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1、中北大学2012届毕业论文1 绪论1.1 课题研究目的1.1.1 课题背景冲击波效应是多种弹箭的主要破坏力之一。持续时间大于0.25ms压力值大于3.91KPa时就会对人员听觉器官造成损伤1。当冲击波的动压高于70KPa时对于性能最好的C类地面野战通信设备结构和大部分零件破坏, 失去修复价值2。超压大于100KPa时各类飞机完全破坏, 当超压为50KPa-110KPa时, 能使地雷引爆, 无线电雷达站和各种轻武器受损或破坏3。所以冲击波场超压测试是评价武器系统、工程爆破的有效手段。爆炸产生的冲击波特性研究包括炸药爆轰过程以及其相应的物理效应、爆炸的特点、能量释放以及冲击波荷载形成的机理。武器系
2、统在研制、改进、定型、验收等环境都需要进行冲击波超压的测试, 以获得威力评估参数。冲击波特点为冲击波上升沿陡峭, 信号带宽, 爆炸为瞬间单次过程, 爆炸时伴随高温高压强光强电磁干扰, 测试系统工作环境恶劣, 对测试系统的要求高4。电测法是一种日渐成熟的压力测试方法，随着现代数字存储测试技术的发展，它已广泛用于工农业生产，特别是武器工业。传统的电测试方法一般采用“压力传感器放大器瞬态信号记录仪计算机”的形式构成测试系统。这种测试系统存在几个不足之处：第一是信号传输电缆会产生“电缆效应”，有时严重干扰测试信号；第二是各级组成体分离不便于系统的标定和校准；第三是系统的测试设备较多，价格高，体积大，机
3、动性差。还有受测试环境影响较大，操作麻烦等不足的地方。鉴于以上不足的地方，现在已经有了使用存储测试技术的微型测试系统。存储测试系统一般是把传感器、适配放大器、A/D转换器、存储器、控制电路、接口电路以及电源集合在一起的微型化测试系统，它具有微小体积，能耐高的冲击加速度，较高的环境温度及环境压力，不需引线，在被测体工作过程中把信号记录下来，然后回收装置，用计算机读出和处理数据。体积微小和测量时不受外界的电磁辐射是他们的最突出特点，使得过去不便于测量的场合能够进行直接测量5。1997年，华北工学院测试技术实验室基于动态测试理论，提出一种冲击波超压的存储式测试方法。通过试验获取了相关数据，并对实验曲
4、线进行了分析和处理，用系统辨识的方法给出系统的传输特性曲线，对于测试系统动态特性的补偿问题作了探讨。1998年3月，华北工学院测试技术实验室在冲击波测试方法上进一步进行了探索，根据测试系统存在超调而无法给出冲击波超压峰值误差的难题，设计了兼顾被测信号的有效宽度和测试系统的特性的滤波器，能够得到被测信号误差很小的估计值。1998年8月，北京理工大学提出了基于燃料空气炸药（FAE）爆炸压力场的基本特征及爆轰波、冲击波压力测量理论，系统地研究了FAE的爆炸压力测试技术。在综合分析研究多种FAE爆炸压力测试方法的基础上，提出了以内装电压放大器的测压系统代替电荷放大器的测压系统及数字存储式的压力测试系统
5、为主要的两种测试方法。1999年，中国工程物理研究院也对存储测试方面提供了一些相关的看法。2002年，北京理工大学针对爆炸冲击波存储测试问题，提供了一种新型数字存储式测压系统设计思想，建立了存储测试系统信息传输模型及测试通道信息有效性准则，引入了信息的真和率失真函数概念进行测试通道设计6。随着专用集成电路ASIC和用户现场可编程门列阵（FPGA）的飞速发展，针对冲击波测试的存储测试系统也向着微型化、大容量、模块化和智能化的方向发展。华北工学院测试技术实验室近年以来一直从事冲击波测试技术的研究，目前在冲击波的存储测试方面已经取得了一定的发展,采用了直接测试和间接测试一体化的设计，系统功能上也达到
