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文檔簡介
近地爆炸下剛性墻繞流現(xiàn)象的數(shù)值模擬
為了避免或減少爆炸波對重要建筑的損壞,通常在其周圍設置防爆墻。沖擊波在傳播過程中遇到防爆擋墻,除了反射沖擊外,入射沖擊波沿墻頂傳播運動形成旋風,一方面使反射波壓力下降,一方面又與相鄰的入射波一起作用形成繞流,繞流繞過墻頂,沿著墻后壁往下傳播,墻后所受的壓力逐漸增大,而墻前逐漸下降。反射波在由入射波壓縮及加熱的空氣中傳播,因此傳播速度快,其逐漸趕上甚至超過入射波,與入射波匯聚,出現(xiàn)高壓力區(qū),即馬赫反應。一些學者對有擋墻和無擋墻情況下爆炸沖擊波作用進行研究。Henrych根據(jù)試驗總結(jié)在時間以后,墻體迎爆面上爆炸沖擊波作用消失,其中x為迎爆面高寬尺寸較小者的一半,C為反射沖擊波中的聲速,可取C=300~400m/s。王仲琦等人用二維多流體網(wǎng)格法分析爆炸點周圍爆炸場的初始發(fā)展和繞過障礙的過程。穆朝民等對爆炸沖擊波作用與繞過剛性墻的規(guī)律進行了試驗研究。目前,對防爆擋墻墻后繞流的破壞作用研究還不夠,本文采用顯示動力有限元軟件LS-DY-NA模擬爆炸沖擊波在剛性墻影響下的反射與繞流,研究其規(guī)律有利于合理設計墻體的尺寸與布置。1空氣爆炸的有限模型1.1材料模型的材料描述有限元模型由空氣、炸藥、擋墻組成??諝獠捎肔S-DYNA中NULL材料模型以及LINEAR_POLYNOMIAL狀態(tài)方程描述,將其視為理想氣體,即忽略距爆炸源較近區(qū)域的氣體由于高溫高壓而引起氣體性質(zhì)的變化。LINEAR_POLYNOMIAL狀態(tài)方程表達式為:材料模型及狀態(tài)方程TNT炸藥采用LS-DYNA中HIGH_EXPLO-SIVE_BURN材料模型及JWL狀態(tài)方程描述,方程具體形式為:式中:A、B、R1、R2、ω為與炸藥有關(guān)的參數(shù),V為相對體積,E為初始單位體積內(nèi)能,取值見表1:1.2tnt分量罪犯置炮點本文對總參工程兵科三所防爆擋墻的爆炸試驗進行模擬,如圖1所示,將4kgTNT當量炸藥置在防爆擋墻中軸線上,距離墻3m、爆炸高度為0.6m。試驗對墻迎爆面取A、B兩個測點,分別離地高0.6m、1.5m,墻后由近及遠放7個測點均與爆心在同一高度。1.3eune網(wǎng)絡單元用顯式有限元軟件LS-DYNA對圖1所示試驗進行數(shù)值模擬,有限元模型如圖2所示。數(shù)值模型由炸藥、空氣、擋墻組成??諝庥虼笮?0m×8m×8m;炸藥位于空氣域一端離地0.6m處,采用立方體裝藥,TNT等效當量為4kg,屬于近地爆炸;墻迎爆面距爆心為3m,尺寸為0.5m×3m×2.5m(h)。炸藥、空氣、擋墻均采用Solid164實體單元,墻采用Lagrange網(wǎng)格,炸藥和空氣采用Euler網(wǎng)格建模。選用多物質(zhì)ALE算法,通過Constrained_Lagrange_In_Solid的約束條件使Lagrange單元和Euler單元之間共同作用,用流固耦合的算法來實現(xiàn)爆炸沖擊波對結(jié)構(gòu)的沖擊模擬。