建筑物外部爆炸超压荷载的数值模拟

在对易于遭受爆炸危害的建筑物进行抗爆设计与加固时,首先需要确定作用在建筑物上的爆炸超压荷载模型.但是由于受到建筑物自身特征及周围环境等多种因素的影响,作用在建筑物上的爆炸超压荷载十分复杂.为了掌握作用在建筑物上的爆炸超压荷载的特性,应用非线性显式动力分析软件建立了建筑物外部爆炸超压荷载的数值分析模型,分析了网格划分尺寸的大小对爆炸超压荷载计算结果的影响,模拟了建筑物外部的刚性地面上发生爆炸的过程,研究了爆炸冲击波在建筑外部空间中的传播与衰减规律,以及作用在建筑物外表面的爆炸超压荷载的特性.模拟了邻近建筑物对爆炸冲击波的反射和阻挡作用,同时研究了邻近建筑物的几何尺寸和位置等因素对作用在目标建筑物上的爆炸超压荷载的影响,从而为在建筑物的抗爆设计与加固中确定合理的爆炸超压荷载模型提供了理论依据.     

爆炸冲击波数值模拟及超压计算公式的修正

应用LS-DYNA有限元程序建立2,4,6-三硝基甲苯(TNT)炸药爆炸的数值模型并进行空爆数值计算,结合常用的经验公式,验证计算模型及参数取值的可信性.基于以上研究,提出冲击波超压修正计算方法,以各经验公式加权平均值作为参考,对数值模拟结果进行修正.结果表明:早期常用的经验公式与数值模拟计算结果分别处于爆炸冲击波超压的中下位值及下限值,均存在低估爆炸冲击波的危险.通过修正计算方法修正后的冲击波超压,可以作为爆炸冲击波超压的中位值.     

大空间钢网壳穹顶的内爆炸冲击波超压计算

为研究内爆炸作用下冲击波在大空间穹顶结构内的传播规律、超压峰值及其对结构的作用,采用通用有限元LS-DYNA程序,考虑炸药空中爆炸和大空间结构特性,建立炸药在大空间钢网壳穹顶内爆炸作用下的数值计算模型,并通过已知超压计算公式验证数值结果.应用所建模型,对炸药在大空间钢网壳穹顶内爆炸的全过程演变和5种矢跨比穹顶的内爆炸冲击波压力进行了数值模拟计算与分析.结果表明:内爆炸下大空间穹顶除受到入射冲击波的冲击作用外,还可能受到反射波或复合波的多次冲击,冲击的强弱取决于反射体刚度和穹顶几何尺寸等多种因素;穹顶跨度和矢跨比对主峰值压力的大小和出现的次数有较大影响,但没有呈现出明显的规律性.最后,给出了内爆炸下不同跨度和矢跨比穹顶结构的冲击波超压计算公式,可供工程结构防爆抗爆参考.     

基于能量密度因子法的复杂环境下爆炸冲击波超压峰值解析计算

为了快速计算复杂环境条件下的爆炸冲击波超压峰值,利用量纲分析(dimensional analysis, DA)方法推导得到了空中爆炸自由场冲击波超压峰值定性关系式,借助Taylor展开得到了多项式形式的函数表达式。对上述函数关系式的物理意义进行分析,通过能量密度因子(energy concentration factor, ECF)的概念,将空中爆炸自由场冲击波超压峰值计算公式推广到工程上常见的复杂几何环境。利用函数关系式证明了工程中广泛使用的多种估算自由场冲击波超压峰值的经验公式在物理和数学上的合理性,由能量密度因子法得到了包括地面爆炸、两端无限长坑道内爆炸、一端封闭一端开放长坑道内爆炸、十字坑道内爆炸、四周开放的双层建筑间爆炸和长直街道中爆炸等的超压计算解析公式。最后,将解析公式计算结果与实验和数值模拟结果进行了比较分析。结果表明:解析公式与实验和数值结果符合得非常好。     

不同管道开口率下丙烷-空气预混火焰传播规律的研究

对不同开口率的管道内丙烷-空气预混火焰传播规律进行了数值模拟.结果表明:随着管道开口率的增加,管道内最大爆炸超压值迅速降低,当开口率大于30%时,爆炸超压值下降速率减小,即开口率大于30%时泄爆效果区别不明显;开口情况下,最大爆炸超压值出现在点火端附近,靠近开口处时爆炸超压逐渐下降,而闭口情况下最大爆炸超压出现在管道两端.     

