气相爆炸冲击问题的物质点法研究

发布时间：2020-04-03 18:36

【摘要】：气体爆炸现象广泛发生在日常生活、工业生产以及军事作战等场景中,研究气相爆炸冲击问题对于预防以及减少生活中、工业生产运输中的爆炸灾害,提高相关军事武器的威力等方面具有重要意义。随着计算机科学技术和数值计算的快速发展,数值模拟已然成为研究气体爆炸的一种重要方式。物质点法(Material Point Method,MPM)采用拉格朗日质点和欧拉网格双重描述,兼具拉格朗日法和欧拉法的优点,避免了拉格朗日网格方法计算大变形问题时的网格畸变问题,解决了欧拉网格方法耦合困难、数值耗散的问题。鉴于物质点法在冲击、接触、流固耦合等涉及大变形和材料破坏的问题中具有明显的优势,本文在较深入地研究了物质点法后,编写了一套关于气体爆炸冲击的物质点法计算程序,将物质点法拓展到可燃性气体爆炸冲击问题的数值模拟中。本文推导了物质点法控制方程;映射函数选用线性插值函数;为了避免插值函数不连续导致的数值噪声问题,引入了广义插值物质点法(GIMP);基于物质点法和气体爆炸的相关知识编写了一套计算程序来模拟可燃性气体的爆轰。可燃性气体的爆轰模型选用点火增长模型,状态方程选用理想气体状态方程,并引入了人工体积粘性起到光滑间断面的作用。运用物质点法程序对乙炔-空气混合气体的爆轰过程进行了计算,数值计算的结果与实验值误差在10%以内,吻合较好,说明了物质点法在计算气体爆轰问题时具有较高的可行性。为了更准确的描述可燃性混合气体的状态,将理想气体状态方程改为阿贝尔状态方程进行计算,结果表明,阿贝尔状态方程具有更高的准确性。随后根据气体爆炸相关知识编写Fortran小程序来计算不同成分的混合气体爆炸参数,如甲烷-空气,乙烷-空气等,得到的参数代入物质点法程序中计算了4种混合气体的最大爆炸压力,与实验值的误差均在10%以内,说明物质点法在计算不同的可燃性混合气体时具有很好的适应性。运用物质点法计算了不同浓度的乙炔-空气混合气体爆炸的情况,结果表明,浓度为9.7%(约为化学当量浓度的1.25倍)时,该混合气体的最大爆炸压力最大。运用物质点法对比了有无障碍物两种情况对于气体爆炸威力的影响,结果表明,爆轰波传播到障碍物附近时,爆炸压力增长很大。最后建立了固体材料的本构模型、状态方程和损伤模型,进行结构动力响应分析,物质点法计算时,固体和流体在同一求解域内,流固耦合算法十分简便,适用于求解与气体爆炸相关的流固耦合问题。物质点法的研究尚处于起步阶段,还有许多地方有待完善。目前,以物质点法为算法的数值分析软件相当罕见,开发爆炸冲击方面的物质点法程序具有重要意义。本文将物质点法扩展到气体爆炸计算问题中,进一步完善和发展物质点法,也为气体爆炸方面的计算研究提供一种新思路。
【图文】：

爆炸事故,石油化工行业,输油管道,青岛

矿井中的瓦斯等可燃性气体与空气混合，被电火花、明火、雷电等引燃造成严重的爆炸事故；化工或者石油生产中，处理不慎的情况下，石油产品炔等烃类可燃性气体，浓度在浓度极限范围内时，遇到点火能量也会发生爆炸生活方面，随着城市化进程的加深，越来越多的居民每天都会使用天然气，时都可能发生在自己周边。气体爆炸也被运用在军事领域，如燃料空气炸药体爆炸事故的经验教训上发明、发展起来的，它将高能燃料抛撒在空中形成，然后通过引信将云雾引爆来打击战略目标。可燃气体的爆炸威力非常大，我们经常会看到因可燃气体爆炸而造成大量的损失的新闻。2014 年，广东佛山富华某某机械制造公司发生一起气体爆炸惨重，死亡 18 人，受伤 32 人。2014 年 4 月 11 日，马来西亚沙捞越州发生故，造成约 80 亿元人民币的损失。2013 年 11 月 22 日，青岛中石化输油管爆炸事故，死亡 62 人，受伤 136 人，直接经济损失 75172 万元。此类事故多不胜数。据统计，在天然气行业，由可燃气体爆炸导致的事故高达 60%，

示意图,物质,示意图,质量方程

MPM 法在多相耦合、大变形问题上具有明显的优势。图 2.1 物质点法离散示意图2.1 物质点法控制方程在爆炸冲击动力学中，因为爆炸过程太快，可以不考虑物质的粘性和温度的热传递效应。下面分别介绍质量方程、动量方程、能量方程等。2.1.1 连续性方程物体总质量为：
【学位授予单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O38

【参考文献】