水下爆炸冲击波在圆柱壳结构表面绕射衰减分布

张迪洲 , 何镇宏 , 何心怡 , 李 营 , 卢 军 , 陈 双

水下爆炸冲击波在圆柱壳结构表面绕射衰减分布

张迪洲1, 何镇宏2, 何心怡1, 李 营2, 卢 军1, 陈 双1

(1. 海军研究院, 北京, 100161; 2. 北京理工大学 爆炸科学与技术国家重点实验室, 北京, 100081)

水下爆炸冲击波作用于圆柱壳表面时, 除反射冲击波外, 在背爆面还会形成绕射冲击波。为了研究冲击波压力在圆柱壳表面的绕射分布特性, 采用ABAQUS 软件的耦合欧拉-拉格朗日方法对水下爆炸冲击波与圆柱壳结构的相互作用进行了数值仿真, 得到了圆柱壳周围的压力场分布情况, 分析了不同爆距和药量对绕射冲击波衰减的影响。研究结果表明: 冲击波压力峰值和冲量在迎爆面区域急速衰减, 随着爆距的减小, 衰减到50%的角度变小, 衰减速度明显变快, 而药量对冲击波压力峰值和冲量衰减影响都很小。

水下爆炸; 圆柱壳; 冲击波; 绕射压力衰减

0 引言

圆柱壳结构是舰艇及其他海洋结构物中广泛使用的工程构件, 世界各国海军密切关注水下爆炸对上述设施和结构的破坏问题, 其中, 冲击波载荷是上述结构和设施安全的主要威胁之一, 其与圆柱壳体间的相互作用具有重大研究意义。

在分析水下爆炸冲击波波动效应时, 除了圆柱壳迎爆面的压力分布和反射外, 也要考虑圆柱壳背爆面形成的绕射冲击波。Huang [1]考虑了球面冲击波与圆柱壳的相互作用, 计算了壳面几个点的衍射压力, 得到解析解。李裕春等[2]研究了水中平面冲击波对刚性方形台的绕射效应。姚熊亮等[3]采用ABAQUS 软件, 仿真分析了双层圆柱壳结构的抗冲击性能。朱正洋[4]研究了近地空中爆炸冲击波与柱形拱壳结构的相互作用, 分析了冲击波在空气介质中的传播过程和对结构的绕射特性。邵宗战[5]测量了水下爆炸作用下圆柱壳周围的冲击波压力曲线。此外，姚熊亮等[6]还分析了不同板厚和爆距对冲击波绕射圆柱壳的影响; 谭皓洋[7]采用ABAQUS的耦合欧拉-拉格朗日(coupled Eulerian-Lagrangian, CEL)方法, 仿真了水下爆炸冲击波、气泡脉动和气泡射流全物理过程。但以上研究重点均围绕水下爆炸圆柱壳载荷变化机理和结构响应规律, 对实尺度下冲击波绕射规律和图谱关注不够, 限制了工程应用。

文中以10 m 级圆柱壳为研究对象, 采用ABAQUS 有限元程序对水下爆炸冲击波绕圆柱壳传播的动态过程进行了数值仿真, 分析了冲击波沿圆柱壳绕射的衰减过程, 得到了压力峰值和冲量分布图谱, 为水下武器毁伤评估的理论方法提供载荷输入。

1 数值仿真模型

1.1 物理模型

水下爆炸是一个复杂的流固耦合问题, 炸药爆炸会在毫秒时间内产生高峰值压力的冲击波, 文中采用CEL 方法模拟冲击波与圆柱壳的相互作用。计算模型如图1 所示, 参考实际尺寸, 圆柱壳半径为R=5 m, 药包TNT 当量为100 kg, 药包中心与壳体间的距离r=5 m。圆柱壳内部为空气, 外部为水, 圆柱壳设为刚性结构并固定。为减小流场边界影响, 流场大小为圆柱壳截面方向长50 m, 高20 m, 圆柱壳长度方向15 m, 流场最小网格和结构网格尺寸为0.1 m, 流场边界采用无反射边界条件。由于圆柱壳为对称结构, 以1/2 模型进行计算,计圆柱壳迎爆面离药包最近点角度为0°, 背爆面离药包最远点角度为180°, 为研究冲击波沿圆柱壳的绕射, 在圆柱壳周围每隔5°设置1 个压力测点, 图1 标记了几个典型角度的测点。