6、了智能化和自适应的特点。无线通信在存储测试技术的应用，进一步简化测试操作，提高测试的可靠性。1.1.2 课题的国内外发展状况国内在爆炸问题方面的研究起步较晚，在此方面目前还比较匮乏。在理论研究方面，我国的学者李翼祺对爆炸问题进行了详细的分析与探讨，在其编著的爆炸力学一书中，作者陈列了各个不同学者对于爆炸问题的研究成果，并且将其与中国的国防规范进行了对比。阐述了不同地域对于爆炸问题的不同确定方法7。李夕兵，凌同华，张义平等人对于爆炸的信号采集及其处理进进行了详细的研究8，并对比了傅里叶变换，小波变换，以及目前很流行的一种新的信号处理方法EMD-HHT法，即对于爆炸信号进行自适应的EMD分解，并对
7、其进行Hilbert-Huang变换，得到其能量谱，书中还分别指出了三种方法对于爆炸问题分析的优缺点以及其适用范围。由于数值模拟可以很好的模拟爆炸问题的全过程，在国内，更多的学者选择使用数值模拟的方法进行科学研究。武汉大学潘超研究了并使用了多物质欧拉算法9，证明了该算法适合用于复杂流体的运动分析。采用多物质欧拉算法，对近水面爆炸进行模拟，可以很好的计算爆轰产物、水、空气的相互作用过程，证明了该方法可用来分析复杂流体的运动可以得到较好的结果。武汉理工大学的申祖武对爆炸冲击波的环流效应进行了数值模拟10，利用任意拉格朗日欧拉(ALE)算法和炸药爆轰产物的JWL状态方程，针对有障碍物阻挡时空气冲击波
8、的环流现象进行了数值模拟，得到了在爆源周围有障碍物时爆炸场初始发展、环流情况及整个传播过程,并对空气冲击波的环流规律进行了分析。研究结果表明，该种方法可以很好地描述空气冲击波环流流场参量分布与变化规律，数值模拟结果也符合客观物理规律。中北大学张广福对爆炸冲击波在无限空气领域传播的数值模拟进行了研究11，利用LS-DYNA程序，研究了爆炸发生后爆炸冲击波在无地面障碍物阻挡时的传播规律,并将数值模拟结果和经验公式的计算结果进行了对比。模拟结果表明,炸药近地爆炸产生的峰值超压与经验公式的计算结果基本一致。国外学者在爆炸问题的理论研究方面开展较早，并在一些方面已经获得了较系统的研究成果：在爆炸理论的研
9、究方面，Johansson详细的论述了炸药爆轰的整个过程及其中产生的相应的物理效应。Fickett对爆轰的特点进行了严密的数学推导，并对其中的物理现象和化学现象两者构建了严格的数学模型。BrodeH.J.12 根据理论推到，计算了实际空气中的点爆炸的数值解。Brode对球形冲击波的传播进行了计算，假设在初始条件取为点源爆炸和等温球的情况下，对空气冲击波的传播规律进行了研究。W.E.Baker在空中爆炸一书中对空中爆炸的理论和现象进行了详细的阐述，并在书中对爆炸实验的操作与设计方法进行了详细的讲解，同时给出了大比例尺的比例空中爆炸波参考图。Henrych综述了炸药爆炸现象及爆炸对各种介质和结构系
10、统的破坏效应，并且通过大量的试验给出了不同比例距离下TNT炸药的入射超压，反射超压以及正压作用时间等参数的经验公式。Edward J.Conrath等人对于爆炸荷载作用下的各种结构形式上的荷载及力学行为进行了研究，并同时对结构构件的安全问题做了详细的分析与研究，如对安全门或者安全窗等一些构件进行了关于爆炸方面的研究13。国外一些大的软件公司都在各自的软件中集成了可以进行爆炸问题分析的动力学模块，如ANSYS，ABAQUS等大型商用软件都拥有各自的显式分析功能，除此之外，美国军事部门还基于大量的试验所测试数据，编制了CONWEP和BLASTX程序以用于计算爆炸冲击载荷，其中BLASTX程序不仅能
11、考虑入射角度对壁面反射压力的影响，而且Mehdi SotudehChafi等人14对比了TNT与C4在开敞空间的爆炸的数值模拟，并对RHA金属板的爆炸冲击进行了模拟。证明了利用数值模拟方法可以准确的计算爆炸对于结构形成的冲击波荷载作用，以及冲击波在介质中的传播规律。1.2 研究内容、步骤1.2.1 研究内容根据空气中TNT爆炸峰压计算的经验公式，得出实验的理论值。利用ANSYS软件中的Fluent模块，建立压力测试装置外流场分布的二维有限元模型，模拟稳态下平面流场中，不同粘性系数。不同流动模型，不同流速等初始条件下两种测试装置表面及其附近位置的流场分布。重点在于测试装置表面压力分布，压力传感器
