爆炸近区空气冲击波规则反射和非规则反射_周丰峻

3收稿日期:20070330作者简介:王云艳,工程师,本科,从事机械设计、安全工程研究。

文章编号:100926094(2007)0320105202爆炸空气冲击波在巷道转弯处的传播特性3王云艳,覃　彬,张　奇(北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室,北京100081)摘　要:为了探索爆炸空气冲击波在巷道内的传播规律,进行了数值计算和理论分析,讨论了爆炸冲击波通过45°弯曲巷道后的压力变化过程。

研究结果表明:爆炸空气冲击波通过45°弯曲巷道后的压力分布复杂,空气冲击波逐渐恢复为平面波需经过4倍等效巷道直径的距离传播。

在该4倍等效距离内,冲击波反射叠加,在巷道外侧壁面M ach 反射点取得超压最大值,恢复平面波以后超压随距离呈单调衰减。

关键词:安全工程;空气冲击波;爆炸;传播规律中图分类号:O35415 文献标识码:A0　引　言空气冲击波在巷道内的传播特征是研究地下爆炸灾害机理和预防地下爆炸事故的基础。

杨国刚等[1]进行了管内乙炔和空气混合气体爆炸实验,并建立了描述管内气云爆炸的理论模型,采用SI MP LE 算法进行了数值计算,计算结果与实验大致吻合。

杨科之等[2]利用三维数值模拟计算程序,对长坑道中的化爆流场进行了数值计算,归纳出空气冲击波沿坑道方向的传播规律,计算结果与试验结果符合较好,经验公式值得推广。

王来等[3]通过试验研究,得到了空气冲击波在直角拐弯通道中传播的衰减系数,同时,应用流体网格法进行了数值模拟,但结果还不够完整、全面。

庞伟宾等[4]通过实验研究建立了可以对高能炸药在坑道内爆炸的空气冲击波到时进行预计的公式。

该公式适用于爆点在固定横截面的直通道口外、口内及口部处爆炸的情况。

利用该公式可以求出空气冲击波在坑道中传播速度的变化。

本文通过数值计算,研究爆炸冲击波在45°巷道转弯处的传播过程,为井下爆炸灾害事故的预防、控制提供理论依据。

1　爆炸空气冲击波在直巷道内的传播规律111　计算模型和参数爆炸空气冲击波通过转弯处由原来的平面波经复杂的反射后压力重新分布,再经一段距离的传播逐渐恢复平面波。

dx dt u c d u 2 c 0或u 2 c I 常数 dt k 1 k 1
……(14)
36
2.2.3方程组的特征线及一般解
沿着C－特征线
dx ……(15) dt u c d u 2 c 0或u 2 c I 常数 dt k 1 k 1
0 c c u 0 d
A0为活塞的截面积。
……（2）
11
2.1 波的基本概念
动量守恒（Conservation of Momentum ）：气体受
到扰动后的动量等于作用在其上面的冲量。 x x1 A0 0 d u p0 dp p0 A0 t1
17
2.1 波的基本概念
在一个连续的，缓慢的压缩过程中，每一小步的压缩 都是一种等熵变化，但由于每经一步压缩后气体的温
度都要上升，气体的声速必将上升，这样下一步的压
缩波的波速逐渐增加，一旦集中起来，状态参数的变 化将不再连续，就会发生突跃，弱扰动变成强扰动。
18
2.1 波的基本概念
由于稀疏波的膨胀飞散是按顺序连续进行的，所以稀 疏波传播中介质的状态变化是连续的，如图2－4中的 压力变化。
3
2.1 波的基本概念
爆炸科学与技术国家重点实验室
4
2.1 波的基本概念
1、波（Wave）
波通常可以分为两大类：一类是电磁波，
另一类是机械力学波。
当介质（Medium）受到外界作用（如振 动、冲击等）时，介质的局部状态参量就会 发生变化，这就是扰动（Disturbance）。
5
2.1 波的基本概念
式中，I+,I-称为黎曼（Riemann）不变量。 它们在u ，c平面上可用两簇相互平行的直线来描 述，称为方程组（11）在速度平面上的特征线。它们 在沿着各自的特征线（C＋和C－）传播时保持不变。如 图2－5所示。

