水下爆炸中JWL状态方程的数值模拟研究

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工程科学与技术，国际期刊

（

2020

）

758

水下爆炸近远场效应数值模拟的JWL状态方程研究

Sourabh Koli

，P.Chellapandi

，Lokavarapu Bhaskara Rao

，Akshay Sawant

机械和建筑科学学院，

VIT

大学，

Chennai Campus

，

Vandal-Kelambakkam Road

，

Chennai 600127

，

Tamil Nadu

，印度

法雷奥印度私人有限公司，印度泰米尔纳德邦钦奈

Navallur Old Mahabaluram

INAE

，

Distinguished Professor

，

Department of Applied Mechanics

，

Indian Institute of Technology Madras

，

Chennai-600036

，

Tamil Nadu

，

India

阿提奇莱因福奥

文章历史记录：

2018年6月8日收到

2019年4月13日修订

2020

年

月

日接受

2020

年

月

日网上发售

关键词：

水下爆炸近场

效应

远场效应JWL方

程爆炸冲击波

A B S T R A C T

计算能力的快速增长使结构力学专家能够方便地对复杂的显式动力学、爆轰动力学、冲击动力学和爆炸分析进

行数值模拟。本文试图描述球形炸药在水中冲击波沿径向线的JWL状态方程

对几种烈性炸药爆后爆轰产物膨胀的计算进行了研究，提出了用

PVc

形式简化计算的方法，以减少计算的复杂

性，

水下爆炸现象的发生时间。近场效应对结构产生严重影响，导致结构局部变形和危害，而随着距离爆炸中心的

增大，爆轰产物的膨胀使爆炸效应减小。有强烈的需要，以隔离这种影响，找到结构的脆弱性取决于目标结构

距离爆炸中心。采用均相和非均相爆炸模型研究了典型球形高能炸药装药半径的变化通过参数分析，得到了区

分近场效应和远场效应的有效判据。文中给出了所有的计算结果，并进行了综合比较.

BY-NC-ND许可证（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。

介绍

爆炸是一个放热的化学反应过程，它将爆炸物质转化为高压高温

的产物气体，导致产生冲击波，由于高压脉冲对周围介质产生严重

影响。水下爆炸会形成一系列的事件，包括强烈的流固相互作用、

水下冲击波爆轰后会产生冲击波和膨胀的气泡，从而在水下产生很

高的压力这一过程是通过一系列连续的物理和化学反应完成的，释

放大量的热量，形成气体产物，能量以压力波的形式传播。因此，

水下爆炸通过破坏性的压力波对水上结构物造成显著的破坏性影

响，其作用范围可达远距离。

通讯作者。

电子邮件地址：

bhaskarbabu_20@yahoo.com

（

L. Bhaskara

Rao）。由Karabuk大学负责进行同行审查。

与空气相比，水具有相对较高的密度，这增加了水的惯性，并且使

其更难通过压力压缩。这两种特性使水成为深水爆炸水场中长距离冲击

波的良好导体。水下爆炸的效果取决于许多参数，如爆炸强度（即炸药

的能量）、目标距离和从水面到爆炸源的深度。根据爆炸源的深度不

同，水下爆炸可分为深水爆炸和浅水爆炸. LeMehaute、Bernard和王

申[1]给出了水下爆炸的深浅分类标准。一般情况下，深水爆炸在水面形

成的弹坑是微不足道的，而在浅水爆炸情况下，弹坑是值得考虑的。在

设计潜艇和反舰导弹时，这种效果尤为突出。在水下爆炸中，由于水在

水上结构上的运动以及冲击波的影响，效果可以被放大。相同药量的炸

药在水下爆炸时，压力波的衰减小于空气中的压力波衰减，其破坏力更

大。

水是不可压缩的性质，由于这一点，任何局部压力施加到一个特

定的区域的水

;

它将传播的形式波到其他部分的空间。这种现象

https://doi.org/10.1016/j.jestch.2020.01.007

出版社：

Elsevier B.V.

