温压炸药爆炸冲击波传播规律及其后燃效应的理论与数值研究.pdf

第 卷 第 期 年 月南京理工大学学报 .收稿日期:修回日期:通讯作者:吴威涛男博士教授博士生导师主要研究方向:可压缩流体动力学、物理信息嵌入机器学习:.引文格式:吴威涛高光发韩志伟等.温压炸药爆炸冲击波传播规律及其后燃效应的理论与数值研究.南京理工大学学报():.投稿网址:/.温压炸药爆炸冲击波传播规律及其后燃效应的理论与数值研究吴威涛高光发韩志伟王祉乔袁心怡何 勇(南京理工大学.机械工程学院.化学与化工学院江苏 南京)摘 要:温压炸药在高爆炸药爆炸后内含的金属粉末在爆轰产物作用下发生后燃反应并持续释热同时产生压力效应和热效应对目标造成毁伤对周围人员和设备构成严重威胁 基于可压缩 方程、欧拉拉格朗日颗粒多相流模型、气相物质组分运输与化学反应动力学模型建立了综合描述温压炸药高速可压流动、金属粉末抛洒、金属粉末爆燃等复杂作用过程的理论模型与数值计算方法 在此基础上利用()能量释放模型计算原理分别建立了 爆炸球内金属粉末爆燃以及自由场、坑道内温压炸药爆炸的数值计算模型通过数值模拟结果与试验结果数据比较验证了所构建的理论和数值模型的准确性 利用数值模拟的计算结果分析了温压炸药爆炸冲击波特性及其后燃效应 最后应用该模型进行了超大当量温压炸药爆炸实例数值模拟为温压爆炸冲击波的传播规律研究和对应的防护设计提供了一定参考关键词:温压炸药冲击波后燃反应数值模拟坑道约束中图分类号:文章编号:():./.(.):.总第 期吴威涛 高光发 韩志伟 王祉乔 袁心怡 何 勇 温压炸药爆炸冲击波传播规律及其后燃效应的理论与数值研究 .().:温压炸药在常规高能炸药的基础上添加了活性金属粉末在高能炸药爆炸后金属粉末与常规炸药的爆轰产物发生后燃反应并释放大量的热量使炸药能量释放水平显著提高并且进一步增强热效应和压力效应 温压炸药具有良好的武器性能和毁伤效应在打击掩体及密闭空间内部的人员及设备时拥有明显的优势在炸药爆炸过程中爆轰波与冲击波交汇形成的界面被称为()面传统高爆炸药爆炸形成的 面位于燃烧产物和未反应物之间爆炸过程通常是短暂且剧烈的 在温压炸药爆炸时形成的 面位于金属粉末的爆燃区域面处的压力和温度相对较低金属粉末在炸药爆轰 面之前基本不参与化学反应但是在 面后与爆轰产物或空气发生后燃反应并持续释放热量因此能量释放时间更长冲击波超压持续时间更长并且随着金属粉末的燃烧形成显著的高温场 温压炸药有关参数设计和爆炸冲击波分析的研究方法主要有实验研究和数值模拟分析因其爆炸的流体力学过程复杂包含爆轰产物的流动和粉末物质的运动二者相互作用并伴有化学反应所以目前的研究主要以经验模型为主 等效当量法、额外添加能量法、()能量释放模型法是现今研究温压炸药爆炸的常用方法 但等效当量法没有考虑温压炸药的后燃反应额外添加能量法不能准确确定额外添加能量的大小和时间 能量释放模型的材料参数由试验确定能够较准确地反映温压炸药的能量传播规律但对爆炸的流体力学过程尤其是后燃反应过程缺乏充分的研究限制了温压炸药的威力提升与可靠的毁伤效果评估温压炸药爆炸后装药中的金属粉末被抛洒而出进入到爆轰气体和空气之中并与其发生反应即温压炸药爆炸问题可转化为固体颗粒和气体产物的两相流问题 通过试验很难获得温压炸药爆炸过程中颗粒的后燃反应特性因此发展基于两相流的爆炸力学数值模拟方法模拟分析温压炸药爆炸中的两相流现象深入认识爆炸现象中的两相流运动规律是目前研究的主要方向 等和 等分别采用欧拉拉格朗日法建立了铝/空气混合物、镁/空气混合物的三维爆炸模型揭示了颗粒在点火前的分散行为以及点火后的爆炸特性和燃烧产物 