2.1一维等熵流动 2.1.1波的基本概念(复习）
*
*
⑥ 压缩波：波阵面到达之处，介质的状态（P、ρ、T）参数增加的波称压缩波，波的传播方向与介质运动方向相同。（图5.1） ⑦ 膨胀波（稀疏波）：波阵面到达之处，介质的状态（P、ρ、T）参数减小的波称膨胀波，波的传播方向与介质运动方向相反。 （下图5.2）
*
*
完全气体，量热完全气体与等熵关系 （补物理化学知识） 理想气体(完全气体perfect gas)：不考虑分子间的作用力和分子的体积情况下，一种理想化后的气体。它满足： PV=nRT， e=e(T)和Cv=Cv(T) 世上无理想气体，热完全气体是真实气体在一定温度，压力范围内的近似，即近似看成理想气体来处理。 对于热完全气体，有： de=CvdT=Cv(T)dT ，dh=CpdT=Cp(T)dT，e=e(T) ，h=h(T) 可近似认为一定温度范围内，Cv，Cp ， （ Cp- Cv =R）保持不变。 但一般说来， Cv=Cv(T) ， Cp=Cp(T)
hePV
feTS
ghTS
=+
=-
=-
*
*
将（2）的第一式、（4）、（5）、（6）与（7）的4个式子比较有： —（8） 又因为： （ ） 所以：
*
*
而 类似有： 代入（11）的第1式： （12） （10），（12）就是熵函数的一般表达式（微分形式），也可以写成积分形式： （13）
*
*
等熵关系的建立： 一般地： （1） 对可逆过程： （2） 比较（1）和（2）有： （3）
（2）
（1）
（22）
*
*
又由Maxwell关系： （23） 故有： （24） 对理想气体： 故： ， 代入（24）式： (25) 由定义（比热比）： 故:

全国特种作业人员安全技术培训考核统编教材（2003年6月气象出版社发行）第六章爆破有害效应爆破有害效应包括爆破地震波、冲击波(地面或地下；空气或水中)、个别飞石、毒气或噪音等。

这些效应都随距爆源距离的增加而有规律地减弱，但由于各种效应所占炸药爆炸能量的比重不同，能量的衰减规律也不相同，同时不同的效应对保护对象的破坏作用不同，所以在规定安全距离时，应根据各种效应分别核定最小安全距离，然后取它们的最大值作为爆破的警戒范围。

第一节爆破地震波当炸药包在岩石中爆炸时，邻近药包周围的岩石遭受到冲击波和爆炸生成的高压气体的猛烈冲击而产生压碎圈和破坏圈的非弹性变化过程。

当应力波通过破碎圈后，由于应力波的强度迅速衰减，它再也不能引起岩石破裂，而只能引起岩石质点产生扰动，这种扰动以地震波的形式往外传播，形成地动波。

引起岩石震动的部分能量，占炸药爆炸时释放总能量的小部分，在岩石中约占2％～6％，在土中约占2％～3％，湿土中约占5％～6％。

爆破产生的震动作用有可能引起土岩和建筑(构)物的破坏。

为了衡量爆破震动的强度，目前国内外用震速作为判别标准。

当被保护对象受到爆破震动作用而不产生任何破坏(抹灰掉落开裂等)的峰值震动速度称为安全震动速度。

通常安全震动速度以被保护物临界破坏速度除以一定的安全系数来求得。

爆破引起的地震波速度通常采用下述的经验公式计算：式中：Q——炸药量，kg；齐发爆破取总药量，秒差爆破取最大一段的药量；R——从爆源中心到被保护物的距离，m；K、a——系数，通过试验确定，也可以参照类似的条件下爆破的实测数据来选取或参照爆破安全规程(表6—1)选取。

目前，我国对各种建、构筑物所允许的安全震动速度规定如下：(1)土窑洞、土坯房、毛石房屋为1.0cm／s；(2)一般砖房、大型砌块及预制构件房屋为2～3cm／s；(3)钢筋混凝土框架房屋和修健良好的木房为5．0cm／s；(4)水工隧洞为10cm／s；(5)地下巷道：岩石不稳定但有良好的支护为10cm／s；岩石中等稳定有良好的支护为20cm／s；岩石坚硬稳定，无支护为30cm／s。

(1) 大规模爆破前应尽量查明爆区岩石性质和 地质条件 ,特别是岩石的波阻抗参数 ,各种地质结构 面的性质及其产状等 ,选取与之较匹配的炸药品种 : 一般炸药的波阻抗小于岩石的波阻抗 ,可以采用增 加装药密度的办法来提高炸药的波阻抗 ,达到二者 的合理匹配 。确定合适的装药量十分关键 ,但由于 岩石性质和爆破条件的多变性 ,炸药爆轰反应和岩 石破碎过程的复杂性 ,条件允许时最好以现场实验 得到炸药单耗量和总的装药量 ;按被爆区的实际资 料来确定合理的爆破参数 ,避免采用过大的最小抵 抗线 ,防止产生冲天炮 ,做好爆破设计 。
摘 要 : 爆炸能量利用率和空气冲击波在传播过程中的外界环境是影响空气冲击波超压的重要因素 ,在因 素分析的基础上 ,介绍从“减源”和“削波”两方面控制空气冲击波超压的措施 。 关键词 : 空气冲击波超压 ; 爆炸能量利用率 ; 外界环境 ; 控制措施 中图分类号 : TD23511 文献标识码 : A
药包和炮孔间留一定空气间隙 ,形成不耦合装 药结构 ,由于药包四周存在空隙 ,降低了爆炸的峰 压 ,使爆压作用时间增长 ,从而提高了爆破能量利用 率。 2. 3 爆破方法和爆破施工技术工艺 2. 3. 1 自由面
自由面的大小 、数目和位置对爆破作用有明显 影响 。实践证明 ,充分利用多临空面的地形或创造 人工自由面 ,有利于提高能量利用率 ,降低爆破的单 耗量 ,减少总装药量 。平行坡面的斜孔爆破 ,由于爆 破时沿坡面的阻抗大体相等 ,且反射拉力波的作用 范围增大 ,能量利用率通常较竖孔高 。 2. 3. 2 分段间隔装药
根据苏联资料介绍 ,海拔 3 000 m 处冲击波超 压要比海平面上的超压小 9 % 气冲击波超压的控制措施
针对以上的分析与讨论可发现 ,空气冲击波超 压的控制问题即是“减源”与“削波”。 4. 1 减源控制措施