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S. Koli

等人

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产生具有大速度的压力波和产生涉及水的局部运动的如果该波是由

球形炸药爆轰产生的爆炸载荷产生的，则压力波的幅值从震源处开

始随着距爆轰点的径向直线距离的增加而迅速减小这就产生了球面

偏差的压力差，这就是所谓的喘振现象

[2]

。

爆轰波是在爆轰波阵面后方高能炸药内部发生的连续放热化学反应

产生的以超音速传播的冲击波。该激波阵面是固体高能炸药爆轰时气态

产物转化膨胀的结果。这一过程是瞬时发生的，产生的激波在球域内向

外径向传播.这就产生了一种速度远大于声速的冲击波，它从爆炸界面处

出来，冲击到水相区域。这种冲击波在以特定声速穿过水时迅速转变为

地震P波。Hempen首先使用“压力波”作为一个通用术语，用于描述波

在水中传播，而不管与震源的距离或冲击波的速度如何[3]。因此，内部

爆炸波被称为以超音速传播的冲击波，而当它到达水域时，它导致以音

速传播的压缩p波，称为压力波。压力波的到达可以通过压力瞬时上升

到尖锐峰值而容易地检测到，并且随后是相应压力波在水域中空间上的

指数衰减。这种实现尖峰压力和衰减效应的过程是几毫秒的量级。压力

波的峰值压力被假定为垂直于水中结构施加的准静态载荷，这对于找出

爆炸的破坏潜力是重要的[4]。

水下爆炸产生的压力波传播

研究人员主要关注爆炸和爆炸载荷对船体和潜艇等水下结构物的影

响的关键参数，以便对其进行保护

[5]

。近年来，随着计算能力的提

高和数值方法的发展，水下爆炸复杂场景的精确数值因此，需要研

究水下爆炸对高能炸药的爆轰效应、压力波的传播效应、爆轰产物

的膨胀效应以及水下爆炸的近场效应和

1.1.

水下爆炸研究

由于水下爆炸的作用，炸药爆炸产生的冲击波会对沉入水中的结

构物造成严重的破坏，进而淹没在水中。破坏的强度取决于压力波

的强度，而压力波的强度则取决于结构与爆炸点之间的特征距离

;

此

外，爆炸物本身具有特定的特性和质量。特别是，近场效应对结构

的破坏性质和程度非常严重，并且与远场效应的结构非常不同，因

为近场效应靠近爆炸物

水界面，而远场效应的结构保持在较远的距

离，因此由于波的衰减，效应的范围是中等的。根据目标结构与爆

炸中心之间的距离，水下爆炸效应可分为两类，即：爆炸近场效应

和爆炸远场效应近场效应包括产生突发高压波，引起附近结构的严

重破坏，局部变形引起爆轰现象，并在炸药边界内建立压力，达到

特定爆轰的

Chapman-Jouguet

（

C-J

）值在增加

距爆炸装药中心的径向距离开始减小，在某一点上，它只会使结构弹

性变形而不会破裂。因此，超过这一点的爆炸被称为爆炸的远场效应

[6]

。因此，目标距爆炸中心的距离是爆炸压力场的重要参数，为研

究水下爆炸载荷作用下结构的完整性评估和提供减震机制提供考虑到

球形爆炸作用下近场和远场效应的最终评价目标，必须准确评价从炸

药

水界面开始的爆炸源压力波

近场效应和远场效应有很大的不同，特别是在冲击波产生的机械效

应强度方面，在炸药近场中，它非常高，并且由于爆轰后气体产物的膨

胀而大大降低。在圆柱形爆炸装药的情况下，在炸药端部产生平波，随

着时间的推移，该波将在装药端部的爆轰气体产物的侧向膨胀的影响下

弯曲成半球形构型[7]。

近场爆炸会对爆炸附近的结构产生破坏性的影响，引起目标的强

烈流固相互作用，从而形成空化和气泡，导致水下爆炸中的高峰值压

力。为了研究含铝炸药和非含铝炸药对水中结构物的冲击波作用，建

立了含铝炸药和非含铝炸药对水中结构物冲击波作用的模型靶关系。

通过这些实验获得的实验结果对于开发和成功部署水下爆炸模拟数值

模型至关重要，该模型可作为研究近场对目标几何形状影响的基准

[8]