毕伟程针对一种含铝温压炸药在球形温压炸药在无界空气中爆炸的条件下建立了球对称一维气固两相流数值仿真模型研究了其爆轰产物气体与铝粉颗粒混合两相流的后燃反应机制 在以往的文献中很少使用欧拉拉格朗日方法对温压炸药爆炸进行气固两相流研究 且大多采用 商 用 软 件、等来分析温压炸药爆炸问题存在计算针对性不强、后燃效应模型比较简单等局限性 所以建立温压炸药爆炸和作用南京理工大学学报第 卷第 期过程的理论模型和数值模拟方法十分必要本文针对一种含铝温压炸药研究其爆轰产物气体与铝粉颗粒混合两相流的后燃反应机制建立了相应的数学模型和数值模拟方法 通过数值模拟结果与试验结果数据比较验证了计算中所使用的模型和参数取值的合理性 对爆炸冲击波的波形进行了分析并按爆炸相似律进行拟合总结了温压炸药在开放空间和坑道的爆炸冲击波规律 通过火球发展及颗粒燃烧对其后燃效应进行了研究最后应用本模型进行了超大当量温压炸药爆炸实例数值模拟 理论及数值模型温压炸药爆炸过程中存在多次反应能量释放其爆轰产物与固体粉末发生的后燃反应是典型的气固化学反应多相流耦合多相动量转换、能量转换和相变等复杂机理 首先构建温压炸药爆炸过程的数学模型在此基础上建立微分控制方程的数值求解器即数值模型 数学模型建立在化学动力学、热物理和流体力学的基础上考虑气体相和离散相的质量、能量、动量守恒和化学反应平衡为了简化模型本文在建立模型时有以下几点假设:()温压炸药的组分由高能炸药 和铝粉颗粒组成铝粉颗粒均匀分布在装药中()炸药的爆炸为瞬时爆轰为了简化计算忽略炸药起爆后爆轰波在炸药中的传递初始时刻假设所有固体炸药都完全转化为气体爆轰产物()不考虑有关化学反应和燃烧的中间反应即铝颗粒的燃烧反应简化为总包反应:()铝颗粒建模为规则球形颗粒群自身不考虑黏性颗粒不考虑热传导.材料模型及参数温压炸药选用 基含铝温压炸药其参数通过圆筒试验标定如表 所示 使用 状态方程描述 ()()()式中:为压力为内能密度 /为体积膨胀率为初始体积 表示单位时间内爆炸产物体积的增加量、为材料常数表 材料常数参数名称参数取值密度/().内能密度/././.铝粉作为温压炸药的主要成分之一是经过特殊加工的超细、片状粉末此结构扁平多刺比表面积大在抛洒初期易于吸热达到瞬态高温进而熔化及气化在与周围氧气接触时能够快速反应提高能量释放的速率和效率 当铝粉与其他原料混合后形成相互包覆的混合体此时的微观形态为混合均匀的近似球状颗粒 本节模拟所用铝粉颗粒度分布如图 所示 颗粒直径呈近似正态分布平均颗粒直径.在温压炸药后燃阶段铝粉在高温高压下的燃烧与铝蒸汽相燃烧方式较为类似在蒸汽相燃烧过程中燃烧的热量促使铝颗粒持续蒸发 表 显示了用于模拟的铝颗粒主要物理和动力学参数图 铝粉颗粒直径分布图表 铝颗粒主要物理参数和动力学参数参数数值单位铝颗粒直径.铝粒子密度 表观活化能().指前因子().数学模型.气相模型使用可压缩 方程来表示连续相总第 期吴威涛 高光发 韩志伟 王祉乔 袁心怡 何 勇 温压炸药爆炸冲击波传播规律及其后燃效应的理论与数值研究 的质量、动量、能量和种类守恒 气相的质量守恒可表示为()()式中:为笛卡尔坐标 表示坐标方向 为时间()为气体密度()为气体速度()为质量源项()由氧和铝反应产生可表示为()式中:和 分别为燃料铝分子量()和氧分子量()为铝的燃烧速率气相动量守恒为()()()()式中:为气体压力()为气体粘度()为重力加速度()为动量源项可表示为 ()()()()式中:右侧第一项和第二项分别表示粒子的阻力和浮力 为单位体积颗粒数()()()分别为颗粒密度、质量和体积 为雷诺应力()根据 假设雷诺应力项可以表示为 ()式中:()为湍流动能()为湍流粘度可由式()表示气相能量守恒为()()()式中:为气体比热()为气体温度()为气体热导率()为气相湍流粘度系数()为湍流普朗特数为能量源项().