近地爆冲击波在洞库内的传播特性

石成英，梅宗书，王争，鲁昌兵

（第二炮兵工程大学，西安710025）

【装备理论与装备技术】

近地爆冲击波在洞库内的传播特性

石成英，梅宗书，王争，鲁昌兵

（第二炮兵工程大学，西安710025）

研究了洞库内TNT炸药离地面较近时，产生的爆炸冲击波在一端封闭的洞库内的传播特性。由于洞库纵深短，传播特性主要为炸药近地爆条件下冲击波的早期非稳定传播。采用数值模拟方法进行了爆炸仿真试验，得到冲击波超压云图和压力时程曲线，总结出了近地爆条件下冲击波在洞库内的不规则反射、环流以及二元波次等特点。

近地爆；洞库；数值模拟；传播特性

现代战争中，随着精确制导技术的发展和钻地弹技术的提高，导弹在洞库及坑道内的爆炸可能性大幅度提高［1］。相对于导弹在地面上爆炸和空爆，洞库或坑道内爆由于壁面反射而具有更高的冲击波超压和更长的作用时间，因此破坏效果也更大。对于炸药内爆，目前大部分研究集中在纵深较长（≥100 m）的坑道内的爆炸，如矿用坑道和军事地下坑道。常用的研究途径为通过拟合真实或仿真爆炸试验参数，得到冲击波在坑道内传播达到稳定时的峰值超压计算公式。如我国学者杨科之、杨秀敏［2］通过对长坑道中的化爆流场进行仿真试验，得到坑道内爆时空气冲击波超压峰值沿坑道轴线的衰减曲线，并拟合得到如下形式的计算公式

式中：Δpm为峰值超压（MPa）；m为TNT质量（kg）；S为坑道截面积（m2）；R为到爆心距（m）。该公式适用于波形稳定可看成平面波的冲击波超压计算，试用范围为等效比例爆距（SR/m）1/3≥2.7 m/kg1/3。

本研究以纵深较短（≤30 m）的洞库为研究对象，通过数值模拟计算分析在洞库内的近地爆冲击波早期紊乱流动状态。

1 模型建立

考虑到模型为三维轴对称模型，建模时只建二分之一模型。图1所示为洞库二分之一模型，洞库一端开口，由炸药、空气、和混凝土壁面组成。其中炸药位于洞库中轴线上，炸药量为200 g，离地高度为100 mm，距洞口2 000 mm，空气整体尺寸为2 300 mm×600 mm×800 mm，与炸药网格共节点，洞库壁厚50 mm。三者层层包裹，没有重叠部分。

图1 洞库模型剖面图

从解析计算的角度对爆炸冲击波传播的状态进行预测，根据尺寸可计算出模型中的等效比例爆距（SR/m）1/3≤1. 69，小于上文中冲击波超压计算中等效比例爆距（SR/m）1/3≥2.7 m/kg1/3的适用范围。即说明在洞库内爆流场的整个传播历程中，爆炸冲击波始终未达到可用上文所述公式计算器超压峰值的稳定状态，即全程为非稳定传播状态。

2 材料参数与算法

本试验涉及的材料有TNT炸药、空气、混凝土。根据洞库内爆的实际情况，合适的材料模型和算法的选取是决定仿真计算准确的重要保证。本研究中炸药采用*HIGH_EXPLOSIVE_BURN［3］模型及*EOS_JWL状态方程进行定义

式中：P为爆轰压力；V是相对体积；E是单位体积内能；ω，A，B，R1，R2为材料常数，各参数具体数值设定为分别为：A= 3.74×1011，B=3.231×109，R1=4.15，R2=0.95，ω=0.3，初始内能E0=7.0×109J，初始相对体积V0=1.0。

空气模型采用非黏性理想气体模型*MAT_NULL及* EOS_LINEAR_POLLYNOMIAL状态方程。线性多项式状态方程为

式中：P为爆轰压力；E为单位体积内能；V为相对体积。C0=C1=C2=C3=C6=0，C4=C5=0.4。

混凝土材料采用*MAT_SOIL_CONCRETE［4］模型，该模型能有效地模拟混凝土和土壤材料，参数设置为密度ρ=2.5 g/cm3，剪切模量E=12.5 GPa，体积弹性模量K= 16.67 GPa。

试验对炸药和空气采用Euler网格建模，单元使用多物质ALE算法［5］，对洞库壁面混凝土采用Lagrange网格建模。网格划分时，3种材料使用相同的单元尺寸。为准确描述洞库壁面和洞口空气的近似无线域介质，在混凝土4个壁面和洞口空气表面施加无反射边界。

