燃氣爆炸沖擊加載試驗研究與數值模擬

2015-12-30 03:23:34張秀華,段忠東,李玉順

振動與沖擊 2015年10期

第一作者張秀華女，博士，副教授，1970年10月生

燃氣爆炸沖擊加載試驗研究與數值模擬

張秀華1,2，段忠東2，李玉順3(1.東北林業大學土木工程學院，哈爾濱150040；2.哈爾濱工業大學土木工程學院，哈爾濱150090；3.寧波大學建筑工程與環境學院，浙江寧波315211)

摘要：利用大型核爆炸模爆器—燃氣爆炸沖擊加載試驗裝置進行乙炔-空氣可燃氣體爆炸試驗研究，探索乙炔-空氣可燃氣體作為爆炸源對結構抗爆試驗的可行性。通過分析壓力時程曲線，研究氣體爆炸對結構的沖擊荷載規律。采用有限元程序LS-DYNA模擬氣體爆炸沖擊波傳播過程。結果表明，峰值壓力數值計算與試驗結果吻合較好；乙炔濃度達9.45%時爆炸沖擊波壓力最大，在模爆器內壁產生的正反射波壓力高達0.815 MPa。研究結果可為此類試驗加載控制奠定基礎。

關鍵詞：爆炸力學；燃氣爆炸沖擊加載；傳播規律；爆炸試驗；數值模擬

基金項目：國家自然科學基金資助項目(51378265)

收稿日期：2014-01-02修改稿收到日期：2014-05-20

中圖分類號:O382+4文獻標志碼：A

Tests and numerical simulation for gas blast shock loading

ZHANGXiu-hua1,2,DUANZhong-dong2,LIYu-shun3(1. School of Civil Engineering, Northeast Forestry University, Harbin 150040, China；2. School of Civil Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150090, China；3. College of Architectural, Civil Engineering and Environment, Ningbo University, Ningbo 315211, China)

Abstract:Based on a large nuclear explosion simulator-gas blast shock (GBS) loading system, acetylene-air flammable gas explosion tests were performed .The feasibility was explored by using acetylene-air gaseous mixture as an explosive source to perform anti-explosion tests of structures. Through analyzing the blast pressure time-history curves, the blast loading laws on structures under gas explosion were studied. The propagation processes of gas explosion shock wave were simulated using the finite element program LS-DYNA. The numerical simulation results are compared with the test ones, and the simulation results of peak pressure agree well with the test ones. The results showed that the explosion shock wave pressure is the biggest when acetylene concentration reaches 9.45%; the positive reflection overpressure peak value on the inner wall of the large nuclear explosion simulator can reach 0.815 MPa. The results provided a basis for explosion shock loading controls.

Key words:mechanics of explosion; gas blast shock loading; propagation law; explosion test; numerical simulation

爆炸作為頻發災害之一，不僅對建筑物構件造成嚴重損壞，甚至導致整個建筑物倒塌、危及生命財產安全。對構件、結構受爆炸沖擊作用特性等諸多研究已取得階段性成果。如András等[1]對足尺寸鋼筋混凝土板進行爆炸試驗研究；Morrill等[2]用簡化方法分析爆炸荷載作用下鋼框架梁柱連接的動力響應；方秦等[3]分析非線性彈性大變形材料梁的抗爆特性；Shi等[4]利用數值推導的壓力-沖量圖分析爆炸荷載作用下鋼筋混凝土柱的破壞模式；張秀華等[5]用數值分析方法模擬爆炸荷載作用的鋼框架柱沖擊響應與破壞模式；丁陽等[6]對爆炸荷載作用下鋼框架結構連續倒塌進行分析。李世強等[7]用有限元分析軟件AUTODYN對爆炸沖擊波在地鐵車站內的傳播規律進行數值模擬。

由于用化學炸藥為爆炸源進行結構爆炸沖擊試驗難度大、費用高，故關于爆炸沖擊波對建筑結構動力響應特性的試驗研究較少。而歐進萍等[8-9]對哈爾濱工業大學國防抗爆與防護工程實驗室大型核爆炸模擬器(簡稱模爆器)試驗裝置進行改造，研制開發出利用可燃氣體爆炸產生沖擊波對結構/構件加載的試驗裝置及方法。該加載稱為燃氣爆炸沖擊加載系統(簡稱GBS系統)。該系統經改造，可對結構/構件施加水平、豎向爆炸沖擊荷載。

1乙炔-空氣混合氣體爆炸試驗

1.1爆炸試驗裝置及原理

GBS加載系統由多功能大型核爆炸模爆器、脈沖發生器、脈沖點火系統、輸氣管道、空氣泵、空氣儲氣缸、乙炔流量傳感器、空氣流量傳感器、乙炔儲氣瓶等組成。模爆器為鋼結構圓柱型抗爆容器，壁厚30 mm，內徑2.4 m、高3.5 m，分上中下三部分，見圖1。模爆器能為爆炸試驗提供密閉環境及試件安裝空間。脈沖發生器為爆轟管，壁厚13 mm、長1 500 mm、直徑426 mm，一端封閉，一端與水平管連接(出口)。輸氣管道與爆轟管上端相連，直徑57 mm、長16.18 m，其作用將高壓混合氣體輸送至脈沖發生器引爆后發生爆燃迅速發展成爆轟波，爆轟波在脈沖發生器中經多次反射得到加強形成瞬時高壓沖擊波。數據采集用奧地利德維創公司的Dewetron2010高速動態采集系統，采樣頻率100 Hz～1 MHz。壓力測量用西安杰誠CYG41000高頻壓力傳感器，最大量程10 MPa。