图1 水下爆炸物理模型Fig. 1 Physical model of underwater explosion

1.2 参数设置

1.2.1 水介质状态方程

US-UP状态方程被用来模拟不可压的层状流动, 并通过纳维-斯托克斯(Navier-Stokes, N-S)方程控制运动, 能准确模拟水在冲击波载荷作用下的运动过程。线性US-UPHugoniot 形式状态方程为[8]

式中:US为线性冲击速度;UP为质点速度; 水中声速C1=1 500 m/s; 材料常数S1=1.75, 水密度为1 000 kg/m3。

1.2.2 空气介质状态方程

理想气体状态方程为[8]

式中: 空气密度ρa=1.2 kg/m3; 气体常数R=287;θ为当前温度; θZ为绝对零度; 环境压力pA设为0 .1 Mpa[8]。

1.2.3 炸药状态方程

水下爆炸产生的爆轰产物采用JWL(Jones-Wilkins-Lee)状态方程

式中:A,B,R1,R2,ω为试验得到的材料常数,A=3.7377×1011Pa ,B=3.7471×109Pa,R1=0.45,R2=0.9, ω=0.35; 炸药单位质量内能Em=3.8×106J/kg,初 始炸药密度ρ0=1 630 kg/m3; 爆轰产物密度为ρ。

1.3 有效性验证

1.3.1 仿真结果与经验公式对比

为验证数值仿真爆炸冲击波载荷的准确性, 对自由场中的水下爆炸冲击波进行计算。流场网格大小为0.1 m, TNT 当量为100 kg, 此时初始药包半径R0=0.245 m, 爆点设在药包中心, 如图2(a)所示。在距离爆心10R0、15R0和20R0处设置压力测点P1,P2和P3。水下爆炸数值仿真计算的冲击波压力与Geersamp;Hunter 模型公式[9]对比曲线如图2(b)～(d)所示, 从图中可以看出, 峰值压力数值仿真结果与经验公式吻合良好。压力曲线在峰值过后的多次压力震荡, Cole[10]认为是由于不同位置的炸药颗粒产生的冲击波叠加造成的, 而在数值仿真模型中的不同炸药填充单元造成了峰值后的震荡。

图2 爆炸冲击波压力数值仿真与经验公式对比Fig. 2 Comparison of explosion shock wave pressures between numerical simulation and empirical formula

1.3.2 仿真结果与试验数据对比

由水下爆炸冲击波缩比理论[11]可知, 在相同爆距半径比下, 水下爆炸冲击波压力值相同。根据文献[12]中的试验数据, 试验压力传感器位于TNT炸药10 倍半径处, 在相同爆距半径比下, 水下爆炸冲击波峰值仿真结果与文献中的试验结果如表1所示。从表中可以发现, 仿真值与试验值误差较小, 验证了仿真结果的正确性。

表1 试验与仿真冲击波峰值压力对比Table 1 Comparison of peak pressures of shock wave between test and simulation

2 水下爆炸冲击波绕射特性

2.1 水下爆炸冲击波绕射原理

基于空气动力学理论, 超声速气流沿外折微小角度的壁面流动时, 经过折角后流动空间扩大, 速度增大, 压强、密度、温度降低, 压强变化的扰动沿折点向外传播形成弱膨胀波, 与波前气流方向形成夹角, 圆柱壳面可看作连续的折角变化, 在圆柱壳的每一处都形成弱膨胀波, 从而形成了传播方向改变的绕射波[13]。

