计算物理 ›› 2023, Vol. 40 ›› Issue (5): 556-569.DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8658
吴宗铎1(), 满庆洋2, 严谨1, 庞建华3,*(
), 孙一方1
收稿日期:
2022-10-27
出版日期:
2023-09-25
发布日期:
2023-11-02
通讯作者:
庞建华
作者简介:
吴宗铎(1984-), 男, 博士, 副教授, 研究方向为激波间断问题数值计算, E-mail: wuzongduo0@aliyun.com
基金资助:
Zongduo WU1(), Qingyang MAN2, Jin YAN1, Jianhua PANG3,*(
), Yifang SUN1
Received:
2022-10-27
Online:
2023-09-25
Published:
2023-11-02
Contact:
Jianhua PANG
摘要:
研究水下爆炸中的防护层问题, 将爆炸气体、水、防护层或其他材料看成一个混合流场后, 它们的物理状态可以直接用统一形式的Mie-Grüneisen状态方程来表示, 再用Mie-Grüneisen混合模型模拟爆炸气体、水、固态防护层之间的复杂相互作用。计算时, 通过状态方程中的特定参数来区分流体成分的物理特性, 并通过体积分数来区分界面, 同时添加自由进出口边界条件; 计算过程中, 对防护层的效果进行细致研究。研究发现, 防护层的效果取决于材料的冲击阻抗。当冲击波从一种介质进入新介质时, 在新介质冲击阻抗较小的情况下其压力会降低。同时, 进入防护层的冲击波被结构物反射又会形成第二个冲击波。在这个过程中, 对防护层的厚度和距离进行关注, 但是这两个因素并未产生重要影响。
吴宗铎, 满庆洋, 严谨, 庞建华, 孙一方. 三介质Mie-Grüneisen混合模型在水下爆炸防护层问题中的应用[J]. 计算物理, 2023, 40(5): 556-569.
Zongduo WU, Qingyang MAN, Jin YAN, Jianhua PANG, Yifang SUN. Applications of Three-component Mie-GrüNeisen Mixture Model in Underwater Explosion Mitigation Problem[J]. Chinese Journal of Computational Physics, 2023, 40(5): 556-569.
ρ0/(kg·m-3) | c0/(m·s-1) | s | γ0 | α | 适用范围/GPa | |
水 | 1 000 | 1 480 | 2.560, -1.986, 0.227(s1, s2, s3) | 0.5 | 1.0 | 0~120 |
铁(Fe-1018)、钢 | 7 850 | 3 574 | 1.920 | 1.69 | 1.0 | 0~270 |
聚乙烯塑料 | 915 | 2 900 | 1.481 | 1.644 | 1.0 | 0~50 |
砂石 | 1 950 | 2 450 | 1.86 | 1.28 | 1.0 |
表1 部分材料的Mie-Grüneisen状态参数
Table 1 Mie-Grüneisen state parameters for some materials
ρ0/(kg·m-3) | c0/(m·s-1) | s | γ0 | α | 适用范围/GPa | |
水 | 1 000 | 1 480 | 2.560, -1.986, 0.227(s1, s2, s3) | 0.5 | 1.0 | 0~120 |
铁(Fe-1018)、钢 | 7 850 | 3 574 | 1.920 | 1.69 | 1.0 | 0~270 |
聚乙烯塑料 | 915 | 2 900 | 1.481 | 1.644 | 1.0 | 0~50 |
砂石 | 1 950 | 2 450 | 1.86 | 1.28 | 1.0 |
介质数量 | 多相模型[ | 五方程模型[ | Mie-Grüneisen混合模型 |
2 | 7个方程,1个逼近关系式 | 5个方程,1个逼近关系式 | 6个方程 |
3 | 11个方程,2~3个逼近关系式 | 7个方程,2~3个逼近关系式 | 7个方程 |
4 | 15个方程,3~6个逼近关系式 | 9个方程,3~6个逼近关系式 | 8个方程 |
表2 不同数值模型需要方程数的比较
Table 2 Comparison of equations required in different numerical models
介质数量 | 多相模型[ | 五方程模型[ | Mie-Grüneisen混合模型 |
2 | 7个方程,1个逼近关系式 | 5个方程,1个逼近关系式 | 6个方程 |
3 | 11个方程,2~3个逼近关系式 | 7个方程,2~3个逼近关系式 | 7个方程 |
4 | 15个方程,3~6个逼近关系式 | 9个方程,3~6个逼近关系式 | 8个方程 |
图6 砂石中冲击波反射后的压力分布(a) 0.2 ms时刻Ref.[28]计算结果;(b) 0.2 ms时刻本文计算结果;(c) 0.4 ms时刻Ref.[28]计算结果;(d) 0.4 ms时刻本文计算结果
Fig.6 Pressure distribution of shock wave in sand after reflection (a) Ref.[28]'s results at 0.2 ms; (b) our results at 0.2 ms; (c) Ref.[28]'s results at 0.4 ms; (d) our results at 0.4 ms
图7 冲击波作用于砂石上不同时刻的密度分布(a) 0.2 ms时刻本文计算结果; (b) 0.4 ms时刻本文计算结果
Fig.7 Density distribution at different time instants with the impact of the shock wave on sand (a) our results at 0.2 ms; (b) our results at 0.4 ms
ρ0/(kg·m-3) | 冲击波运动时间/ms | 冲击波运动距离/m | 冲击阻抗SI/(MPa·m·s-1) | |
钢铁 | 7 800 | 0.138 | 0.5 | 28.26 |
砂石 | 1 950 | 0.227 | 0.5 | 4.30 |
聚乙烯塑料(实心) | 915 | 0.139 | 0.5 | 3.29 |
聚乙烯塑料(空心) | 750 | 0.172 | 0.5 | 2.33 |
水 | 1 000 | 0.172 | 0.6~0.075 × 2 | 2.62 |
表3 4种介质受冲击阻抗对比
Table 3 The shock impedance contrast of the four mediums under impact
ρ0/(kg·m-3) | 冲击波运动时间/ms | 冲击波运动距离/m | 冲击阻抗SI/(MPa·m·s-1) | |
钢铁 | 7 800 | 0.138 | 0.5 | 28.26 |
砂石 | 1 950 | 0.227 | 0.5 | 4.30 |
聚乙烯塑料(实心) | 915 | 0.139 | 0.5 | 3.29 |
聚乙烯塑料(空心) | 750 | 0.172 | 0.5 | 2.33 |
水 | 1 000 | 0.172 | 0.6~0.075 × 2 | 2.62 |
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