圖1　試驗裝置 Fig.1 Experimental devices

為更好研究乙炔-空氣混合氣體爆炸在模爆器中傳播規律及準確采集氣體爆炸對模爆器內壁產生的沖擊波壓力，在模爆器外壁距基礎頂面0.5 m處同一水平面布置3個測點，分別安裝指向模爆器內部的高頻動態壓力傳感器，用以測試模爆器內壁相應位置承受的沖擊波壓力。試驗時向GBS系統中充入一定濃度的乙炔-空氣混合氣體并通過混合點火器、輸氣管道進入脈沖發生器。當乙炔-空氣混合氣體由起爆端點燃時爆轟波沿管道傳至脈沖發生器水平管開口端并由管端流出，產生的空氣沖擊波作用于模爆器內壁表面。加載系統可通過調節爆炸混合氣體的沖氣時間及體積比濃度，實現對爆炸沖擊波壓力控制。試驗原理及壓力測點平面布置見圖2。

圖2　試驗原理及壓力測點平面布置 Fig.2 Sketch of experiment principle and pressure measuring points

1.2乙炔-空氣混合氣體爆炸試驗分析

據乙炔-空氣混合氣體爆炸反應特性，通過改變混合氣體中乙炔濃度、增大混合氣體充氣量等進行10次爆炸試驗。充氣時間SY-1～SY-7為20 s，SY-8～SY-10為40 s。對10次爆炸試驗數據進行分析，各測點所測爆炸場特征參數見表1。由表1知，充氣時間相同時SY-1～SY-7乙炔濃度變化不大，沖擊波壓力較接近；SY-8～SY-10乙炔用量越多混合氣體體積越大沖擊波壓力越大。由于SY-8～SY-10有部分混合氣體流入模爆器，1號測點壓力與脈沖發生器未充滿混合氣體時壓力相差不大，而2、3號測點壓力變化較大，表明進入模爆器內混合氣體在脈沖發生器水平管口呈半球形向外擴散并產生爆炸。

每次試驗3測點壓力傳感器所測爆炸沖擊波前0.03s壓力時程曲線見圖3～圖5。由三圖看出，爆炸沖擊波對模爆器內剛性壁沖擊波壓力呈典型的氣體沖擊波作用特征，表明爆炸沖擊波與剛性壁作用過程中，壁面氣體介質經歷升壓、降壓、余波震蕩三個階段。每次試驗所得沖擊波壓力時程波形大致相同，曲線包括峰值連續衰減的沖擊波荷載及氣體壓力荷載。由于爆炸沖擊試驗動態實測結果會受試驗、測試條件影響，壓力傳感器所測壓力為爆炸沖擊波反射波壓力。隨距脈沖器口徑向距離增加，爆炸沖擊波超壓峰值較小、作用時間增加。爆炸沖擊波遇障礙物后除發生正反射，還會發生斜反射等作用。1號測點正反射超壓可達0.815 MPa。

對圖3中SY-1的1號測點壓力曲線進行頻譜分析可知，曲線有兩個頻率較集中，低頻集中在260 Hz、周期3.85 ms，與沖擊波在模爆器內往返1次所測時間(4 ms)基本一致。在整個波動過程中，還伴隨小周期高頻振動，周期約為0.5～0.6 ms，此由爆炸產物與氣體高頻振蕩引起。

試驗結果表明，乙炔用量增加，作用于模爆器的反射壓力峰值呈非線性增加，但正壓作用時間增加不明顯，反射壓力第一峰值最高，后續峰值衰減較快。沖擊波在模爆器內經2、3次反射后強度變弱。脈沖發生器內混合氣體爆炸沿水平管開口軸向的正反射沖擊波壓力大于其斜反射沖擊波壓力。乙炔-空氣混合比濃度增大爆炸沖擊波壓力增大，乙炔與空氣體積比達9.45%時爆炸軸向壓力最大，且隨乙炔與空氣體積比增大爆炸沖擊波壓力減小。試驗所得結果與文獻[11]結論基本一致。

表1　各測點爆炸沖擊波壓力

圖3　1號測點實測沖擊波壓力時程曲線 Fig.3 Measured blastpressure-time history curves at the first measuring point

圖4　2號測點實測沖擊波壓力時程曲線 Fig.4 Measured blastpressure-time history curves at the second measuring point

圖5　3號測點實測沖擊波壓力時程曲線 Fig.5 Measured blastpressure-time history curves at the third measuring point