爆炸冲击波集团文件发布号：（9816-UATWW-MWUB-WUNN-INNUL-DQQTY-19．3．3爆炸冲击波及其伤害、破坏作用压力容器爆炸时，爆破能量在向外释放时以冲击波能量、碎片能量和容器残余变形能量3种形式表现出来。

后二者所消耗的能量只占总爆破能量的3％～15％，也就是说大部分能量是产生空气冲击波。

1)爆炸冲击波冲击波是由压缩波叠加形成的，是波阵面以突进形式在介质中传播的压缩波。

容器破裂时，器内的高压气体大量冲出，使它周围的空气受到冲击波而发生扰动，使其状态(压力、密度、温度等)发生突跃变化，其传播速度大于扰动介质的声速，这种扰动在空气中的传播就成为冲击波。

在离爆破中心一定距离的地方，空气压力会随时间发生迅速而悬殊的变化。

开始时，压力突然升高，产生一个很大的正压力，接着又迅速衰减，在很短时间内正压降至负压。

如此反复循环数次，压力渐次衰减下去。

开始时产生的最大正压力即是冲击波波阵面上的超压△p。

多数情况下，冲击波的伤害、破坏作用是由超压引起的。

超压△p可以达到数个甚至数十个大气压。

冲击波伤害、破坏作用准则有：超压准则、冲量准则、超压一冲量准则等。

为了便于操作，下面仅介绍超压准则。

超压准则认为，只要冲击波超压达到一定值，便会对目标造成一定的伤害或破坏。

超压波对人体的伤害和对建筑物的破坏作用见表28—9和表28一10。

2)冲击波的超压冲击波波阵面上的超压与产生冲击波的能量有关，同时也与距离爆炸中心的远近有关。

冲击波的超压与爆炸中心距离的关系为：衰减系数在空气中随着超压的大小而变化，在爆炸中心附近为2．5～3；当超压在数个大气压以内时，n=2；小于1个大气压n=1．5。

比与q 实验数据表明，不同数量的同类炸药发生爆炸时，如果R与R与q之比的三次方根相等，则所产生的冲击波超压相同，用公式表示如下：利用式(28—52)就可以根据某些已知药量的试验所测得的超压来确定任意药量爆炸时在各种相应距离下的超压。

爆破工程期末必考题复习过程1．岩石爆破破坏原因的理论学说和破坏过程。

理论1“爆生气体膨胀作用理论：炸药爆炸引起岩石破坏，主要是高温高压气体产物对岩石膨胀做功的结果；2爆炸应力波反射拉伸作用理论：岩石的破坏主要是由于岩石中爆炸应力波在自由面反射后形成反射拉伸波的作用，岩石中的拉应力大于其抗拉强度二产生的，岩石是被拉断的；3爆生气体和应力波综合作用理论：实际爆破中，爆生气体膨胀和爆炸应力波都对岩石破坏起作用，不能绝对分开，而应该是两种作用综合的结果，因而加强了岩石破碎效果，比如冲击波对岩石的破碎，作用时间短，而爆生气体的作用时间长，爆生气体膨胀促进了裂隙的发展，同样，反射拉伸波也同样加强了径向裂隙的扩展。

过程1.炮孔周围岩石的压碎作用2.景象裂隙作用3.卸载引起的岩石内部环状裂隙作用4.反射拉伸引起的“片落”和引起径向裂隙的延伸5.爆炸气体扩展应力波所产生的裂隙.2. 巷道掘进爆破中炮眼形式：掏槽眼：用于爆出新自由面，为辅助眼/周边眼爆破创造有利条件，直接影响循环进尺，掘进效果；周边眼：控制爆破后的巷道断面形状、大小和轮廓，使之符合设计要求；（顶眼、底眼、周边眼）辅助眼：破碎岩石的主要炮眼，利用掏槽眼爆破后创造的平行于炮眼的自由面，爆破条件大大改善；3.中深孔爆破设计的基本内容：确定台阶高度,网孔参数,装药结构,装填长度,起爆方法,起爆顺序,炸药的单位消耗量4炸药爆炸与燃烧区别燃烧与爆炸传播速度截然不同，燃烧几毫米到几百米每秒，亚音速，爆炸通常几千米每秒1.从传播连续进行的机理来看，燃烧的能量通过热传导，辐射和气体产物的扩散传到下一层炸药，激起未反应炸药产生化学反应，是燃烧连续进行，爆炸，能量以压缩波的形式提供给前沿冲击波，维持前沿冲击波的强度，然后前沿冲击波冲击压缩激起下一层炸药进行化学反应，是爆轰连续进行；2从反应产物的压力来看，燃烧产物压力很低，对外界显示不出力的作用，爆炸产物有强烈的力效应3从反应产物质点运动方向，燃烧产物质点运动方向与燃烧传播的方向相反，二爆炸产物质点运动方向与爆炸传播方向相同；4从炸药本身条件，燃烧随装药密度的增加，燃烧速度下降，而爆轰速度随密度增加而增加；5从外界条件，燃烧易受外界压力和初温影响，爆炸基本不受外界条件影响；5氧平衡：指炸药中所含的氧用以完全氧化其所含的可燃元素后氧的剩余情况的衡量指标。