3 结果分析

实验得到压力云图如图2、图3所示。

由图2、图3可知，对于洞库内爆流场早期传播特性，主要有以下特点：

1）爆炸起始阶段，由于爆炸点靠近地面，冲击波依次经历了地面、正向壁面和顶面3次反射，冲击波在经过底面和侧壁反射后向前上方传播，在传播过程中，顶面作为二次反射面冲击波超压是最大的，能量主要向洞库顶部聚集，这一点可以从图3中超压值最大的红色区域得到。

2）冲击波在洞库顶面发生反射后，一部分能量合并到前沿波阵面向前传播，一部分能量由于顶面法向反射，使前沿波阵面后的流场产生环流现象［6］，加剧了传播的不稳定性。

3）冲击波峰值超压所处位置随时间而变化，具体而言，有由侧面向中心移动，由顶部向底部移动的趋势。

图2 洞库内冲击波传播右视图

图3 洞库冲击波传播俯视图

在距离地面1.5 m的模型中轴线上取爆心距分别为5 m，10 m，15 m，20 m的4个点，通过LS-PROPOST后处理器得到4点处冲击波超压峰值如图4所示。

图4 不同爆心距冲击波超压

由图4可知，在爆心为10 m处，冲击波两次达到峰值，由此说明流场中冲击波的结构为前沿合成波阵面和后续紊乱环流波结构组成，称之为二元波次结构。从两次超压峰值的大小可知，后续紊乱环流波的能量较大，而能量较高的波速度也越大，说明在继续传播一定距离后，前后两列波将融合在一起，继而形成稳定的平面波向前传播，这一点吻合坑道内爆冲击波流场的传播规律。此外，爆心距20 m处冲击波超压峰值反而比其他三点处高，说明在洞库内爆流场的早期传播中，冲击波超压峰值与爆心距不成线性反比关系。

4 结束语

爆炸冲击波在洞库内传播在短距离内无法达到稳定，由于波阵面的不稳定性和空气的环流效应，冲击波超压与爆心距并不成线性比例关系，随着空气的非稳定流动，爆心距大的单元处超压峰值反而更高，这是与典型洞库内冲击波传播规律最大的不同。同时研究爆炸冲击波在洞库内传播，必须考虑二元波次的存在，洞库内冲击波能量在传播方向上分为前后两股能量，能量的大小为后续环流波的能量要大于前沿合成波的能量，这对于处于洞库内的物体来说意味着存在两次冲击动力响应。

［1］Hader H J.Design and Application of Reinforced ConcretearmouredDoors［C］//Proceeding of the 2th Symposium onthe Interaction of Nonnuclear Munitions with Structures.［S.l.］:Panama City Beach，FL，1985:494-499.

［2］杨科之，杨秀敏.坑道内化爆冲击波的传播规律［J］.爆炸与冲击，2003，23（1），37-40.

［3］Esparza E D，Aker w E，OldhamG A.Blast pressure inside and outside suppressive structures［R］.USA:southwest Research Institute，1975:8-14.

［4］蔺照东.井下巷道瓦斯爆炸冲击波传播规律及影响因素研究［D］.太原:中北大学，2014.

［5］Livermore Software Technology Corporation.LS-DYAN Keyword User's Manual（Version960）［Z］.Liver-more，2001.

［6］Igra O，Wu X，Falcovitz J，et al.Experimental and theoreticalstudy of shock wave propagation through ducts withabrupt changes in the flow direction［J］.Journal of FluidMechanics，2001（9）:255-282.

（责任编辑周江川）

Propagation Characteristic of Near-Earth Detonation Shock Wave in Underground Structure

SHI Cheng-ying，MEI Zong-shu，WANG Zheng，LU Chang-bing
（The Second Artillery Engineering University，Xi'an 710025，China）

This paper mainly studied the propagation characteristics of the TNT explosion shock waves in an only one side enclosed underground structure.Because of the short depth of the underground structure，the propagation was the early stage of the shock-wave which was non-stable under the condition of nearearth detonation.This study used numerical simulation method to conduct blast simulation test，and got the shock wave over pressure cloud and the pressure temporal curves，and summed up the characteristics of irregular reflection，circulation and dual wave inferior under the condition of near-earth explosion shock wave in the underground structure.

near underground explosion；underground structure；numerical modeling；propagation characteristics

石成英，梅宗书，王争，等.近地爆冲击波在洞库内的传播特性［J］.四川兵工学报，2015（11）：1-3.

format：SHI Cheng-ying，MEI Zong-shu，WANG Zheng，et al.Propagation Characteristic of Near-Earth Detonation Shock Wave in Underground Structure［J］.Journal of Sichuan Ordnance，2015（11）：1-3.

O347.5；TJ4

A

1006-0707（2015）11-0001-03

10.11809/scbgxb2015.11.001

2015-06-20

石成英（1964—），男，教授，博士生导师，主要从事战斗部工程研究；梅宗书（1991—），男，硕士研究生，主要从事兵器科学与技术研究。