由于對稱性,取模型的1/4,對稱面上采用對稱邊界條件,空氣邊界上定義無反射邊界條件來模擬無限域空氣,地面采用地面約束邊界。1.4超壓作用時間爆炸后氣體產(chǎn)物迅速膨脹形成沖擊波,隨著時間的增長不斷向外傳播,當遇到擋墻時產(chǎn)生反射波,經(jīng)過一段時間之后,爆炸沖擊波傳播到墻的表面并與其相互作用。如圖3所示,沖擊波繞過墻體時的壓力分布圖。根據(jù)有限元計算得到墻迎爆面上測點A、B的反射超壓時程曲線如圖4、圖5所示,墻后測點1、4繞流超壓時程曲線如圖6、圖7所示。綜合圖4~圖7,可見炸藥爆炸是一種高速反應過程,在以毫秒計的短時間內(nèi)釋放巨大能量,產(chǎn)生的沖擊波在空氣中超聲速傳播,并使其通過處的空氣壓力急劇增大,當爆炸沖擊波遇到障礙物,其反射和繞流超壓時程曲線形狀仍近似為三角形。沖擊波繞流超壓作用時間與墻迎爆面上的反射超壓作用時間大2倍左右;在沖擊波傳至迎爆面后繞過墻體,使作用于墻體的超壓迅速減小。由圖看出,模擬結(jié)果與試驗在趨勢、時間、量級上都比較接近,為了進一步對比,將試驗與數(shù)值模擬結(jié)果數(shù)據(jù)列于表2,由表中數(shù)據(jù)可得到數(shù)據(jù)相差在10%左右,數(shù)值模擬誤差較小。2支撐墻后的流現(xiàn)象的分析2.1最大超壓曲線作用于迎爆面的荷載主要由反射沖擊波引起,圖8給出了墻體迎爆面距地面0、0.5、1.0、1.5m高處的反射超壓時程圖。其中,超壓峰值最大位于地面處(數(shù)值為1.706MPa),而0.5m高處的反射超壓峰值最早出現(xiàn),因為該處距離爆心距離最近。由于地面引起空氣的壓縮,并反射向外傳播形成第二次沖擊波,因此各點處的超壓曲線均呈現(xiàn)雙峰或多峰。從趨勢上可見,擋墻迎爆面上爆炸沖擊波作用在0.008s后逐漸趨近0MPa,這與Henry的結(jié)論所一致。反射超壓沿著墻高分布不均勻,由于爆炸沖擊波為近似球面向外高速傳播,只有當墻高很小并爆炸源足夠遠時方可認為所受壓力均勻分布。2.2墻后流效果分析2.2.1無墻后沖擊時程距離墻迎爆面3m的4kgTNT炸藥爆炸,墻背面離地高0.6m處不同遠近的各點的繞流峰值如圖9所示,墻后由近及遠各點的繞流超壓峰值在數(shù)值上趨勢為由小到大,再變小。墻后2m內(nèi)壓強值較小,剛性墻起到了一定的防爆作用,爆炸沖擊波在遇到障礙物的情況下傳播方式改變導致墻后壁2m內(nèi)的壓強較小,是相對安全的位置。但在距離在約為2倍墻高處(此處約為5.487m),壓強峰值較大,其值比無墻時更大,表示該處產(chǎn)生了馬赫反應使得沖擊波壓力大幅增強。超過馬赫反應范圍后,沖擊波變?yōu)橄∈璨?墻后超壓峰值隨著距離的增大而減小。為了進一步研究墻后爆炸沖擊波繞流作用,分析對比有擋墻墻后發(fā)生繞流和無墻時自由空氣爆炸沖擊的壓力時程曲線。取剛性墻墻后距墻背面分別為0.5、5、9.5m(即距爆炸源分別為4、9.5、13m)處的三個單元,單元與炸藥在同一水平高度(距地面0.6m處),離墻后,如圖10~圖12:如圖10所示位于距離墻背面0.5m的位置單元,有擋墻情況下約在0.0186s時空氣壓強開始迅速增大直至出現(xiàn)0.070MPa的超壓峰值,隨即在0.034s時出現(xiàn)第二個峰值(0.034MPa),之后超壓衰減至出現(xiàn)負壓。