２０１１正 第２２卷 １Ｏ月 第５期 装备指挥技术学院学报 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ｔｈｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ Ｃｏｍｍａｎｄ ８Ｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｏｃｔｏｂｅｒ ２Ｏ１１ Ｖｏ１．２２ Ｎｏ．５
防护堤对爆炸空气冲击波防护效果的数值分析
董二奎
（１．装备指挥技术学院研究生管理大队，北京 杜小平 ， 宋建军
１０１４１６； ２．装备指挥技术学院装备采办系，北京１０１４１６）
摘 要 根据美国国防部相关标准设计了不同坡度的防护堤，采用任意拉 格朗日一欧拉算法（ａｒｂｉｔｒａｒｙ Ｌａｇｒａｎ ａｎ—Ｅｕｌｅｒｉａｎ，ＡＬＥ），仿真了凝聚炸药的爆炸及 其产生的空气冲击波的传播过程，重点分析了不同坡度的防护堤对空气冲击波的防
护能力。仿真结果表明：防护堤的设置在空气冲击波的防护过程中起着显著作用，其 能够有效地减弱空气冲击波峰值超压对被防护对象的危害，防护能力由防护堤正后 方向两边呈减弱趋势，同时防护堤坡度明显影响其对爆炸空气冲击波的防护能力。
关键词
中图分类号 文献标志码 炸；冲击波；防护堤；坡度 ３８ 文章编号１６７３＂０１２７（２０１１）０５－０１１４—０４
ＤＯＩ １０．３７８３／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７３—０１２７．２０１１．０５．０２６
Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ Ｗｅａｋｅｎｉｎｇ Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ
Ｂａｒｒｉｃａｄｅ ｏｎ Ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ Ｓｈｏｃｋ Ｗａｖｅ
ＤｏＮＧ Ｅｒｋｕｉ ，ＤＵ Ｘｉａｏｐｉｎｇ ， ＳＯＮＧ Ｊｉａｎｊ ｕｎ （１．Ｃｏｍｐａｎｙ ｏｆ Ｐｏｓｔｇｒａｄｕａｔｅ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ，ｔｈｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ Ｃｏｍｍａｎｄ￣Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０１４１６，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ Ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ，ｔｈｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ Ｃｏｍｍａｎｄ￣－Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０１４１６，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｇｒａｄｉｅｎｔ ｏｆ ｂａｒｒｉｃａｄｅｓ ａｒｅ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ＤｏＤ ｓｔａｎｄａｒｄｓ，ａｒｂｉｔｒａｒｙ Ｌａ— ｇｒａｎｇｉａｎ－Ｅｕｌｅｒｉａｎ（ＡＬＥ）ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｉｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｓｉｍｕｌａｔｅ ｔｈｅ ｅｘｐｌｏｄｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｃｏｈｅｓｉｏｎ ｄｅｔｏｎａｔｏｒ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｐｒｅａｄ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｈｏｃｋ Ｗａｖｅ，ａｎｄ ｔｈｅ ｗｅａｋｅｎｉｎｇ ｅｆｆｅｃｔ ｉｓ ａｎａｌｙｚｅｄ ｗｉｔｈ ｅｍｐｈａｓｉｓ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ
ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｇｒａｄｉｅｎｔ．Ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｅｔｔｉｎｇ ｏｆ ｂａｒｒｉｃａｄｅ ｈａｓ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｅｆｆｅｃｔ ｔｏ ｗｅａｋｅｎｉｎｇ ｔｈｅ ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ ｓｈｏｃｋ ｗａｖｅ，ａｎｄ ｉｔ ｃａｎ ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｐｅａｋ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｔｈａｔ ｃａｎ ｅａｓｅ ｔｈｅ ｈａｚａｒｄ，ｔｈｅ ｗｅａｋｅｎｉｎｇ ｅｆｆｅｃｔ ｂｅｃｏｍｅ ｗｅａｋｅｒ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｊ ｕｓｔ ｂａｃｋｓｉｄｅ ｔｏ ｔｈｅ ｂｒｉｎｋｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｇｒａｄｉｅｎｔ ｏｆ
ｂａｒｒｉｃａｄｅ ｃａｎ ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ｈａｚａｒｄ ｏｆ ｓｈｏｃｋ ｗａｖｅ ｍａｒｋｅｄｌｙ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ；ｓｈｏｃｋ ｗａｖｅ；ｂａｒｒｉｃａｄｅ；ｇｒａｄｉｅｎｔ
爆炸是指在较短时间和较小的空间内，能量 从一种形式向另一种或几种形式转化，并伴有强
烈机械效应的过程 ］。爆炸过程产生破坏作用的 方式包括空气爆炸冲击波、爆炸火球、爆炸飞散物 等。对于凝聚相炸药在空气中爆炸，爆炸形成的
高温火球作用距离较近，飞石、破片等固体飞散物 对建筑物只能造成局部破坏；而爆炸形成的空气 冲击波传播距离远、破坏作用大。有资料表明，炸
药在空气中爆炸时，大约有７Ｏ 的能量传给了空 气冲击波 ］，所以对空气冲击波的防护是爆炸防 护的重中之重。空气冲击波最为有效的防护方法 是在被防护对象附近设置防护堤，防护堤的设计
收稿日期 ２０１１－０４—１２ 基金项目部委级资助项目 作者简介董二奎，男，助理工程师，硕士研究生．主要研究方向：兵器发射理论与技术 杜小平，女，教授，博士生导师． 爆
Ｏ Ａ 第５期 董二奎，等：防护堤对爆炸空气冲击波防护效果的数值分析 １１５
方式决定了其防护能力的高低。 对于爆炸过程研究一般采用理论研究、试验
测试和数值模拟等３种手段，其中试验测试研究 是第一位，但由于爆炸过程持续时间短，且处于高 温、高压的极端条件，破坏性严重，所以试验测试 工作难度大，经济耗费大。采用数值模拟不仅可 大大减少试验数量，弥补试验的不足，又可提供爆
炸的精细过程，有条件地预报结果，协助理论分 析，而且经济耗费少、时间快、可重复性强，因此数 值模拟手段就显得十分重要［３］。之前国内不少学
者运用仿真方法对空气冲击波传播进行过分析与 研究＿４ ，但关于防护堤坡度对空气冲击波防护效
果影响的研究却不多见，为此本文利用ＬＳ—ＤＹ—
ＮＡ软件对其进行仿真分析，得出具有工程指导 意义的结论。
１数值模拟方法
１．１控制方程 ＪＷＬ（Ｊｏｎｅｓ—ｗｉ１ｋｉｎｓ—Ｌｅｅ）状态方程能精确描
述凝聚炸药的实验过程，且具有明确的物理意义， 所以本文对爆炸产物采用ＪｗＬ状态方程［７］，而对
空气采用理想气体状态方程进行描述。 ＪＷＬ状态方程的一般形式为： Ｐ 一Ａｅｘｐ（一Ｒ１ ）＋Ｂｅｘｐ（－－Ｒ２ ）＋Ｃ ”
（１）
Ｅ 一（Ａ／Ｒ］）ｅｘｐ（一Ｒ】 ）＋