2.2 水下爆炸冲击波绕射过程

数值仿真计算得到的水域压力云图如图3 所示。炸药起爆后, 冲击波以球形向外传播, 当到达圆柱壳后, 形成反射, 如图3(a)所示; 冲击波在结构处反射后, 在结构处形成空化, 如图3(b)所示; 冲击波继续沿着圆柱壳向前传播, 到达圆柱壳顶部, 同时圆柱壳的反射波向炸药方向传播, 经过气泡时产生截断现象, 如图3(c)所示; 冲击波最后到达圆柱壳背爆面, 上下两侧冲击波形成叠加效应, 如图3(d)所示。

2.3 不同角度下圆柱壳压力时域特征

不同角度下的圆柱壳压力时域曲线如图4 所示。迎爆面测点在冲击波到达后出现第1 个峰值,随后迅速衰减, 由于壳体的反射形成了第2 个波峰, 如图4(a)所示; 背爆面测点在冲击波到达后出现波峰, 在第1 个波峰衰减后仍然保持一定压力,在180°处由于上下两侧冲击波叠加, 压力峰值叠加明显大于170°和175°处, 同时也可以明显看到,170°和175°处在第1 个峰值还未衰减完成时, 另一侧冲击波引起的2 次峰值叠加, 如图4(b)所示。

图3 水域压力云图Fig. 3 Pressure contour of water

图4 压力时域曲线Fig. 4 Time domain curves of pressure

3 冲击波绕射影响因素分析

3.1 不同爆距下冲击波绕射特性

近距离爆炸下, 冲击波绕射曲率与爆距密切相关。为研究爆距对冲击波绕射衰减的影响, 在不改变药量100 kg 的条件下, 改变爆距进行仿真计算, 设计爆距范围为3～10 m。圆柱壳半径R=5 m,爆 距为r, 定义无量纲相对爆距λ=r/R。

3.1.1 压力时域特征

不同爆距下典型角度处压力时域曲线如图5所示, 可见在迎爆面冲击波随着爆距减小衰减较为明显, 而背爆面冲击波经过绕射后, 不同爆距下冲击波峰值相差不大, 在150°处冲击波峰值已经较为接近。

3.1.2 压力峰值空间分布

在每个工况下, 将0°处的冲击波压力峰值记为Pmax, 测点处的冲击波峰值记为Pm, 定义无量纲参数Pm/Pmax来衡量冲量的衰减程度, 如图6 所示。可以看到冲击波压力峰值在迎爆面区域急速衰减, 而在背爆面衰减速度变慢。同时, 随着爆距减小, 衰减速度也变快, 在λ=2时约68°处达到了50%的衰减, 在λ=0.6时约40°处便达到了50%的衰减。由于180°处上下两侧冲击波的叠加, 冲击波 峰值略微上升。

3.1.3 冲量空间分布

冲量是压力场持续作用在目标物上压力的时间积累量, 是造成结构毁伤的一个重要参数, 对冲击波压力曲线的第1 个波峰时间段进行积分, 得到冲击波在单位面积的冲量I。在每个工况下,将0°处的冲量记为Imax, 测点处的冲量记为Im, 定义无量纲参数Im/Imax, 来衡量冲量的衰减程度,如图7 所示。可以看到冲量在迎爆面区域急速衰减, 而在背爆面衰减速度变慢。同时, 随着爆距减小, 衰减速度也变快, 在λ=2时约70°处达到了50%的衰减, 在λ=0.6时约35°处便达到了50%的衰减。由于180°处上下两侧冲击波的叠加, 冲量略微 上升。

图5 不同角度处典型爆距下冲击波压力时域曲线Fig. 5 Time domain curves of shock wave pressure with typical blast distance at different angles

图6 不同爆距下Pm/Pmax 随角度变化曲线Fig. 6 Curves of Pm/Pmax varies with the angles in different blast distance

图7 不同爆距下Im/Imax 随角度变化曲线Fig. 7 Curves of Im/I max varies with the angles in different blast distance