第二节
应力波
岩石中应力波
岩石在急剧变化的载荷作用下，既产生运动，又产生变形 。其质点便失去原 来的平衡而发生变形和位移，而形成扰动。一个质点的扰动必将引起相邻质点的 扰动。这种扰动的传播叫做波；同时，变形将引起质点之间的应力和应变，这种 应力、应变的变化的传播叫做应力波或应变波。
图中Δl为质点的 扰动的位移，c为质 点扰动的传播速度 （即波速），t为质 点扰动的传播时间， 则t时间内变形范围 为ct。
冲击波特征 （1） 冲击波的波速对未扰动介质而言是超音速的。 （2） 冲击波的波速与波的强度有关。波的强度越大 ，波速越大。 （3） 冲击波波阵面上的介质状态参数（速度、压力 、密度、温度）的变化是突跃 的，波阵面可以看做是介 质中状态参数不连续的间断面。冲击波后面通常跟有稀 疏波。
（4）冲击波通过时，静止介质将获得流速，其 方向与波传播方向相同，但流速值小于波速。 （5）冲击波对介质的压缩不同于等熵压缩。冲 击波形成时，介质的熵将增加。 （6）当很强的入射冲击波在刚性障碍物表面发 生反射时,其反射冲击波波阵面上的压力是入射冲 击波波阵面上压力的8倍,由于反射冲击波对目标 的破坏性更大，因此在进行火工品车间.仓库等有 关设计时应尽量避免可能造成的冲击波反射。 （7）冲击波以脉冲形式传播，不具有周期性。
i r t
i 1c p1vi
（4-15）
如果传播中的应力波为纵波，那么根据公式 c p v p 得
r 1c p1vr
t 2c p 2vt
i 1c p1 vr r 1c p1 t vt 2c p 2
vi
｝
（4-16）
将公式（4-16）带入（4-14）得
冲击波
C—J面

1000
2000
1 2 015献的冲击波超压峰值 —比例距离关系比较
由图可以看出 , 当比例距离 Z 大于 1m / kg1 /3 时 , 各个公 式预测的结果比较接近 ,其中 M ills和 W u C. & Hao H预测的 结果较其他四个公式稍微偏高 。 随着比例距离的减小 , 各个 公式给出的结果的偏差逐渐增大 ,M ills 公 式的值偏高 , 而
1 现有的冲击波参数的研究
高爆炸药在空气中爆炸时 ,形成了一团瞬间占据炸药原 有空间的高温高压气体 [ 1 ] 。这团气体猛烈地推动周围静止 的空气 ,同时产生一系列的压缩波向四周传播 , 各个压缩波 最终叠加成冲击波 。自由空气中的理想冲击波波形 ,即 P - t 曲线 , 见图 1 所示 。 由图可见 , 在冲击波到达之前 , 该处的 压力等于大气压力 Po , 冲击波在时间 Ta 到达该处后 , 压力经 过时间 T r 由大气压力突跃至最大值 。 压力最大值与 Po 的差 值 , 通常称为入射超压峰值 P so 。 波阵面通过后压力即迅速下 降 , 经过时间 Td 压力经指数衰减到大气压力并继续下降 , 直 至出现负超压峰值 , 在一定时间内又逐渐地回升到大气压 力 [2 ] 。
[2 ]
111 冲击波超压峰值 B rode ( 1955 年 ) 建 议 高 爆 炸 药 爆 炸 冲 击 波 峰 值 超 压
(M Pa) 的表达式为 [ 2 ], [ 3 ] :
0167
P so = Z
3
+ 011, +
P so > 1
010975
Z
011455
Z
2
+
01585
P so = Z + Z