炸药在密闭空间中爆炸超压测试与分析

摘 要：为了研究炸药在密闭空间中爆炸超压特性,将TNT作为典型炸药,在容积为500L的密闭爆炸罐中进行空中爆炸试验,测量了爆炸罐内超压随时间的变化曲线,提出了准静压形成时间的概念。结果表明,密闭空间中的超压是由冲击波超压和准静压组成,试验药量增大,冲击波峰值超压和准静压增大,准静压形成时间减小;传感器位于管道中将无法测量冲击波峰值超压,但是能够准确地测量准静压;环境中的氧气量增大,准静压增大,说明爆轰产物发生了后燃烧,提高环境中的氧气含量能够提高爆轰产物反应率。     

冲击波超压峰值的数值计算

为提高冲击波超压峰值的数值计算精度,该文根据二阶Roe格式,模拟了3种不同粗细网格条件下的点爆炸流场.基于高精度的数值计算格式,利用冲击波的发展规律求得波阵面速度,再由兰金雨贡纽方程计算得到超压峰值.并与数值模拟的直接超压峰值进行了对照讨论.结果表明随着网格加密,数值直接超压峰值不断逼近采用冲击波传播速度获得的超压峰值,而后者几乎不变.     

内爆炸下球面钢网壳结构的冲击波超压计算分析

采用通用有限元LS-DYNA程序,建立内爆炸下大跨球面钢网壳结构数值模拟计算模型,用于大跨空间结构的内爆炸数值模拟计算和分析.通过研究大跨球面钢网壳结构在内爆炸下的冲击波传播、反射和峰值出现规律,发现炸药在结构内爆炸下,球面钢网壳结构受到的爆炸冲击效应更为复杂,可能需要同时承受入射冲击波和反射波或复合波的冲击作用.最后,应用所建模型对爆炸冲击波超压的数值进行计算分析,得出内爆炸下不同跨度和矢跨比大跨球面网壳结构的冲击波超压计算公式.     

烟火药爆炸性能的数值模拟

目的　研究烟火药爆炸性能的数值模拟方法,并将计算结果与有关的实验结果进行对比说明其可行性;方法　采用Ｒｅａｌ软件模拟烟火药在密闭定容条件下的反应情况,得到反映烟火药爆炸性能的冲击波初始参数,而后用ＡｕｔｏＲｅａＧａｓ软件模拟烟火药的冲击波在自由场中传播过程,并根据模拟的冲击波超压曲线,获得了烟火药峰值压力处的ＴＮＴ当量; 结果与结论　模拟规律与实测结果有一定可比性,并总结了计算结果误差存在的原因;     

爆炸冲击波对大型复杂舰船结构毁伤效应数值模拟研究

采用有限元软件针对大型复杂舰船在战略武器大当量爆炸冲击波作用下的毁伤效应进行数值模拟研究.建立某航母结构1∶1有限元模型,采用CONWEP方法施加爆炸载荷,研究舰船的动态响应特征,主要分析爆炸当量、冲击波强度等因素对舰船毁伤模式和甲板变形破坏等级的影响.研究结果表明,随着爆炸冲击波传播距离增加,其强度沿飞行甲板表面以指数形式衰减,沿不同层甲板则呈现近似线性衰减特征.随着爆炸当量和冲击波强度的增加,舰船甲板变形破坏等级逐渐增加,舰船毁伤模式由局部塑性变形毁伤逐渐转变为总纵强度毁伤模式,接触爆炸时还会发生结构破损总纵剩余强度毁伤.在小当量爆炸且冲击波强度超过1.0 MPa时,飞行甲板、吊舱甲板和机库甲板会随着冲击波超压强度的增加而逐渐失效;在中等当量且冲击波超压强度超过0.2 MPa时,飞行甲板、吊舱甲板在爆炸后基本失效,机库甲板的功能将受到严重影响;在大当量爆炸且冲击波超压强度达到0.2 MPa时,三层甲板均发生局部区域完全失效.相关研究方法有助于大型复杂舰船结构在大当量爆炸冲击波作用下的毁伤效应评估.     