12、安装位置的压力变化规律，绕流典型剖面流速值、压力值和尾流流场结构等。将两种测试装置所得模拟结果与实验理论值比较，分析它们的测量精确度。1.2.2 研究步骤（1）分析爆炸压力场特点，主要是爆炸冲击波超压的求解及其特点，查阅相关文献，了解国内外压力测试装置结构特点、绕流流场数值模拟和实验的研究成果。大致了解本课题的研究内容、措施和目的。（2）复习流体力学有关圆柱绕流的相关基础，学习计算流体动力学（CFD）的基础知识；学习Fluent软件，包括前处理（建模，划分网格，设置湍流模型、材料参数及边界条件）、求解（设置残差监测曲线、监测点），及后处理（应用相关后处理软件，比如tecplot、origin处
13、理模拟得到的图像和数据）。（3）利用Fluent软件，建立两种压力测试装置外流场分布的二维有限元模型，进行稳态数值仿真。模拟不同流速等初始条件下，测试装置表面压力分布、压力传感器安装位置的压力变化规律、绕流典型剖面流速值、压力值和尾流流场结构等。（4）将两种压力测试装置的数值模拟结果分别与理论值比较，得出结论。尝试指出两者之间的区别联系或区别的原因；结合现有的理论知识，说明分析结果；得出具有创新意义的线索或理论。（5）总结实验数据的处理和分析，认真分析试验中出现的问题，概括实验中的心得体会，给出由建设性和预见性的意见。完成论文初稿的撰写、修改以及论文的最后定稿和提交。2 爆炸冲击波理论和Flu
14、ent数值模拟基础2.1 爆炸冲击波基本理论2.1.1 爆炸冲击波的产生和传播规律当炸药在空气中或水中爆炸时，其周围物质直接受到具有高温、高速、的爆炸产物作用，它强烈地压缩着相邻的介质，使其压力、密度、温度等突跃式的升高，形成初始冲击波。在空气中，爆炸发生的初始时刻，炸药产生的能量，在瞬时转化为高温高压状态的气态爆轰产物，此气体急剧膨胀，并迫使周围空气离开它原来占据的位置，于是在此气体的前端形成了一层压力梯度变化巨大的压缩空气层，此时外层的压缩空气层就是我们常说的爆炸波。事实上，爆炸产生的全部能量几乎都转化为爆炸波的能量。随着冲击波不断地膨胀，气态爆轰产物的压力逐渐减小直到等于大气压，此时开始
15、爆炸波不再由气态爆轰产物支持，与其脱离开并相对独立的向前传播。气态爆轰产物的质点由于惯性作用继续向前运动，当其压力降低到周围大气压以下时，跟随在爆炸压力波后面传播，形成爆炸稀疏波。由于周围空气的压力值较高，气爆轰产物将逐渐停止前进并开始向后运动；由于惯性作用，它们的压力又逐渐增加，直至略微超过大气压，并重新形成气态爆轰产物膨胀的条件。由以上所述可以看出，整个过程就是“气态爆轰产物-空气”系统的一种自由振15。图2-1给出了理想情况下炸药在无限空气中爆炸时的压力随时间变图2-1空气中炸药爆炸理想P-t曲线化曲线。冲击波以球形向外扩张，随距离起爆点距离的增大，波阵面的面积也迅速增大，因此，即使没有
16、能量损耗，单位面积上的能量携带量也会不断减少，直至恢复到空气的初始大气压；并且，冲击波的传播并不是等熵的过程，在波阵面上熵是不断增加的，因此传播过程中始终存在着空气受到冲击绝热压缩而产生不可逆的能量损失，冲击波越强，这种能量损耗越大。综上所述，冲击波在传播过程中波阵面压力是迅速衰减的，并且初始阶段衰减较快，后期衰减逐渐缓慢。在超声速流场中，激波是最普遍的现象，在管道内或在飞行器绕流环境之中几乎无处不在。飞行器以超声速飞行，对周围环境的扰动以压力波的形式传播，而压力波的传播速度为当地声速，可想而知以超声速运动的物体速度超过了压力波的传播速度，从而引起多重压力波的追赶与汇集，在飞行器前端形成了超强的波前，称之为激波。爆炸冲击波也是超声速流动，在爆炸波传播过程中遇到障碍物时也会产生激波。激波的外形取决于绕过物体的外形和来流马赫数，因此描述激波形状的方程式如果已确定，那