湍流模型湍流模型采用标准 模型 采用半经验模型公式计算湍流动能 输运方程和湍流耗散率 输运方程可表示为()()()()()()()湍流粘度 由 和 合并计算如下()式中:()、()分别为平均速度梯度和浮力诱导的湍流动能()湍流膨胀对扩散速率的影响、和(无量纲)为经验常数(.)和(无量纲)分别是 和(.)的湍流普朗特数.颗粒相模型采用欧拉拉格朗日方法描述铝粒子容器中的气相和粒子相之间的耦合作用 以流体相作为连续相在欧拉坐标系下建立求解流动、传热和反应特性的 方程 利用牛顿第二定律通过求解各离散粒子在拉格朗日坐标下的运动轨迹来描述整个离散粒子场通过动量平衡计算粒子运动轨迹 铝粒子的动量守恒可以用式()描述()()()式中:()/为各粒子受到的惯性力为粒子速度矢量()为阻力()/为重力(包括浮力)和 分别为气体和铝粒子的密度 为附加力包括虚质量力、压力梯度力、升力、升力连续相和离散相的相互作用必须遵循牛顿第三定律因此各颗粒的阻力可按球形阻力定律计算()式中:为阻力系数可由以下关系式得到()式中:、为经验常数 为雷诺数可由式()表示()南京理工大学学报第 卷第 期.组分运输模型由于铝/空气混合物的爆炸反应是一个相当复杂的瞬态传热传质过程数值模拟在求解过程中需要大量的计算时间 因此假设这一反应不可逆即 用有限速率模型()计算了阿伦尼乌斯化学动力学的化学反应源项 此模型不仅可以忽略湍流紊乱的影响且对湍流火焰具有较高的计算精度 反应速率遵循分子的活化碰撞理论化学反应速率是温度的指数函数在使用 直接计算源项时使用了平均物种质量分数、温度和密度 可表示为()()式中:()和()分别为燃料质量分数和氧质量分数 和(无量纲)分别为燃料和氧的化学计量因子常数.()是气体常数 气体的守恒方程通过化学物质守恒可表示为()()()()式中:为气体质量分数 和 分别为反应速率和组分源项(气相由 的氧和 的氮组成)根据化学反应直接追踪粒子的种类方程 铝粒子的质量守恒可以描述为 ()式中:为燃烧所需时间为组分 的反应速度 组分()的质量分数为 ()()为了捕捉气化过程中铝颗粒的收缩模型假设铝颗粒的密度恒定在铝颗粒蒸发燃烧过程中颗粒直径减小颗粒保持球形蒸发速率可由式()表示 ()式中:为铝颗粒蒸发速率 数值模型的试验验证.铝粉尘爆炸参考 等实验所使用的 球形爆炸系统进行计算模型几何建立 采用 构建二维结构化网格具体细节建模等效于实验装置尺寸铝粉尘均匀弥散在计算域内密度为 容器内初始压力设置为 初始温度设置为 所有边界条件均为无滑移壁面条件为保证数值建模的准确性和可靠性分别创建网格分辨率为 、和 的网格如表 所示对 种模型在试验条件下数值模拟得到的流场压力结果进行整体对比 可以清楚地观察到数值模拟得到的压力与实验压力的相对误差网格对结果的影响基本可以忽略为节省计算成本选择网格 进行进一步研究 在后续算例中都开展了网格无关性研究但不做具体展示表 不同网格所对应的最大压力值及数值计算耗时网格网格数量壁面处最大压力值/耗时/实验.网格.网格.网格.网格.