水下近场爆炸下多相爆轰波载荷的预报方法与流程

本发明涉及水下近场爆炸冲击波载荷预报，尤其是水下近场爆炸下多相爆轰波载荷的预报方法。

背景技术：

1、凝聚态炸药的爆炸问题广泛存在于国防和国民经济建设的许多领域，在武器设计、安全防护、爆炸加工、爆破工程等问题中都起着重要的作用。典型的爆炸问题可分为三个阶段：爆源的起爆、冲击波在介质(空气、水、土壤等)中的传播、冲击波与目标的相互作用。爆炸的上述三个过程中，都包含着流体界面的运动。起爆过程中，炸药爆轰形成爆轰产物，二者之间存在连续的爆轰波阵面；爆轰波到达炸药表面时，高温高压的爆轰产物将驱动空气、水等介质产生冲击波，爆轰产物与介质问存在界面；冲击波到达目标时，将引起结构的变形、破坏，甚至飞散，这是流体和结构(固体)间的运动界面问题。爆轰是流体力学和化学反应动力学相互耦合的一种复杂过程。对于炸药爆轰问题，采用爆炸试验测试存在着成本高、测量困难、数据有限等不利因素，随着计算力学和计算机科学的发展，对于爆轰过程的数值模拟手段受到了高度重视。

2、相关技术中，对于爆轰过程的处理主要采用两大类方法：爆轰冲击波动力学(dsd)模型和等效爆轰模型。爆轰冲击波动力学模型轰冲击波的运动与爆轰产物的流动解耦，采用爆轰理论模型单独计算爆轰波阵面的运动，然后再用数值方法计算爆轰波后的产物流动；等效爆轰模型则是忽略了具体的点火起爆和爆轰波传播过程等爆轰反应细节，一般采用质量等效或者能量等效原理给定炸药完全反应后的产物区初始状态场。

3、然而，针对水下近场爆炸过程中产生的多相爆轰波载荷的评估预报，前述的两类方法主要存在以下几个问题：

4、(1)水下近场爆炸属于典型的包含爆轰化学反应过程的气-液-气多相流体复杂运动过程，爆轰波载荷难以采用工程估算方法进行预测，需要考虑到爆轰波、冲击波、水等多介质流动；

5、(2)将爆轰过程简化处理成等密度、等压力、无速度的初始等效状态，这种假设与实际物理过程不符合；

6、(3)模型求解精度低，无法对近场爆炸冲击波载荷进行高效预报。

技术实现思路

1、本申请人针对上述现有生产技术中的缺点，提供水下近场爆炸下多相爆轰波载荷的预报方法，能够对气-液-气多相可压缩流体性质的爆轰波载荷进行精确测算，从而为水下近场爆炸冲击波载荷的预报和评估提供重要技术支撑。

2、本发明所采用的技术方案如下：

3、一种水下近场爆炸下多相爆轰波载荷的预报方法，包括以下步骤：

4、计算tnt炸药单元的燃烧因子λ；

5、采用level-set方法捕捉tnt炸药单元水下近场爆炸过程中产生的爆轰波的运动界面；

6、基于tnt炸药单元的燃烧因子λ和level-set方法捕捉的运动界面，采用5阶weno格式对无粘、可压缩流体欧拉方程进行数值离散，从而求解出tnt炸药单元在水下近场爆炸中，任意时刻t对应的爆轰波的密度ρ、爆轰波的压力p、爆轰波的径向速度u、爆轰波的轴向速度v、爆轰波的单位质量总能e。

7、作为上述技术方案的进一步改进：

8、所述tnt炸药单元的燃烧因子λ包括第一燃烧因子λ1和第二燃烧因子λ2。

9、所述第一燃烧因子λ1的表示式为：

10、

11、(式1)中，t表示tnt药包点火后的任意时刻；

12、tc表示tnt药包点火后爆轰波到达当前tnt炸药单元的最快时间；

13、dcj表示tnt的爆速；

14、wz表示当前tnt炸药单元按照球形考虑的等效尺寸；

15、所述第二燃烧因子λ2的表示式为：

16、

17、(式2)中，表示tnt炸药单元的相对密度；

18、表示tnt炸药单元在cj状态的相对密度；

19、为阶跃函数。

20、采用level-set方法捕捉tnt炸药单元水下近场爆炸过程中产生的爆轰波的运动界面时，所述爆轰波的运动方程的表达式为：

21、φt+uφx+vφy＝0                           (式3)