（Ｂ／Ｒ２）ｅｘｐ（一Ｒ２ ）＋Ｃ／ｗＶ （２） 式中：Ｐ 为压力；Ｅ 为爆炸产物的内能；Ｖ为爆
炸产物的相对体积（爆炸产物体积和初始体积比 值），下标ｓ代表此过程为等熵过程；Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｒ 、
Ｒ。、Ｗ是待定系数。因本文采用的是ＴＮＴ爆炸 场Ｌ引，所以Ａ一３．７３７ ７，Ｂ一０．０３７ ４７，Ｃ—
Ｏ．００７ ３６，Ｒ】一４．１５，Ｒ２—０．９， 一０．９。 理想气体状态方程为 Ｐ一（ｙ一１） （３） 式中：密度ｐ一１．２２５ ｍｇ／ｃｍ。；绝热指数ｙ＝１．４；
空气的能量密度Ｅ为２．０６８×１０ ｍＪ／ｒａｍ。。 １．２边界条件设置 为节约资源，缩短计算时间，提高计算速度， 考虑到模型的几何对称性，且这种对称性不会因 爆炸在作用过程中发生变化，仿真过程只对１／２ 的模型进行建模，在对称面上施加对称约束；在空
气域、炸药、防护堤的底部施加全方向的位移约 束；为了模拟空气冲击波在无限域内的传播过程，
使爆炸产物及空气冲击波的反射不对仿真结果产 生干扰，对相应的炸药面、空气域边界面采用无反
射边界设置。
２爆炸过程仿真
２．１计算模型 根据美国国防部的相关标准 ］，对防护堤进
行设计，在符合标准要求条件下，分别设计了坡度
为３０。、４５。、６０。的３种不同构型的防护堤。首先 构造没有防护堤的爆炸模型，之后在此模型的基 础上分别添加３种不同坡度的防护堤，如图１所
示，通过模拟仿真，对仿真结果数据进行对比 分析。
（ａ）无防护堤
（ｂ）防护堤坡度为３０。
（ｃ）防护堤坡度为４５。
（ｄ）防护堤坡度为６Ｏ。 图１不同防护堤坡度条件下模型
２．２初始条件 为了模拟防护堤对空气冲击波的防护作用，
不失一般性地将ＴＮＴ炸药设置为立方体，位于 防护堤的正前方，体积为１．０ ｍ×１．０ ｍ×１．０ ｍ， 因ＴＮＴ炸药的密度为１．６３ ｇ／ｃｍ。，所以ＴＮＴ炸
药的质量为１．６３ ｔ。防护堤靠近炸药处的底边线 距离炸药边缘的最近距离为６ ｍ，堤高２ Ｉｎ，堤顶
长４ ＩＴＩ，堤顶宽２ ｍ，为了能够整体全面地观察空 气冲击波的传播过程，同时又不影响计算速度，缩 短仿真时间，将空气域范围设置为２０ ｍ×１６ １ＴＩ×
８ ｍ。为了定量地对比观察防护堤在不同坡度下 的防护作用，在防护堤无炸药一侧设置４个测点， 坐标分别为Ａ：（１５ ｍ，０ ｒｎ，２ ｍ），Ｂ：（１５ ｒｒｌ，２ ｒｎ，
２ ｍ），Ｃ：（１５ ｍ，４ ｍ，２ ｍ），Ｄ：（１５ ｍ，６ ｍ，２ ｍ），
１１６ 装备指挥技术学院学报
在此４个测点处测定空气冲击波的压力变化 情况。 ２．３仿真结果分析 图２给出了４种不同情况下空气冲击波的压 力云图，４种情况的爆炸方式都是在立方体炸药
的中心起爆的，为了便于观察仿真过程，对模型进
行剖分，从最易观察到冲击波的剖面对仿真过程 进行记录。
（ａ）无防护堤
（ｂ）防护堤坡度为３Ｏ。
（ｃ）防护堤坡度为４５。
（ｄ）防护堤坡度为６Ｏ。 图２不同情况下的空气冲击波压力云图
从图２中可以看出，爆炸产生的空气冲击波
都有绕过防护堤的趋势，即绕流现象，而完整的仿 真结果也证明了冲击波都绕过了防护堤继续传
播，同时可以看出空气冲击波遇到防护堤时，依照
不同防护堤外形传播形状发生了明显变化，这一 点与水遇到障碍物时的传播过程很相似。另外可
看出，防护堤将空气冲击波的能量分离开了，通过
防护堤的设置，使得空气冲击波被分为２部分：一
部分能量绕过防护堤继续传播；另一部分能量通 过反射挡在了防护堤内侧，从而减弱了空气冲击
波的危害。 图３给出了上述４种情况下Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ ４个
测点的压力变化曲线图，因为在８００ ｓ之前冲击
波还没有到达测点，测点处的压力值无变化，所以
图中只对测点处冲击波到达后的压力变化进行绘 制，横坐标以时间８００ ｋｔｓ作为起始坐标。
重 蓄 髫 是
室 Ｒ 幽 鲻 斗甘 是
窒
幽 鲻 ＋甘 是 （ａ）Ａ测点
（ｂ）Ｂ测点
重 奋 藉 是 （ｃ）Ｃ测点
（ｄ）Ｄ测点 图３不同测试点下４种模式压力变化曲线
通过图３曲线可以看出，设置防护堤时能显 著减弱空气冲击波危害，反应在图表上就是空气
冲击波峰值超压的降低，峰值超压到达时间的延 迟；
不同坡度的防护堤对空气冲击波的防护效果