無擋墻情況超壓在0.0156s時急劇增大至峰值0.106MPa,然后不斷衰減至趨于0MPa。說明防爆擋墻對該區(qū)域確實起到減少沖擊的作用,其超壓峰值比在無墻時減少了30%。圖11給出墻后5m的單元超壓時程圖,波形圖出現(xiàn)雙峰現(xiàn)象,在0.0230s和0.0248s時刻分別出現(xiàn)0.0852MPa、0.0651MPa的超壓峰值,這是由于繞流產(chǎn)生的空氣波與地面發(fā)生反射所致。無擋墻情況下,在0.0225s時刻出現(xiàn)峰值0.0603MPa,有擋墻情況下的超壓峰值比無擋墻時大了40%,可見由于繞流作用使得該處沖擊波破壞作用更加厲害。圖12顯示在墻后較遠的距離(4倍墻高)處,無擋墻和有擋墻情況下的該處的超壓峰值分別為0.020MPa、0.026MPa,擋墻把沖擊波繞流超壓削弱了大約25%,無擋墻情況下沖擊波傳至該位置比有擋墻情況略微提前幾個毫秒。在墻后距離超過發(fā)生馬赫反射區(qū)域外的位置,繞流波為稀疏波,壓力降低,擋墻具有一定的防護作用。2.2.2最大超壓峰值的發(fā)生位置保持炸藥TNT當量為4Kg不變,爆心離迎爆面的距離仍為3m,調(diào)整擋墻高度進行數(shù)值模擬。表3給出不同高度擋墻在爆炸沖擊下墻后最大超壓峰值及其發(fā)生位置??梢钥闯?擋墻高度在小于2.5m,最大繞流超壓峰值均發(fā)生墻后2h(墻高)左右位置;而墻高變大時,墻后的超壓最大值發(fā)生在墻后近處,超壓峰值變化量不大。可以得出入射角φ(正切值為墻頂?shù)奖牡拇怪本嚯x比爆心距墻迎爆面水平距離)在大于極限值40°時,繞流不明顯,沖擊波作用于墻體時運動方向改變不大,因此墻背面的最大超壓峰值發(fā)生在距離墻背后較近的位置。通常情況下,汽車炸彈屬于近地爆炸,其離墻也有一定的距離,此時入射角φ往往小于40°,就需要特別考慮距離墻后1.5~2.5倍墻高區(qū)域內(nèi)的繞流作用。tnt用量對超壓峰值的影響爆心至擋墻迎爆面3m距離不變,墻高仍為2.5m,設置炸藥當量分別為0.5、1、2、3、4、5kg進行模擬,如表4所示,超壓峰值隨著TNT當量的增加而非線性增大,且隨著藥量越大,增大的幅度越大。峰值都發(fā)生在墻后5.4m處,可見炸藥量的大小影響了超壓峰值的大小,但不影響峰值出現(xiàn)位置。3爆心與墻頂連續(xù)線不同時點超壓峰值的特征⑴墻迎爆面上反射超壓沿墻高不均勻分布,這是由于爆炸沖擊波傳播以球形發(fā)展并在地面發(fā)生反射。⑵近地爆炸時爆炸沖擊波由于地面的反射對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生二次沖擊作用,出現(xiàn)超壓雙峰現(xiàn)象,第二次超壓峰值要小于第一次峰值。⑶不同爆心距、炸藥離地高度、墻高的情況下,當爆心與墻頂連線與水平夾角小于40°時,繞流效應明顯,沖擊波作用于墻體時運動方向改變,繞流超壓峰值與TNT當量有正比關(guān)系。⑷繞流作用下,繞流波沿著地面運動,大約離墻后壁2倍墻高處形成馬赫反應,其破壞作用比無墻時更大
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