2.2.2 水中冲击波基本关系式与水的状态方程 2.2.3 水中冲击波的初始参数 2.2.4 水中冲击波参数的工程计算 2.2.5 气泡脉动和二次压力波
2.2.6 水中爆炸的破坏作用
69
2.2.1 水中爆炸的基本现象
70
2.2.1 水中爆炸的基本现象
与空气中爆炸相似，水中爆炸有以下特点：
其它类型炸药在无限空气介质中爆炸
27
2.1.2 爆炸空气冲击波参数
TNT装药在地面上爆炸
TNT装药在管道（坑道）内爆炸
28
2.1.2 爆炸空气冲击波参数
TNT装药在高空中爆炸
长径比很大的圆柱形TNT装药的爆炸
设圆柱形装药半径和长度分别为r0和L，当冲击波传 播距离r>=L时，可近似看成球形装药的爆炸，对于r<L 时，TNT当量为
46
2.1.4 空气冲击波对目标作用
（2）斜反射
47
2.1.4 空气冲击波对目标作用
48
2.1.4 空气冲击波对目标作用
49
2.1.4 空气冲击波对目标作用
50
2.1.4 空气冲击波对目标作用
正反射、马赫反射的超压公式
Pr 2P 6P 2 7 P
PM PmG (1 cos0 )
9
2.1.1基本现象
10
2.1.1基本现象
实验表明，对爆炸破坏作用有实际意义的只是 第一次膨胀和压缩的脉动过程。 爆炸产物与空气的界面最初是分开的，以后， 由于脉动过程，特别是分界面周围产生涡流作 用，使界面愈来愈模糊，最后与介质在一起。
11
2.1.1基本现象
12
2.1.1基本现象
波阵面随距离的增加而扩大，波阵面上单位面积 能量迅速下降；正压区拉宽，受压缩空气量增加， 单位质量气体的平均能量下降；波阵面上为熵增 过程，存在空气冲击绝热压缩造成的不可逆能量 损失。

首都经济贸易大学硕士学位论文爆炸冲击波在复杂地下结构内传播规律的研究姓名：***申请学位级别：硕士专业：安全技术及工程指导教师：***20090320摘要在地下空间或井下瓦斯爆炸事故中，冲击波是主要灾害效应之一。

冲击波的传播规律是地下空间或井下系统进行抗爆性评价和矿井抗爆性设计的基础，是降低事故危害、防治事故蔓延、迅速实施救援中的关键科学问题,是事故效应的核心。

然而，对冲击波在复杂地下结构的传播规律的研究并不系统。

本文主要通过数值计算和实验手段，对冲击波在复杂地下结构传播规律进行了研究。

1.在量纲分析及对数值模拟结果拟合基础上，得到了直巷道某一点处的峰值超压值与爆源的等效TNT当量q成正比，与巷道轴向距离R成反比，与巷道的截面积S成Q参量的多项式函数。

反比，是3/RS2.为了探索爆炸空气冲击波在转弯巷道内的传播规律，研究了爆炸冲击波通过45°弯曲巷道后的压力分布特征，研究结果表明：在弯曲巷道内压力场的分布是复杂的。

经过弯曲巷道时空气冲击波变为曲面波,经过较长距离,冲击波逐渐恢复平面波。

3．从三个方面研究了巷道转角角度对爆炸冲击波传播的影响。

首先，研究了转弯前压力提高区的长度和转角角度的关系；其次，研究了转角角度对转弯后的紊流区的影响；最后，用衰减系数这一概念，研究了转角角度对冲击波衰减系数的影响程度。

4. 在数值模拟的同时，进行了分叉管道结构内冲击波测试，以此研究爆炸冲击波在分叉巷道结构内的非线性特征及传播规律。

将两方面成果对比，证明了实验和数值模拟研究的一致性。

关键词：冲击波复杂巷道超压峰值数值模拟紊流区AbstractThe shockwave is one of the main effects in gas explosion incident inside underground tunnels. The research on explosive shockwave propagating characteristic is important to antiknock evaluation，antiknock designing for mine，reducing accident hazards, preventing accident expanding, implementation of the rescue rapidly. It is the key point of the accident. However, the achievement on explosive shockwave propagating characteristic inside the complex underground tunnels is not systematic.This paper utilized numerical simulation with scaling model experiment, studied on the shockwave wave propagating rules inside the complex underground tunnels.1.The shockwave propagating characteristic inside the straight tunnel is researched∆of certain point is in through data fitting based on dimension analysis. Overpressure Pdirect proportion with equivalent TNT weight q, and in inverse proportion with propagation distance R and tunnel section area S. It is the polynomial function of Q.3/RS2.Aimed at presenting air shockwave propagation process as well as the corresponding principles in case of the explosion taking place in the complex mining tunnel, a piece of particular research into the overpressures changing process when the explosion shockwave goes through 45° turning corner. The result shows the stress field distribution in bend tunnels is complex. The air shockwave should resume to plane front after propagation continuing through a long distance.3. The rules for related factors affecting shockwave propagation were studied, which including configuration factors such as tunnel bend angle from 3 different parts. The paper studies the relationship between parameter like bend angle and the overpressure attenuation tunnel bend, which include the length of stress enhanced front, turbulence area, attenuation coefficient.4. The rules and nonlinear characteristics for shockwave propagation inside the branch tunnels structure is researched by the way of numerical simulation and experiment in pipeline structure. By comparison, the results from numerical simulation and experiment are consistent. So research findings of the numerical calculations are proved to be reliable.Keywords:Shockwave complex tunnels overpressure valuenumerical simulation turbulence area独创性声明本人郑重声明：今所呈交的《爆炸冲击波在复杂地下结构内传播规律的研究》论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的科研成果。