采用上述计算模型模拟密度为 铝粉尘密闭球内爆炸壁面处测得的压力时间变化与试验测得数据对比如图 所示图 铝粉尘爆炸数值模拟和试验的压力时间曲线压力时间曲线分为两个阶段:压力上升阶段、最大爆炸压力阶段 在升压阶段铝颗粒快速燃烧释放的热能超过了外部环境中损失的热量随着燃烧反应的继续能量迅速积累从而导致压力曲线的增长 最大爆炸压力阶段与铝颗粒的热力学和化学动力学密切相关容器内的氧气消耗完全能量积累达到最大值 在图 中可以观察到随着容器中心的高温点火铝颗粒蒸发中心处的铝蒸汽急速增长并发生爆燃同时氧气被消耗中心形成氧气真空区然后通过热对流和热传总第 期吴威涛 高光发 韩志伟 王祉乔 袁心怡 何 勇 温压炸药爆炸冲击波传播规律及其后燃效应的理论与数值研究 导过程加热外围的铝颗粒燃烧反应持续进行直至氧气被耗尽由图 可见铝粉尘爆炸不同时刻压力的模拟结果与试验数据吻合较好 虽然爆炸压力的模拟值略大于试验值但最大误差在 以下可能由一些为加速计算过程而做出的模型假设造成考虑到试验中的部分客观条件无法用模拟完全准确描述模拟结果可充分表明本数值计算模型能够较为准确地预测铝粉尘爆炸过程为下一步温压炸药爆炸研究奠定了基础图 铝粉尘爆炸密闭容器内铝蒸汽(体积分数)、氧气(体积分数)、温度()、压力()云图.温压炸药.近地面静爆所研究的近地面静爆为空旷环境地面平坦硬度适中 药柱置于距地面 的支架上以炸药试样在地面的垂直投影位置为原点在距离炸药试样、处布置自由场传感器 (与爆心处于同一水平面)如图 所示图 试验场地与传感器布置试验样品用温压炸药为圆柱形裸药柱药柱组分为:、铝粉、其他不含能物质 药柱成型密度为.长径比 药柱药量为.本文利用此次.及.温压炸药的冲击波实测数据验证本文所建立的爆炸数值计算模型采用上述计算模型模拟.和.温压炸药敞开空间爆炸药柱距地面 假设地面不通过形变吸收爆炸冲击波的能量为无滑移边界所得各测点处的冲击波超压波形与实测值的比较如图 所示炸药在空中爆炸时爆轰产物具有极高的压力并迅速向四周膨胀推挤周边的空气形成空气冲击波 由图 可以看出随着距离的增加超压计算值与实测值均不断减小数值结果与实测结果变化趋势一致 表明本文所建立的数值计算模型能够较为准确地预测近地面温压炸药的爆炸冲击波.坑道按照文献试验中相同的尺寸建立坑道三维模型设定 温压炸药在模型坑道出入口内 处爆炸炸高为.坑道壁面共 个压力测点捕捉坑道中的冲击波信号离爆心的距离分别为.、.、由于对称性建立二分之一模型坑道模型如图 所示 假设地面、坑道壁面不通过形变吸收爆炸冲击波的能量坑道壁面为无滑移边界在 和.测点处温压炸药坑道内爆炸冲击波波形如图 所示 在不同的时刻两处测点的超压波形都符合较好 在 测点处出现了两次超压峰值震荡这一震荡由坑道横截面形状引起数值模拟同样捕捉到了这一震荡体现了此模型的准确性 因受到坑道壁面的约束作用温压炸药爆炸后产生的冲击波会在壁面间来回反射南京理工大学学报第 卷第 期爆炸初期冲击波比较杂乱在坑道壁面反射波的叠加作用下形成了 测点处的第二波峰并且后续冲击波的波形都呈现轻微锯齿状冲击波压力到达峰值后迅速衰减图 敞开空间温压炸药爆炸数值模拟与试验冲击波波形对比图 温压炸药爆炸冲击波的传播及多元毁伤效应研究.近地面温压炸药爆炸采用上述计算模型建立三维模型模拟温压炸药近地面空间爆炸以药柱在地面的垂直投影点为原点从距离原点 处开始沿半径与炸药爆心同一高度位置每隔.处取测点至 位置共取 个测点 药柱药量分别为.、.、图 温压炸药坑道堵口爆炸冲击波波形温压炸药在敞开空间中爆炸时不仅能产生相对较强的冲击波而且还能通过快速燃烧反应释放大量的热量 及 温压炸药爆炸冲击波在自由场空间内不同时刻压力云图及颗粒运动如图 所示 温压炸药在敞开空间中被引爆后高温、高压的爆轰产物在瞬间产生由于引爆总第 期吴威涛 高光发 韩志伟 王祉乔 袁心怡 何 勇 温压炸药爆炸冲击波传播规律及其后燃效应的理论与数值研究 前周围空气的初始压力和初始密度都较低导致爆轰产物向周围急剧膨胀爆炸中心的压力和密度迅速下降在爆轰产物中形成稀疏波 与此同时爆轰产物急剧向四周膨胀四周空气被急剧压缩爆炸冲击波初步形成 当爆轰波到达空气与炸药的交界面时在空气中瞬间形成强冲击波图 