变径管道中粉尘爆炸传播实验与模拟

为探究粉尘爆炸在变径管道中的传播规律,基于1m³粉尘爆炸测试系统,搭建了DN200长直管道和DN200~DN100的变径管道,以玉米淀粉为实验介质,通过实验和FLACS数值模拟相结合的方法,研究了粉尘爆炸在管道中火焰传播速度、超压峰值、火焰传播距离的变化规律.结果表明:火焰传播速度在管道内呈上升趋势,在变径点之后增幅明显变大,缩小管径对火焰传播起加速作用;但超压峰值在管道内呈下降趋势,其在变径后衰减幅度显著升高,缩小管径使超压衰减速率增加;通过数据拟合建立了变径管道引起爆炸腔内超压变化的数学模型;火焰传播距离随浓度增加而变长,相同浓度下渐缩变径管导致火焰传播距离变长.研究结果为除尘系统安全距离确定及阻火隔爆措施的设计提供了参考依据.     

均匀自由场中球形TNT装药爆炸数值计算分析

为更加精确地描述宽范围内均匀自由场中球形装药爆炸过程的特性,采用球形非等温爆炸模型,考虑装药爆炸近区高温高压条件下真实空气的特殊性质,引入真实空气量纲一拟合状态方程和JWL爆轰产物状态方程,建立拉格朗日球形坐标系下完备的量纲一流体动力学方程组;采用对点源强爆炸自模拟数值解的结果进行样条插值作为初始条件,将人工黏性法与激波装配法相结合,采用显式中心差分格式进行数值求解。通过算例计算,得到冲击波不同时刻的波形曲线和主激波峰值超压衰减曲线,通过拟合得到宽范围内的主激波峰值超压计算公式,计算值与有关文献以及实验较为吻合,验证了公式的准确性。结果表明,采用真实空气状态方程得到的结果适用于描述装药空中爆炸近区和远区流场特性。     

隧道内液化天然气管道泄漏爆炸过程的数值模拟

 为了解隧道内液化天然气(LNG)管道泄漏爆炸事故的发展规律,以某实际工程为例,运用计算流体动力学方法建立隧道内LNG管道泄漏爆炸模型,分别以3种不同的边界条件对LNG泄漏爆炸过程进行了数值模拟计算。针对隧道两端为固壁和设泄压结构2种情况下的爆炸过程,通过数值模拟得到了3种不同泄漏强度条件下隧道内LNG泄漏爆炸峰值超压情况,并以此为依据判定其破坏性。结果表明,隧道两端为固壁或设泄压结构时,在泄漏强度最小及最大2种情况下爆炸形式均为爆燃,会对隧道内设施产生较严重破坏;泄漏强度居中的情况下,则会发生爆燃转爆轰过程,破坏力极强,应避免此种情况的发生。     

预混气体爆炸超压实验研究

对预混气体在圆形管道内的爆炸过程进行了实验研究,根据实验结果将超压的变化过程分为4个阶段.前驱冲击波阶段超压上升曲线比较规则,且压力上升速率逐渐增加,离点火处越远压力上升速率增加得越快.介绍了最大超压在时间和空间上的变化规律.尽管二次超压的峰值相对较小,但作用时间长,且有些二次超压过程中的超压上升幅度甚至超过了某些爆炸环境下的最大超压值.对爆燃转爆轰过程(DDT)进行了初步研究,实验能够记录爆燃转爆轰这种快速转变的过程.建议在设计非密闭的管道或矿道时要充分考虑二次超压的破坏作用和高活性可燃气体的影响.     

双层泡沫陶瓷抑制瓦斯爆炸研究

为有效抑制煤矿瓦斯爆炸产生的冲击波,自行设计、搭建了瓦斯爆炸圆形大尺度管道实验系统,对8%浓度的瓦斯预混爆炸过程中多孔泡沫陶瓷对冲击波的抑制特性进行了研究.研究结果表明：泡沫陶瓷的多孔结构通过弹性形变和塑性形变吸收瓦斯预混爆燃的冲击波能量,实现抑制、衰减冲击波的效果.泡沫陶瓷层数、厚度和位置对抑制瓦斯爆炸传播均有一定的影响,其中层数影响尤为显著,双层布置时爆炸冲击最大超压下降速度更快、梯度更大;设置位置距点火端的距离3 m至4 m的范围内可以成功抑制爆炸的发展和演化;泡沫陶瓷厚度对爆炸冲击波趋势影响并不明显,而对最大超压数值有影响,相比50 mm厚,30 mm厚的泡沫陶瓷最大超压衰减率更大,抑爆效果更好.     