量 为 ｍ 的无 限平板 受到平 面冲击 波 的作用 ， 下 爆 水 炸产 生 的入射 冲击波 压力 时程 Ｐ（ ） （ ） 表示 ｉｔ用 １ 式
Ｐ（ ）＝ ｍ ， ．ｔ Ｐ ｅ （） １
Ｐ ） ．
式 Ｐ：２ ６ １” 峰 压 Ｍ ；为 中 ｍ ５ １ｆ 为 值 力（Ｐ） ． 硼 装 量 ｋ ； 距 ｍ ；：６ ｆ １ 药 （ ） 为 离（） ９ ５ｔ ｇ ． 门
（ ． ｉｎｉ ａ ｕ ，Ｎａ ａ Ｕｎｖ ｒｉ ｆ ｇｎ ｅｉｇ ｉｎｉ ０ ４ ０，Ｃｈｎ ； １ Ｔａ ｊ Ｃ ｍｐ ｓ ｎ ｖｌ ｉｅｓ ｙｏ ｉｅ ｒ ，Ｔａ ｊ ３ ０ ５ ｔ Ｅｎ ｎ ｎ ｉａ ２． ｅ ａｔ ｎ ｆ ｖ ｌＡ ｃ ｉ ｃｕ ｅａ ｄ Ｏｃａ ｎ ｉｅ ｒ ｇ Ｄ ｐ ｒｍｅ ｔｏ ａ ｒｈｔ ｔｒ ｎ ｅｎ Ｅ ｇｎ ｅｉ ，Ｎａ ａ ｎｖ ｒｉ ｆＥ ｇｎ ｅｉｇ，Ｗｕ ａ ３ ０ ３，Ｈｕ ｅ ，Ｃ ｉａ Ｎａ ｅ ｎ ｖ ｌＵ ｉｅｓ ｙｏ ｎ ｉｅ ｒ ｔ ｎ ｈ ｎ４ ０ ３ ｂ ｉ ｈｎ ） Ａｂ ｔａ ｔ ｓ ｒ ｃ ：Ｔｈ ｖ ｈ ｏ ｅｉａ ｏ ｍｕ ａ ｂ ｕ ｈ ｅ ｐ ｎｓ ｆａｒｂａ ｋ ｄ ｐａ ｅ ｐ ａｅ ｔ ｈ ｈ ｃ ｖ ｅ ｗａ ｅ ｔ ｅ ｒ ｔｃ ｌｆ ｒ ｌｅ ａ ｏ ｔｔｅ ｒ ｓ ｏ ｅ ｏ ｉ ｃ ｅ ｌｎ ｌｔ ｏ ｔ ｅ ｓ ｏ ｋ ｗａ ｅ
关键 词 ： 炸力 学 ；水 下爆 炸 ；冲 击波 ；空气背衬 平板 ；一维 平面 波 爆
中 图 分 类 号 ： ６ １６ ３ ２ １ Ｕ ６ ． ；０ ８ ． 文 献 标 志 码 ： 文 章 编 号 ：１０ － ９ （ ０ ２ ０ －８ １ ５ Ａ ０ ０１ ３ ２ １ ） ７０ ３ － ０ ０

圆柱形弹药空气中爆炸相似性规律陈材; 石全; 尤志锋; 郭驰名; 戈洪宇【期刊名称】《《爆炸与冲击》》【年(卷),期】2019(039)009【总页数】7页(P34-40)【关键词】战场损伤试验; 相似理论; 量纲分析; 冲击波【作者】陈材; 石全; 尤志锋; 郭驰名; 戈洪宇【作者单位】陆军工程大学河北石家庄050003; 中国白城兵器试验中心吉林白城137001【正文语种】中文【中图分类】O381; TP391.9为打赢高新技术条件下的现代战争，提升部队实战化水平，要求部队的作战训练更贴近实战[1]。

因此在战场损伤试验中，使用制式弹药对实际装备进行打击毁伤试验，成为了研究装备损伤规律、提高装备战场环境下生存力的重要途径[2]。

然而对于制式弹药而言：一方面其造价高昂，造成试验成本过高；另一方面其毁伤威力大，造成试验风险系数过高，同时对装备的损伤程度不易把控，无法高效获取损伤数据。

这两方面因素共同造成了目前装备战场损伤试验费效比过高、无法广泛开展的问题。

因此，研究弹药空气中爆炸相似性问题，探寻制式弹药替代物的选择与建立方法，具有十分重要的现实意义。

目前，采用相似理论对炸药空气中爆炸进行研究，目的多为研究冲击波的毁伤机理及优化其理论公式。

杨亚东等[3-4]以相似理论为基础，针对毁伤对象研究了利用相似模型对原模型毁伤规律进行分析的方法，吕祥锋等[5]通过建立相似模拟试验模型，研究了在不同装药量下巷道破坏规律，张玉磊等[6]研究了不同量级TNT 裸装药在空气中爆炸的冲击波参数相似规律。