3.2 不同药量下冲击波绕射特性

冲击波峰值与药量相关, 为研究药量对冲击波绕射衰减的影响, 在不改变爆距5 m 的条件下, 通过改变药量进行仿真计算, 设计范围为25～400 kg。

3.2.1 压力时域特征

不同药量下典型角度处压力时域曲线如图8所示, 可见不论在迎爆面还是背爆面, 冲击波压力峰值都随着药量增大而显著增大。

3.2.2 压力峰值空间分布

无量纲参数Pm/Pmax在不同药量下随爆距的变化如图9 所示, 可以看到在不同药量下, 冲击波压力衰减趋势相似。

3.2.3 冲量空间分布

无量纲参数Im/Imax在不同药量下随爆距的变化如图10 所示, 可以看到在不同药量下, 冲击波压力衰减趋势相似。

图8 不同药量下典型角度处冲击波压力时域曲线Fig. 8 Time domain curves of shock wave pressure with typical angles at different charge of TNT

图9 不同药量下Pm/Pmax 随角度变化曲线Fig. 9 Curves of Pm/Pmax varies with the angles in different charge of TNT

图10 不同药量下Im/Imax 随角度变化曲线Fig. 10 Curve of Im/Imax varies with the angles in different charge of TNT

4 结论

文中对水下爆炸冲击波绕圆柱壳传播的动态过程进行了数值仿真, 分析了冲击波沿圆柱壳绕射的衰减过程, 得到了冲击波压力峰值、冲量在圆柱壳表面的分布图谱, 探讨了爆距和药量对分布图谱的影响, 为水下武器毁伤评估的理论方法提供载荷输入。主要结论有:

1) 水下爆炸冲击波在传播到圆柱壳表面时,会产生反射波和绕射波, 迎爆面处压力迅速达到峰值随后衰减, 反射波形成第2 个较小的峰值。

2) 背爆面绕射冲击波形成峰值, 衰减速度变慢, 在180°背爆面处由于两侧绕射波同时到达, 冲击波叠加峰值变大。

3) 冲击波压力峰值和冲量在迎爆面区域急速衰减, 随着爆距的减小, 衰减到50%的角度变小,衰减速度明显变快。而药量对冲击波压力峰值和冲量衰减影响都很小。

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Diffraction Attenuation Distribution of Underwater Explosion Shock Waves on the Surface of a Cylindrical Structure

ZHANG Di-zhou1,HE Zhen-hong2,HE Xin-yi1,LI Ying2,LU Jun1,CHEN Shuang1

(1. Naval Research Institute, Beijing 100161; 2. State Key Laboratory of Explosion Science and Technology, Beijing University of Technology, Beijing 100081)

When an underwater explosion shock wave acts on the surface of a cylindrical shell, a shock wave forms on the backshock surface in addition to the reflected shock wave. To study the diffraction distribution features of shock wave pressure on the surface of a cylindrical shell, the coupled Eulerian-Lagrangian method in the ABAQUS soft ware is used to simulate the interactions of underwater explosion shock waves and cylindrical shell structures. The pressure field distribution around a cylindrical shell is obtained. The influence of different blast distances and charges of TNT on the diffraction effect of shock wave attenuation is analyzed. The results indicate that the peak pressure and impulse of shock waves decay rapidly in front of the blast surface. With a decrease in blast distance, the angle required for attenuation to 50% decreases and the attenuation speed increases significantly. However, the charge of TNT has little effect on the peak pressure and impulse attenuation of shock waves.

underwater explosion; cylindrical shell; shock wave; diffraction

TJ410; U661.44

A

2096-3920(2022)03-0371-07

10.11993/j.issn.2096-3920.2022.03.013

张迪洲, 何镇宏, 何心怡, 等. 水下爆炸冲击波在圆柱壳结构表面绕射衰减分布[J]. 水下无人系统学报, 2022,30(3): 371-377.

2022-03-29;

2022-05-08.

张迪洲(1988-), 男, 博士, 助理研究员, 主要研究方向为装备作战效能评估技术.

(责任编辑: 许 妍)