear explosion simulator

2.3数值与试验结果比较

SY-1中1、2、3号测点试验曲线与数值模拟曲线对比见图8。由图8看出，爆炸冲击波压力时程曲线含峰值连续衰减的冲击波荷载及持续增强的气体压力荷

图8　混合气体爆炸试验结果与数值模拟结果比较 Fig.8 Comparison of pressure-time histories by experiment and simulation for gas-mixture explosion

载。数值模拟与试验波形较接近，但数值模拟所得反射波正压持时及升压时间均较试验所测时间长，试验曲线后期波动较频繁，峰值压力较接近。1号测点峰值压力为0.732 MPa，数值模拟为0.776 MPa，误差6%； 2号测点峰值压力0.372 MPa，数值模拟为0.389 MPa，误差4.6%。3号测点峰值压力0.343 MPa，数值模拟为0.368 MPa，误差7.3%。峰值压力数值计算与试验结果吻合较好。正压持时二者吻合不好，此因建立数值计算模型时，忽略模爆器壁四周的传感器、管道连接部位及固定脉冲发生器桁架，爆炸冲击波遇模爆器壁后发生反射，数值模型中反射波运行距离较试验长，因此数值模拟的反射冲击波持时较试验长。

3结论

本文通过对大型模爆内GBS系统爆炸试验及数值模拟计算研究，结论如下：

(1)混合气体爆炸沿脉冲发生器水平管开口正对应模爆器内壁的区域为正反射区域，在模拟器内壁正反射区产生的压力大于斜反射区压力。乙炔-空气体积比达9.45%时爆炸压力最大。体积比大于9.45%时，随乙炔-空气体积比增大，轴向爆炸压力减小；乙炔用量与气云长度增加冲击波压力呈非线性增加。爆冲击波在模爆器内壁产生的正反射波压力高达0.815 MPa，比例距离Z>1 m·kg-1/3时乙炔-空气混合气体爆炸加载方式可替代化学炸药对结构/构件爆炸冲击试验加载。

(2)用有限元程序LS-DYNA能较好模拟模爆器内GBS系统爆炸冲击波在爆室内的传播过程。流场分布图像及压力波形与试验结果基本一致。表明本文所用有限元模型及数值计算方法较合理，可用于模拟可燃气体爆炸对建筑结构/构件的动力响应分析。

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