也有学者对炸药在水下爆炸的相似性规律进行了研究：荣吉利等[7]和刘文韬等[8]利用数值仿真方法，研究了水下爆炸试验中缩比模型的建立方法及冲击波的毁伤规律。

本文以相似理论为理论基础，采用量纲分析的方法，研究圆柱形弹药战斗部的相似性规律，分析不同缩比模型同原型之间冲击波峰值压力的关系，并利用有限元仿真软件AUTODYN 进行仿真计算，在此基础上，使用实弹试验所采集数据同缩比模型仿真数据进行对比分析，以此验证相似性模型的正确性。

……(6)
由于声波为弱扰动波，波阵面过后介质状态变化为一 微小量，故有 0 d
0
c dp d
dp c d s
1
，因此，（6）式变为：
……(7)
……(8)
31
看作等熵过程：
2.3 波的基本概念
对于理想（多方）气体，其等熵方程为： ……(9) p A k 则
燃烧与爆轰
第2章 冲击波导论
1
第2章 冲击波导论
炸药爆炸会形成高温、高压的气体。 气体的膨胀过程是对外作功的过程。 需要首先了解气体的流动及有关波的知识。
2
第2章 冲击波导论
概念回顾:
燃 烧: 物质间发生剧烈氧化还原的化学反应， 并伴随放热和发光，产生大量高温气体的过程， 称为燃烧。
燃烧是一个包括热量传递、动量传递、质量传递和 高速化学反应的综合物理化学过程。
25
2.3 波的基本概念
图2－3 弱扰动和强扰动波形
26
2.3 波的基本概念
2、声波（sound wave） 声波是一种弱扰动波。弱扰动在介质中的传播速度就 叫声速。它是气体动力学中一个非常重要的参数。 下面以活塞在直管中移动 所引起的气体扰动的传播 来建立声速c与其它参数 的关系式。如图所示。
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第2章 冲击波导论
概念回顾:
燃烧和爆轰
传播机理不同 热传导、热辐射 冲击波对炸药的强烈冲击压缩 波的速度不同 受外界的影响不同 产物质点运动方向不同
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第2章 冲击波导论
本章内容： 2.1 气体的物理性质 2.2 气体的状态参量与状态方程 2.3 波的基本概念 2.4 气体的平面一维流动 2.5 平面正冲击波 2.6 冲击波的波速线、Hugoniot曲线和等熵线 2.7 冲击波的基本性质 2.8 冲击波的正反射 2.9 弱冲击波的声学近似理论

收稿日期:2008212206;修改稿收到日期:20092012151作者简介:胡八一3(19652),男,研究员(E2mail:HB Y5170@)1文章编号:100724708(2009)0420573206爆炸塔内壁特征点的反射压力数值模拟胡八一31,　李　平1,　张振宇2,　谷　岩1,　张展翼1(1.中国工程物理研究院流体物理研究所,绵阳621900;2.国防科技大学理学院技术物理研究所,长沙410073)摘　要:采用L S2D YNA编码,对直径2m的爆炸塔及其缩比模型的爆炸流场进行了数值模拟,给出了塔体内壁几个特征点的反射压力曲线,并与其中两个特征点的实测压力曲线进行了对比.研究结果表明:爆炸塔宜选择椭球封头,而非传统设计通常采用的球形封头,因为球形封头击波的会聚效应更强;用L S2D YNA这类商业软件来模拟爆炸流场,网格划分需尽可能细,不然模拟结果仅具有定性参考价值。

关键词:爆炸塔;特征点;反射压力;数值模拟中图分类号:O381 文献标识码:A1　引言爆炸塔强度设计的前提是能事先对作用于塔体内表面的冲击载荷进行初步的模拟计算,以此为基础,完成结构的动力学响应分析;通过动力系数法,给出爆炸塔的等效静载荷,最后依据等效静载荷进行塔体的强度设计[1]。

国外对爆炸塔或爆炸容器这类抗爆结构内部载荷的数值模拟研究始于20世纪70年代末[2]。

国内段卓平[3]和朱文辉[4]等在上个世纪90年代率先对这类问题进行了数值分析,随后钟方平[5]、曹玉忠[6]、张亚军[7]和管怀安[8]等对各种结构形式的抗爆结构内的爆炸流场进行了不同方法的模拟研究,取得了较好的结果。

随着计算机及数值模拟技术的不断发展,一些大型的二维和三维计算编码(如L S2D YNA,D YTRAN,CT H等)逐渐进入工程设计领域,在抗爆结构的强度评估和工艺设计中发挥出独到的作用,如核电站安全壳和爆炸塔的载荷分析及安全评估等方面[9211]。