敞开空间 及 温压炸药爆炸压力、温度变化及颗粒分布 图 展示了近地面 和 温压炸药爆炸冲击波的传播过程温压炸药在空旷环境中爆炸时火球的持续时间较短高温效应不明显冲击波为主要的毁伤效应因素爆炸空气冲击波在完全形成后脱离爆轰产物并独立地在空气中进行传播在爆炸空气冲击波的传播过程中爆炸空气冲击波的前端以超声速进行传播而爆炸空气冲击波正压区的尾部则以空气初始压力以相对应的音速进行传播在此基础上正压区的宽度不断变大当温压炸药起爆后随着距离的增加超压峰值不断减小近场冲击波衰减比远场冲击波衰减快如图 展示了不同装药量温压炸药在不同距离测点处的冲击波压力曲线超压峰值可视为随装药质量近似成倍数增长 超压峰值抵达时间也随装药质量的增加而加快模拟研究发现在爆轰区内爆轰波的超压曲线存在一定的波动这是由流场及燃料相互作用及金属颗粒浓度等参数分布不一致等原因造成的 在爆心附近区域、爆轰产物及其冲击波共同作用峰值超压及其传播速度迅速减小随着距离的不断增加爆轰产物的影响逐渐减小主要为冲击波作用同时超压衰减速度趋缓南京理工大学学报第 卷第 期图 近地面 和 温压炸药爆炸冲击波传播对比图 种装药量温压炸药在不同距离测点处的冲击波压力曲线总第 期吴威涛 高光发 韩志伟 王祉乔 袁心怡 何 勇 温压炸药爆炸冲击波传播规律及其后燃效应的理论与数值研究 图 为温压炸药爆炸峰值超压随传播距离的变化曲线可以看出在 时炸药爆轰释放的能量流场压力较高 以后冲击波压力迅速下降 根据冲击波对暴露人员的损伤程度冲击波超压达到.时就会对人体产生严重杀伤达到.时会造成 致死 根据图 冲击波在 处时装药大于 的温压炸药冲击波阵面压力在.以上 装药温压炸药 冲 击 波 阵 面 压 力 在 处 下 降 至.在 处下降至.因此可以认为 装药时温压炸药爆炸在 范围内致人死亡 至 计算范围内对人体造成严重损伤从图 可以明显看出温压炸药的冲击波超压在近场衰减速度明显在中远场的衰减速度缓慢这是因为温压炸药爆炸时炸药装药在爆炸作用下飞散到四周其中的高能炸药组分首先被点火或引爆发生剧烈反应产生高温高压从而点燃装药中高热值金属粉末 金属粉末在扩散中与空气混合形成边飞散边与空气中的氧反应的后燃烧过程延缓了冲击波超压幅值的衰减增加了冲击波的正压作用时间相应提高了温压炸药的冲击波破坏效应使温压炸药具有更高的毁伤威力为探究颗粒与爆轰气体相互作用的机理对装药中铝粉颗粒的运动轨迹进行捕捉在图 中可清楚观察到颗粒的运动图 给出了不同装药量温压炸药在不同时刻颗粒质量沿爆心距的分布图 温压炸药爆炸峰值超压随传播距离的变化曲线图 不同装药量温压炸药在不同时刻颗粒质量随距离的变化南京理工大学学报第 卷第 期 观察图 和图 可以发现在颗粒随爆轰产物向空气区域扩散的过程中颗粒与空气存在明显的界面大量颗粒堆积在此处随着时间的发展界面逐渐外移并且由于燃烧反应的发生颗粒质量快速下降 燃烧所释放的能量使得流场继续推动颗粒以较大的速度一起运动反应后期大部分颗粒燃烧消耗完全 观察图 中不同装药质量下在 时颗粒质量的分布可以发现在颗粒燃烧后期大部分未燃烧的颗粒并没有分布在颗粒扩散最远处而是在靠近爆心方向的 处这是因为颗粒燃烧速率和流场颗粒浓度及两相速度差有关 在靠近爆轰产物和空气的边界处颗粒相和流体相的相对速度差比较大颗粒燃烧速率大从图 中也可以看出最外层的颗粒质量下降最快而靠近中心点的颗粒燃烧速率慢质量下降较慢温压炸药爆炸的破坏效应包括冲击波和高温火球描述火球的参数包括火球的特征体积和高温持续时间 为直观描述含铝温压炸药爆炸火球的特征参数将温度范围为 的高温范围定义为最大火球半径最大火球半径包裹范围内为火球面积 和 温压炸药爆炸的温度场分布如图 