温压爆炸中铝粉—空气混合物反应的数值分析

论文摘要

本文从理论出发初步探讨了温压炸药爆炸作用场的四大杀伤元特性,简单分析了破片及超压杀伤的破坏形式,同时针对试验中难以解决的高温火球热辐射及给有生目标造成缺氧窒息的问题,概述了这两类杀伤元对研究温压爆炸毁伤效能的重要意义,为解决流场内温度及组分浓度在试验中不易测得的问题,以此进一步获悉高温火球的热辐射功率和缺氧区域作用范围等,本文通过分析含铝炸药的爆炸作用特性,提出了适合温压药剂爆炸的铝粉后燃效应模型,即基于半开阔空间固定装药量TNT炸药的点源爆炸模型,使用LS-DYNA动力分析软件进行数值仿真,再现了引爆TNT药剂、爆炸冲击波的产生、传播、波间干扰影响和波经由地面的反射叠加等多种物理现象,获得了首次爆炸冲击波作用后流场内的压力分布规律,并将得到的距炸点0.5m监测单元的压力时程变化曲线,应用MATLAB依据最小二乘法原理拟合成随时间变化的分段函数形式,输入到FLUENT压力进口边界条件的UDF中,同时基于铝粉的后燃效应理论结合FLUENT中湍流标准k-ε模型、离散相颗粒表面燃烧模型、EBU模型以及热辐射P-1模型等数值模拟了2dg铝粉的抛撒和快速燃烧反应过程。计算数据表明,铝粉后燃效应产生的压力峰值不低于前导冲击波压力的40%,且压力时程曲线变化较为平缓,正相压力作用时间也较之延长了8ms～25ms,充分说明温压药剂在破坏威力方面有着强烈的优势。通过综合分析计算结果,研究了铝粉的快速燃烧作用给爆炸场带来的后燃效应影响,分析了超压作用场、速度场、温度场的分布形态,热辐射毁伤效应以及粒子浓度和反应中各组分的变化等。本文综合利用LS-DYNA及FLUENT软件的优势,有效模拟了温压爆炸中铝粉的抛撒和后燃反应对流场的影响,解决了LS-DYNA有限元程序在模拟温度场及组分运输和化学反应等方面上存在的不足以及FLUENT软件在炸药起爆上的困难,获得了试验中难以测得的温度场和组分浓度分布形态,进一步获悉了流场内高温火球的热辐射功率和缺氧区域作用范围,为研究温压药剂的不同毁伤效能提供了参考依据,具有重要意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 温压弹概述
• 1.1.1 温压药剂爆炸特性
• 1.1.2 温压炸药毁伤效能
• 1.2 课题研究背景
• 1.2.1 国外研究实例
• 1.2.2 国内研究进展
• 1.2.3 数值模拟软件的可行性
• 1.3 本文主要工作
• 2 理论基础及模型的提出
• 2.1 爆炸空气冲击波传播特性
• 2.1.1 冲击波基本传播形式
• 2.1.2 冲击波作用场相关参数
• 2.1.3 冲击波反射机理
• 2.2 热辐射破坏准则
• 2.2.1 热辐射破坏准则的分类
• 2.2.2 热通量与热剂量的求解
• 2.3 火球的热辐射效应
• 2.4 含铝药剂的爆轰特性
• 2.5 含铝药剂的爆炸作用机理
• 2.5.1 铝粉的二次反应
• 2.5.2 惰性热稀释概念
• 2.5.3 化学热稀释概念
• 2.6 含铝炸药的后燃效应模型
• 2.6.1 点爆炸模型
• 2.6.2 铝粉后燃效应模型
• 2.7 本章小结
• 3 爆炸压力场数值理论研究与结果分析
• 3.1 基本控制方程与约束条件
• 3.1.1 质量守恒
• 3.1.2 动量守恒
• 3.1.3 能量守恒
• 3.1.4 边界条件
• 3.2 计算域离散方法
• 3.3 沙漏模式制约机理
• 3.3.1 沙漏模式的产生
• 3.3.2 沙漏模式的控制原理
• 3.3.3 Standard沙漏粘性阻尼控制方法
• 3.4 接触滑移面条件的设置
• 3.5 冲击波的求解方法
• 3.5.1 Standards算法
• 3.5.2 Richards-Wilkins算法
• 3.6 爆炸压力场的数值模拟与计算结果分析
• 3.6.1 基本方程及参数设置
• 3.6.2 有限元模型的建立
• 3.6.3 网格划分
• 3.6.4 结果分析
• 3.7 本章小结
• 4 计算流体力学（CFD）理论基础
• 4.1 基本控制方程
• 4.1.1 连续性方程
• 4.1.2 动量守恒
• 4.1.3 能量守恒
• 4.1.4 组分质量守恒
• 4.2 湍流模型理论
• 4.2.1 湍流流动的数值计算方法
• 4.2.2 湍流模型的划分
• 4.2.3 常用湍流模型概述
• 4.3 多相流理论
• 4.3.1 颗粒轨道计算方法
• 4.3.2 颗粒燃烧模型的传热、传质
• 4.3.3 离散相与连续相间的耦合
• 4.4 燃烧模型理论
• 4.4.1 基于反应速率形式的燃烧模型分类
• 4.4.2 涡耗散模型
• 4.4.3 湍流中的质量扩散
• 4.4.4 能量方程中的物质输运
• 4.5 热辐射模型理论
• 4.6 本章小结
• 5 温压爆炸中铝粉后燃效应的数值模拟与分析
• 5.1 模型的建立与简化
• 5.2 网格划分
• 5.3 边界条件的设置
• 5.3.1 进口边界条件设置
• 5.3.2 出口边界条件设置
• 5.3.3 其它边界条件设置
• 5.4 离散相模型的设置
• 5.5 物性参数的选取与设置
• 5.5.1 铝粉-空气混合物的物性参数设置
• 5.5.2 燃烧粒子属性
• 5.5.3 燃烧产物属性
• 5.6 求解控制选择
• 5.7 离散相求解步骤
• 5.8 计算结果后处理及分析
• 5.8.1 压力场分析
• 5.8.2 质点速度分析
• 5.8.3 温度分析
• 5.8.4 温压药剂火球热辐射效应分析
• 5.8.5 各组分分布情况
• 5.9 计算结果的验证
• 5.10 本章小结
• 6 结论
• 7 展望
• 致谢
• 参考文献