爆炸第四章在介质中的爆炸理论及其应⽤炸药爆炸时，爆炸物质⼏乎是瞬时转变为⾼温(333.510~410??)、⾼压(55310~310/kg cm ?)的爆炸⽓体。

爆炸⽓体膨胀很快，并排挤周围空⽓，且占其容积。

这样⼀层压缩空⽓在爆炸⽓体前沿形成和发展，这就是爆炸波。

特别是所有化学爆炸反应的能量转变为爆炸能量。

爆炸⽓体中的压⼒逐步减⼩到等于⼤⽓压，然后爆炸波不在由爆炸⽓体⽀持⽽继续独⽴传播。

由于惯性，爆炸⽓体质点继续运动，它的压⼒下降到低于⼤⽓压⼒时，⼜由于周围⽓体的压⼒⾼，爆炸⽓体逐步停⽌并往回运动。

直到它的压⼒⼜逐渐增加到稍⼤于⼤⽓压⼒，以后⼜膨胀。

如此往返重复。

这样可以看成是“爆炸⽓体—空⽓”系统的⾃由振动。

4.1 在⽆限空⽓介质中爆炸冲击波参数4.1.1空中冲击波参数的计算（⼀）H.L.Brode 数值解把空⽓作为地想⽓体，当在⽆限空⽓介质中爆炸时，爆炸冲击波参数是H.L.Brode ⽤数值计算⽅法求得的。

采⽤拉格朗⽇坐标形式表达时，⽓体⼀维球对称并加⼊⼈⼯粘性的基本⽅程组为2()u u t R R ρξρξ=-+ （质量⽅程） 220()u R p q t ρξξ=-+?? （动量⽅程） 21()E pp q t tρ??=-+?? （能量⽅程）Ru t=（速度定义）（4.1）式中，R 为欧拉坐标。

ξ为拉格朗⽇坐标，q 为⼈⼯粘性。

如果速度、密度、压⼒和⼈⼯粘性分别⽤声速0c 、初密度0ρ和初压⼒0p 为基本单位，可得元量纲变量。

0uu = 、0ρρρ= 、0p p p = 、0q q p = 、R Q λ= 、0λξ= 。

其中，Q 为动⼒学长度： 132*2120044()()23(1)R wR Q u Q E R dR p p k φφππρ??==+-?-（4.2）其中*w Q 是爆炸能量，R φ是冲击波阵⾯半径，k 是绝热指数，E 是⽐内能。

若取⾃变量⽆量纲时间t 和⽆量纲坐标ξ：301,(/)3tc t Q ξξ== 代⼊到(4.1)式，并考虑到理想⽓体的⽐内能为(1)E p k ρ=-则可得拉格朗⽇坐标形式下的⽆量纲的基本⽅程组：12()u u t ρλρλξξ-=-+?? （质量） 2()u p q t k λξ+=-（动量） []1(1)kp k q t p ρρρ??=+-?? （能量） ut λ=（速度定义）（4.3）对于球⾯冲击波，⼈⼯粘性取如下形式：229(1)()()()43k k M u u q ρξπξξ+??=?-?? （4.4）式中，ξ? 是⽹格⼤⼩，M是冲击波厚度所占的空间结点数。

冲击波的特性
冲击波具有高压、高速、高能量的 特点，能够在介质中迅速传播，并 产生强大的压力和冲力。
冲击波的形成机制
爆炸产生冲击波
其他能量释放产生冲击波
当爆炸发生时，爆炸物周围的介质被 迅速压缩，形成高压区域，同时产生 向四周传播的冲击波。
除了爆炸和高速碰撞外，其他形式的 能量释放，如核反应、激光照射等， 也可能产生冲击波。
CHAPTER
05
冲击波的危害与防护
冲击波对人体的危害
01
02
03
04
听力损失
冲击波的高压和振动可以引起 暂时性的听力丧失或耳聋。
内脏损伤
冲击波可以引起内脏器官的位 移和损伤，尤其是肺和胃。
骨折和软组织损伤
冲击波的强大压力可以导致骨 折和软组织撕裂伤。
心理影响
冲击波事件可能导致心理创伤 ，如恐慌、焦虑和抑郁。
相关方程，可以得到冲击波传播的详细信息。
02
常用的数值模拟方法
常用的数值模拟方法包括有限差分法、有限元法、谱方法等。这些方法
可以根据具体问题选择合适的数值格式和算法。
03
数值模拟方法的优缺点
数值模拟方法具有灵活性高、可重复性好等优点，但也存在计算量大、
精度不易保证等缺点。因此，需要根据具体问题选择合适的数值模拟方
冲击波基本理论课件
CONTENTS
目录
• 冲击波概述 • 冲击波的数学模型 • 冲击波的实验研究 • 冲击波的应用 • 冲击波的危害与防护
CHAPTER
01
冲击波概述
冲击波的定义
冲击波
冲击波是一种物理现象，指在介 质中传播的瞬间高压波，通常由 爆炸、高速碰撞等强烈能量释放
引起。