所示从图中可以清楚的看到 不同质量温压炸药爆炸火球发展的过程 图 展示了不同质量温压炸药爆炸火球膨胀曲线可以清楚地看到爆炸过程中火球快速发展的过程根据温度场的分布和火球膨胀曲线可以把火球的形成和发展过程分为 个阶段:高速飞散阶段、二次膨胀阶段、自由扩散阶段 在第一个阶段高能炸药瞬时爆轰药物由中心抛洒而出火球迅速扩张最大速度可达 /在极短时间内火球便达到最大火球半径的 左右 此后由于周围空气的强烈阻滞作用使火球表面向前传播减缓火球保持短暂的稳定对于小质量的炸药甚至出现了短暂的火球收缩 因此高速分散阶段对于不同装药量的炸药而言稍有不同持续时长一般为几个毫秒图 和 温压炸药爆炸流场域中温度分布 在二次膨胀阶段爆轰产物经过高速飞散阶段后经过短暂的稳定过程火球立即又进入一个相对快速的膨胀阶段在图 中.和.装药中可以清楚地看到这一过程之后进入慢速总第 期吴威涛 高光发 韩志伟 王祉乔 袁心怡 何 勇 温压炸药爆炸冲击波传播规律及其后燃效应的理论与数值研究 膨胀阶段火球的形状和体积在一个相对长的时间内变化不大 在此阶段的火球参数具有一定的规律性具备特征参数的特点因此常把此阶段的半径、体积、温度、持续时间作为评价火球效应的特征参数 这一阶段持续时间约为几毫秒至几百毫秒是造成目标综合毁伤效应的关键阶段在自由扩散阶段燃烧释放的能量逐渐向周围扩散火球的温度渐渐降低直至最终消散于空气中这一阶段持续时间较长在综合破坏效应中主要消耗空气中的氧 在此并未进行这一阶段的展示.坑道内温压炸药爆炸采用上述计算模型建立三维模型模拟温压炸药坑道堵口空间爆炸从距离爆炸源 处开始沿坑道壁面与炸药爆心同高的位置每隔 取测点至 的位置共取 个测点 药柱药量分别为 、温压炸药在坑道口部截面中心爆炸坑道内不同时刻各参数云图如图 所示温压炸药爆炸具有一定的体积爆炸效应当在坑道内爆照时爆轰产物可携带着未反应完全的铝粉沿着坑道传播形成类似的“云雾”爆轰区在云雾爆轰区内正压作用时间基本保持恒定且高温金属颗粒大大提高了温压炸药的热毁伤效应图 温压炸药爆炸火球膨胀过程图 坑道 温压炸药爆炸压力、温度变化及颗粒分布南京理工大学学报第 卷第 期 不同装药量温压炸药在不同距离测点处的冲击波压力曲线如图 所示因受到坑道壁面的约束作用当冲击波遇到约束壁面发生反射后反射波将以大小相等的速率进行反向运动 爆炸初期冲击波比较杂乱随着冲击波的传播经过多次壁面反射逐渐变为规则的平面波向前传播 这与 爆炸冲击波在坑道内的传播规律基本一致在有限空间内部顶部和壁面反射产生的反向波会在空间内部的某一些区域汇聚通过叠加使冲击波到大幅增强使其具备更强的毁伤效果同时反射产生汇聚作用会导致空间内的燃料空气混合物局部反应更加猛烈使得冲击波压力与能量释放效率及爆炸火球的高温持续时间大大增加 图 给出了不同装药量温压炸药爆炸后超压峰值及冲量随距离的变化图 不同装药量温压炸药在不同距离测点处的冲击波压力曲线图 温压炸药爆炸的毁伤效应主要为压力毁伤和热毁伤对热毁伤程度的判定主要采用爆炸所产生的火球威力(火球的特征体积及高温持续时间)来描述 将温度范围高于 的高温范围定义为火球范围其体积为火球体积温压炸药爆炸流场温度分布如图 所示从图中可以清楚地观察到不同质量温压炸药爆炸火球发展的过程 炸药爆炸后火球阵面近似球面随着时间的发展火球半径逐渐增大由于受到坑道壁面限制火线横向发展趋势趋于停滞主要向纵向方向延伸火焰结构由半球状逐渐演变为手指状此时火焰燃烧稳定速度加快温度急剧上升 此后火球阵面近似于平面流场相对稳定温度峰值逐渐下降这一现象与冲击波在坑道内的传播极为相似坑道内不同爆心距测点处的温度在轴向上温度随距离的变化如图()所示可以看出坑道内温度分布呈现出“几”字型的变化规律 装药爆 炸 在 坑 道 内 部 的 高 温 火 球 核 心 温 度 为 左右在坑道外部的高温火球核心温度为 火球体积及火球深度变化如图()所示 装药的温压炸药爆炸在 时火球达到最大此时火球空间体积为 高温气体沿坑道的深度为.