管道中瓦斯爆炸过程的数值模拟

利用AutoReaGas软件对封闭的长直管道内瓦斯爆炸进行了数值模拟,研究了瓦斯的浓度对爆炸超压影响的规律. 在此基础上,进一步研究了障碍物个数和阻塞比对瓦斯爆炸超压和火焰传播速度的影响. 数值结果表明,在无障碍物的管道中,当瓦斯浓度为化学当量浓度时,爆炸超压值最大;在带有障碍物的管道中,火焰速度值随着障碍物数量的增加先增大后减小;当障碍物个数一定时,最大爆炸超压和火焰速度随阻塞比增大而增加.     

隔爆墙后爆炸冲击波绕射与超压分布规律

基于爆炸实验与数值模拟,对爆炸载荷作用下隔爆墙后的冲击波绕射和超压分布规律进行了研究.首先,开展了隔爆墙对爆炸冲击波隔离效应的实验,得到了有/无隔爆墙条件下相同爆距处的冲击波超压时程曲线.在此基础上,采用流体动力学软件AUTODYN对爆炸冲击波的绕射过程进行了数值仿真,通过与实验结果的对比验证了模型的有效性.结合数值模拟和量纲分析,得到了不同爆炸当量、爆距、墙高等参数下隔爆墙后不同区域的冲击波超压分布规律,并给出了隔爆墙后近地面超压峰值的工程计算公式,为隔爆墙的设计和安全评估提供了依据.      

密闭巷道内瓦斯爆炸超压场的数值模拟研究

应用计算流体动力学软件AutoreaGas定量研究了截面为3 m×3 m、长25 m的一段密闭巷道中瓦斯爆炸超压场. 通过数值模拟手段分析了障碍物的形状和大小对密闭巷道中瓦斯爆炸超压的影响,确定了形成最大爆炸超压时巷道内的最佳阻塞比,并在最佳阻塞比的障碍物填装条件下,研究了不同瓦斯浓度对爆炸超压的影响. 结果表明,瓦斯空气混合物爆炸超压随着阻塞比的增大呈现先增大后减小的趋势,在7.5%、8.5%、9.5%、10.5%、11.5% 5种瓦斯浓度下,爆炸超压随着浓度的增大呈现先增大后减小的趋势,当阻塞比为26.6%时,爆炸超压在9.5%时达到峰值.     

反恐破门弹爆炸冲击波超压试验研究

为对非接触爆炸反恐破门弹冲击波伤害进行评估,完成了反恐破门弹爆炸冲击波在典型环境下的超压测试试验.模拟应用场景分别进行了3组测试,重点研究爆炸产生的空气冲击波对房间内外人员造成的影响及外部空间密闭性对冲击波超压的影响,并对超压分布和防盗门及外部空间环境等影响条件进行了分析.结果表明,空气冲击波传播受外部空间环境影响显著;冲击波能量大部分消耗于钢质门板变形,门后房间超压峰值降为门前的10%～20%.     

瓦斯爆炸对地下巷道破坏效应的 数值模拟分析

为了研究瓦斯爆炸对地下巷道壁面结构的冲击作用规律以及瓦斯爆炸与巷道壁面耦合效应,利用有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA建立管道物理模型,数值模拟了耦合和解耦合条件下管道内瓦斯爆炸压力变化、压力等值线分布、能量变化及管道等效应力的变化情况.模拟结果表明:(1)耦合效应下对爆炸流场内部的冲击超压大小的影响基本上可以忽略;(2)解耦合条件下,管道的应力等压线分布呈现较规则同心环,而耦合条件下,在整个传播过程管道内等压线分布处于紊乱状态,可知在耦合效应下瓦斯爆炸流场在巷道中会变得更加复杂;(3)等效应力分布导致管道多次轻微变形,但第1次变形破坏最为有效,可知瓦斯爆炸时应力波是随着时间的推移逐渐减少.研究结果能够对地下巷道的设计提供一定的理论指导,对减小瓦斯爆炸的损失也具有重要的现实意义.