22、(式3)中，φt表示t时刻当前计算单元的level-set函数值；

23、φx表示对空间(x向分量)的空间导数；

24、φy表示对空间(y向分量)的空间导数；

25、u表示流体单元x向的速度；

26、v表示流体单元x向的速度。

27、采用5阶weno格式对无粘、可压缩流体欧拉方程进行数值离散时，包括如下步骤：

28、s31.首先计算守恒变量和通量的roe单元平均量

29、s32.将通量q、f，映射到局部特征空间；

30、s33.引入拉克斯-弗里德里希斯通量分裂格式，采用5阶weno格式对通量q、f进行数值重构；

31、s34.将步骤s33.中获得的通量映射回物理空间将最终的数值通量带入离散格式，从而获得x向离散和y向离散的表达式。

32、s33.中，进行空间离散时，5阶weno格式的模板中各个单元的通量(fi-2,fi-1,fi,fi+1,fi+2)的构造表达式为：

33、

34、(式3)中，ω1、ω2、ω3表示权重因子。

35、所述权重因子ωk(k＝1,2,3)的表达式如下：

36、

37、(式5)中，ak表示第k个魔板的权重；

38、a1表示第1个魔板的权重；

39、a2表示第2个魔板的权重；

40、a3表示第3个魔板的权重；

41、ck表示第k个魔板的光滑系数；

42、isk表示第k个魔板的重构系数。

43、所述x向离散的表达式为：

44、

45、(式7)中，f表示x向通量；

46、x表示x方向坐标值；

47、i表示当前的第i单元代号；

48、表示当前单元i右侧边界上数值通量；表示当前单元i左侧边界上数值通量；δx表示当前单元x向长度。

49、所述y向离散的表达式为：

50、

51、(式8)中，g表示y向通量；

52、y表示y方向坐标值；

53、i表示当前的第i单元代号；

54、表示当前单元i上侧边界上数值通量；表示当前单元i下侧边界上数值通量；δy表示当前单元y向长度。

55、本发明的有益效果如下：

56、本发明结构紧凑、合理，操作方便，基于高阶差分格式，能够预报带有爆轰化学反应的水下近场爆炸产生的爆轰波的运动过程，能够为舰艇结构水下爆炸冲击预报的载荷评估提供关键技术支撑。

技术特征：

1.一种水下近场爆炸下多相爆轰波载荷的预报方法，其特征在于：包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的水下近场爆炸下多相爆轰波载荷的预报方法，其特征在于：所述tnt炸药单元的燃烧因子λ包括第一燃烧因子λ1和第二燃烧因子λ2。

3.如权利要求2所述的水下近场爆炸下多相爆轰波载荷的预报方法，其特征在于：所述第一燃烧因子λ1的表示式为：

4.如权利要求1所述的水下近场爆炸下多相爆轰波载荷的预报方法，其特征在于：采用level-set方法捕捉tnt炸药单元水下近场爆炸过程中产生的爆轰波的运动界面时，所述爆轰波的运动方程的表达式为：

5.如权利要求1所述的水下近场爆炸下多相爆轰波载荷的预报方法，其特征在于：采用5阶weno格式对无粘、可压缩流体欧拉方程进行数值离散时，包括如下步骤：

6.如权利要求5所述的水下近场爆炸下多相爆轰波载荷的预报方法，其特征在于：s33.中，进行空间离散时，5阶weno格式的模板中各个单元的通量(fi-2,fi-1,fi,fi+1,fi+2)的构造表达式为：

7.如权利要求5所述的水下近场爆炸下多相爆轰波载荷的预报方法，其特征在于：所述权重因子ωk(k＝1,2,3)的表达式如下：

8.如权利要求1所述的水下近场爆炸下多相爆轰波载荷的预报方法，其特征在于：所述x向离散的表达式为：

9.如权利要求1所述的水下近场爆炸下多相爆轰波载荷的预报方法，其特征在于：所述y向离散的表达式为：

技术总结本发明涉及水下近场爆炸下多相爆轰波载荷的预报方法，包括以下步骤：计算TNT炸药单元的燃烧因子；采用level‑set方法捕捉TNT炸药单元水下近场爆炸过程中产生的爆轰波的运动界面；基于TNT炸药单元的燃烧因子和level‑set方法捕捉的运动界面，采用5阶WENO格式对无粘、可压缩流体欧拉方程进行数值离散，从而求解出TNT炸药单元在水下近场爆炸中，任意时刻对应的爆轰波的密度、爆轰波的压力、爆轰波的径向速度、爆轰波的轴向速度、爆轰波的单位质量总能。能够对气‑液‑气多相可压缩流体性质的爆轰波载荷进行精确测算，从而为水下近场爆炸冲击波载荷的预报和评估提供重要技术支撑。技术研发人员：余俊,张显丕,汪俊,盛振新,张静受保护的技术使用者：中国船舶科学研究中心技术研发日：技术公布日：2024/9/12