总第 期吴威涛 高光发 韩志伟 王祉乔 袁心怡 何 勇 温压炸药爆炸冲击波传播规律及其后燃效应的理论与数值研究 图 温压炸药爆炸流场温度分布图 装药温压炸药爆炸 温压炸药爆炸实例应用.战壕地下战壕一直以来都是军事防护领域关注的重点是各类军事防护工程中较为常见的一种结构形式 与地面无约束爆炸相比战壕环境下的爆炸冲击波由于受到战壕壁面阻挠、约束作用会产生不规则衰减不同的战壕构型对冲击波传播过程的影响不同炸药在战壕环境中的打击位置也对爆炸的毁伤效应有较大影响 目前对于敞开空间中爆炸规律的研究主要集中在近地面自由场爆炸对于战壕这类带约束的敞开空间研究较少而战壕作为较为常见的战地环境需要被投以关注本节建立了典型的战壕几何模型模拟了炸药在不同位置爆炸时冲击波的传播规律及流场中各参数的分布 战壕几何构型如图 所示 战壕设定为立射战壕深 对战壕几何进行简化壕口与壕底等宽为 图 战壕几何示意图进行数值模拟时药柱组分设置为:、铝粉、其他不含能物质 药柱成型密度为.长径比 药柱药量为 分别设置两处爆炸地点:一处在战壕拐点处外的空地炸药高度为 一处位于战壕口部与地面齐平具体位置如图 所示 爆炸冲击波在战壕外部爆炸时会受战壕外部入口处掩盖阻挡、坡面等的影响发生衰减在本研究中为简化计算假设战壕壁面与地面垂直并且没有掩盖物温压炸药在战壕口部爆炸时颗粒运动随时间的变化及爆炸冲击波的传播如图 所示从图中可以看出当炸药在战壕口部爆炸时炸药颗粒运动较为复杂大量颗粒在爆炸后进入战壕内部在战壕壁面约束下颗粒的流场运动呈现螺旋状战壕环境下温压炸药在爆心截面爆炸冲击波传播示意图如图 所示从图中可以看出当冲击波传播到战壕位置时发生反射并聚焦最终在战壕内部形成较为紊乱的流场 图 为战壕口部温压炸药爆炸战壕壁面压力分布 时战壕内部冲击波波阵面最高压力为.时在战壕内部冲击波聚焦区域压力依然可以达到.大部分区域约为.左右 根据冲击波对暴露人员的损伤程度冲击波超压达到.时就会对人体产生严重杀伤达到.时会造成致死率因此会对战壕内人员造成严重损伤南京理工大学学报第 卷第 期图 战壕环境下温压炸药爆炸压力、温度及颗粒分布图 战壕环境下温压炸药在爆心截面爆炸冲击波的传播图 战壕口部温压炸药爆炸战壕壁面压力分布.城市在极端情况下城市空间也面临超大当量温压炸药或气固爆炸危险对其爆燃效应进行研究有助于提出大规模城市级防护设计方案 超大当量的温压炸药在数值模拟的过程中存在着计算发散、计算不准确等各类问题且由于城市环境的复杂性城市环境爆炸仿真大大区别于自由场等场景 为了更进一步研究在城市环境中温压炸药的爆炸情况模拟了在城市环境下的温压炸药爆炸情况及爆轰波的传播过程 温压炸药配方为:、铝粉、其他不含能物质的圆柱形裸药柱药柱的成型密度为.长径比 年 月 日黎巴嫩地中海岸中腰贝鲁特港口发生了剧烈爆炸因存放的近 硝酸铵被引燃发生大爆炸致使 人死亡、近 人死亡受损及其严重 本节选择了贝鲁特港口附近建筑进行数值模拟如图 所示选取面积 平方千米建筑总数 个以期为对应的防护方 案 提 供 设 计 信 息 计 算 域 几 何 尺 寸 为 数值模拟所用温压炸药配方如前所述药柱药量为 为更准确模拟当时爆炸对城市周围的毁伤将爆心设置为实际爆炸位置即图示中心红色目标位置爆心距地面高 总第 期吴威涛 高光发 韩志伟 王祉乔 袁心怡 何 勇 温压炸药爆炸冲击波传播规律及其后燃效应的理论与数值研究 图 贝鲁特港口附近建筑三维示意图(卫星图来自 卫星地图三维建模数据由 获得)在爆炸过程中周围氧气消耗如图()所示在图中明显可见两个氧气消耗空腔区在最外层的空腔为氧气消耗等值面此处氧气含量为.