2乙炔-空氣混合氣體爆炸數值模擬

2.1有限元模型及參數選取

采用ANSYS/LS-DYNA動力有限元軟件對模爆器內GBS系統氣體爆炸沖擊波傳播規律及爆炸沖擊波壓力進行數值模擬。建模時對模爆器系統進行簡化處理：①不考慮模爆器外的輸氣管道；②忽略模爆器壁四周的傳感器、管道連接部位及固定脈沖發生器桁架；③設氣體爆炸過程絕熱，不計熱量損失。

圖6　有限元模型 Fig.6 Finite element models

數值模擬各項數據取SY-1～SY-4試驗結果平均值，乙炔用量0.026 3 m3，空氣用量0.203 m3，乙炔濃度11.6%。空氣及混合氣體材料模型用空物質材料模型及線性多項式狀態方程描述[10]，其中空氣密度ρ=1.29 kg·m-3，初始能量E=2.5×105J·m-3；混合氣體密度ρ=1.273 kg·m-3，初始能量E=3.869×106J·m-3。空氣、混合氣體用Solid164單元。模爆器及脈沖發生器材料模型用剛體材料模型，用Shell163單元。混合氣及空氣采用歐拉算法，其它均用拉格朗日算法。利用對稱性取1/2模型。據文獻[12-13]選氣體網格尺寸為50 mm，模型由空氣、混合氣體、模爆器及脈沖發生器組成，用完全封閉的模爆器包圍空氣介質，考慮空氣及模爆器的耦合作用采用流固耦合方法進行數值模擬，有限元模型見圖6。本文空氣及混合氣體材料、狀態方程及網格尺寸的有效性及合理性已獲得驗證[13]。

2.2氣體爆炸沖擊波傳播規律

乙炔-空氣混合氣體在模爆器內爆炸產生的沖擊波傳播及流場變化規律見圖7。由圖7看出，沖擊波先在脈沖發生器中傳播，隨時間推移通過水平管開口處

以球面波形式向模爆器內傳播。沖擊波遇模爆器內基礎底部發生反射(圖7(a)、(b))；隨沖擊波不斷向模爆器內傳播遇到模爆器內壁時，反射波從模爆器中部向兩邊傳播，隨入射角增大在模爆器內壁底板方向產生復雜的馬赫反射(圖7(c)、(d))；隨時間增加沖擊波逐漸向模爆器頂部傳播，在模爆器內來回傳播，并越來越復雜(圖7(e))；經多次來回反射后模爆器內沖擊波壓力大大降低，此時模爆器內只存在高頻振蕩氣體(圖7(f))。

圖7　模爆器內混合氣體爆炸傳播 Fig.7 Propagation of gas explosion in large nuclear explosion simulator

2.3數值與試驗結果比較

SY-1中1、2、3號測點試驗曲線與數值模擬曲線對比見圖8。由圖8看出，爆炸沖擊波壓力時程曲線含峰值連續衰減的沖擊波荷載及持續增強的氣體壓力荷

圖8　混合氣體爆炸試驗結果與數值模擬結果比較 Fig.8 Comparison of pressure-time histories by experiment and simulation for gas-mixture explosion

載。數值模擬與試驗波形較接近，但數值模擬所得反射波正壓持時及升壓時間均較試驗所測時間長，試驗曲線后期波動較頻繁，峰值壓力較接近。1號測點峰值壓力為0.732 MPa，數值模擬為0.776 MPa，誤差6%； 2號測點峰值壓力0.372 MPa，數值模擬為0.389 MPa，誤差4.6%。3號測點峰值壓力0.343 MPa，數值模擬為0.368 MPa，誤差7.3%。峰值壓力數值計算與試驗結果吻合較好。正壓持時二者吻合不好，此因建立數值計算模型時，忽略模爆器壁四周的傳感器、管道連接部位及固定脈沖發生器桁架，爆炸沖擊波遇模爆器壁后發生反射，數值模型中反射波運行距離較試驗長，因此數值模擬的反射沖擊波持時較試驗長。

3結論

本文通過對大型模爆內GBS系統爆炸試驗及數值模擬計算研究，結論如下：

(1)混合氣體爆炸沿脈沖發生器水平管開口正對應模爆器內壁的區域為正反射區域，在模擬器內壁正反射區產生的壓力大于斜反射區壓力。乙炔-空氣體積比達9.45%時爆炸壓力最大。體積比大于9.45%時，隨乙炔-空氣體積比增大，軸向爆炸壓力減小；乙炔用量與氣云長度增加沖擊波壓力呈非線性增加。爆沖擊波在模爆器內壁產生的正反射波壓力高達0.815 MPa，比例距離Z>1 m·kg-1/3時乙炔-空氣混合氣體爆炸加載方式可替代化學炸藥對結構/構件爆炸沖擊試驗加載。

(2)用有限元程序LS-DYNA能較好模擬模爆器內GBS系統爆炸沖擊波在爆室內的傳播過程。流場分布圖像及壓力波形與試驗結果基本一致。表明本文所用有限元模型及數值計算方法較合理，可用于模擬可燃氣體爆炸對建筑結構/構件的動力響應分析。

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