其内层等值面处氧气含量为.在这一区域由于内部温压炸药爆炸对氧气消耗外围氧气向内运动 在内层等值面内部氧气浓度由于高热值金属的燃烧而急剧消耗绝大部分区域氧气含量降至.以下图()展示了超压分布和火球温度分布此爆炸位置位于海域边缘周围建筑较少且矮小并且距离城市较远火球及冲击波以近似圆形向四周扩散在 火球增长到最大直径达到 此时冲击波波阵面最远传播至爆心距 由图中可以看出在 时 冲击波扫过的地方超压均在.之上这一范围可达到直径 并依然在向外发展超压在 之上的范围达到直径 当超压值大于 时即会造成 以上人员死亡其他人员严重受伤可知 温压炸药爆炸在所建模城市内的有效毁伤范围超过 致使这个范围内的人员丧失战斗力非防震建筑物被完全破坏对 范围内的目标人员形成致死性打击对这个范围内的几乎所有建筑形成严重破坏温压炸药爆炸后超压冲量分布如图()所示可以看出图中爆轰波扫过的位置冲量均在 以上冲量大于 的范围在 时发展到直径 在这一范围内的人员及建筑均会遭受毁灭性打击图 温压炸药()城市爆炸流场域各参数分布南京理工大学学报第 卷第 期 结束语本文通过数学模型构建和数值仿真计算分析研究了温压炸药爆炸过程中金属粉末的后燃效应以及冲击波传播规律首先根据温压炸药的高速可压气相流动以及金属粉末动力学特性建立了高速气固两相反应流理论模型模型包括气体、颗粒运动控制方程组以及相应的气固动量、能量、质量传递算法 利用所构建模型对铝粉尘密闭空间爆炸、温压炸药近地面爆炸、坑道堵口爆炸进行了数值模拟研究并通过与试验结果的比较验证了其可靠性进而开展了不同量级温压炸药在近地面和坑道堵口爆炸的数值模拟对比研究了冲击波峰值超压沿爆心距离的变化规律并对温压炸药后燃效应进行了研究总结了火球的形成和发展过程最后利用本模型进行了实际环境的数值模拟研究包括地下战壕以及进行了超大当量()温压炸药在实际城市环境下爆炸的数值模拟研究本文准确且详尽的温压炸药效应数据显示所研究构建的数学模型、数值仿真方法和爆炸冲击规律可以为论文所涉及研究场景的防护方案设计提供详细的毁伤效应信息参考文献:.():.韩勇韩敦信陈红霞等.含铝炸药爆热的实验研究.含能材料():.():.韩早.温压炸药能量参数计算与释能规律研究.南京:南京理工大学.赵新颖王伯良惠君明等.温压炸药爆炸场参数的试验研究与数值模拟.火工品():.():.李世民李晓军李洪鑫.温压炸药坑道内爆炸冲击波的数值模拟研究.应用力学学报():.():.茅靳丰陈飞侯普民.温压炸药坑道口部爆炸冲击波毁伤效应研究 .力学季刊():.():.黄菊王伯良仲倩等.温压炸药能量输出结构的初步研究.爆炸与冲击():.():.李秀地耿振刚苗朝阳等.温压炸药与 坑道内爆炸冲击波的对比研究.防护工程():.():.孔霖苏健军李芝绒等.不同装药坑道内爆炸冲击波传播规律的试验研究.火工品():.():.方丁酉.两相流动力学.长沙:国防科技大学出版社.:.:.():.毕伟程.温压炸药爆炸及后燃效应的两相流模拟.长沙:国防科技大学.刘晶波闫秋实伍俊.坑道内爆炸冲击波传播规律总第 期吴威涛 高光发 韩志伟 王祉乔 袁心怡 何 勇 温压炸药爆炸冲击波传播规律及其后燃效应的理论与数值研究 的研究 .振动与冲击 ():.():.邓烨陶西贵赵健等.复杂坑道内爆炸冲击波传播快速算法研究.地下空间与工程学报():.():.耿振刚李秀地苗朝阳等.温压炸药爆炸冲击波在坑道内的传播规律研究.振动与冲击():.():./.:.():./.:.:.():.