。

爆炸引起的动荷载作用于邻近结构的荷载-结构相互作用是一个复杂

的问题，并且随情况的不同而变化。通过数值模拟和实验分析[9利用水

下冲击波的传播效应，在金属成形、爆炸焊接等先进制造工艺中得到了

越来越多的重视。因此，为了有效地完成该制造过程，必须利用近场

和远场效应的概念来控制水下冲击波传播现象。

为了研究爆炸远场效应，爆炸载荷中的附加结构一般与炸药本身的

特征半径有一个或多个数量级的距离。爆炸荷载对整个结构产生冲击作

用，因此更复杂的大部分结构相互作用问题需要建模。研究了水下爆炸

装置近场爆轰作用在近距离被淹没混凝土壁上的效应，对于由其质量确

定的特定爆炸装置，近场作用范围由最小折合半径来体现，在最小折合

半径下，由于近场爆轰产生的高压，绝热特性显著。在LS-DYNA中采

用任意拉格朗日欧拉（ALE）算法，数值研究了炸药质量和爆点与目标

距离对混凝土墙损伤深度的影响，并对结果进行了实验验证[14]。了解

炸药特性及其对爆炸波传播的影响一直是研究中的课题，对设计和安全

措施具有重要作用[15

目前使用的炸药数值模型包括壳体有限元和材料行为，从准静态模

型到不可避免的非线性模型。在炸药爆轰时，在炸药近场引入的结构将

承受高应力或高应力，

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科利等其他

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应变率，但由于能量的考虑，这种高强度的影响将持续非常短的时间以

及非常短的距离[19]。

1.2.

这些研究的重要性

在水下爆炸中，有必要区分远场效应和近场效应。本文试图建立区

分水下爆炸近场效应和远场效应的判据。根据这些远场和近场效应准

则，可以预测淹没在水中的结构对爆炸载荷的易损性。本研究也提供了

更简化的方法，远场效应使用简单的模型进行数值研究取决于结构和炸

药的距离。对于舰船、潜艇和水下结构物的设计和抗冲击防护具有重要

的意义。本文比较了常用的JWL（John-Wilkins-Lee）方程对爆轰产

物膨胀的影响，研究了典型炸药爆轰产物的后续行为。推荐了用绝热指

数简化JWL状态

（

）绝热膨胀

形式

爆炸产物

用均质炸药模型研究远场效应，用各种高能炸药的内能强度和绝热

JWL

曲线进行比较，从而了解高能炸药的毁伤潜力。

1.3.

炸药特性模拟简化方法的必要性

在水下爆炸问题的数值模拟中，取决于爆炸参数，即爆轰、爆轰后

产生的热气体的膨胀、冲击波的传播等，以及所用炸药的特性，都是重

要的参数。因此，爆炸后产生的突然破坏结构的机械效应是特定炸药的

这些特性的结果。根据所关注的效应，即结构受到远场或近场效应的影

响，冲击波的后续破坏潜力会发生变化。因此，快速、简便、有效的数

值模型是研究远场效应的必要条件。因此，从距离和炸药特性参数的顺

序来看待水下爆炸，需要采用更为简化的方法。爆轰产物膨胀所用的状

态方程对水相区域内冲击波速度和峰值压力的产生起着至关重要的作

用。该状态方程对爆轰后产物气体膨胀的影响需要进行评估，以开发更

有效的数值模型。

1.4.

本文件的范围

对现有炸药模型的爆轰过程和冲击波动力学的分析和实验研究一

直是一项艰巨的任务，在计算中除了风险和环境危害外，还可能存

在实验和人为误差对这一多维、多学科问题进行数值模拟是研究水

下爆炸冲击波传播的一种有效、经济、快捷的方法。研究高能炸药

水下爆炸的力学效应，确定爆炸物周围空间变化对水上结构物的损

伤潜力，是进行水下爆炸物损伤评估的必要手段，具有重要的国

防、民用和学术意义。本工作的目的是（一）。通过对典型炸药

JWL

曲线和爆轰产物相对膨胀的比较，研究了常用炸药的特性

高爆炸性，（二）。通过对水下爆炸近场和远场效应的

JWL

方程的

解析研究，建立了简化方法的应用准则。为了确定水下爆炸现象中压

力波的传播特性及相关的力学效应，即压力波的传播特性。从爆炸

物

水界面开始的水场中的空间和时间峰值压力变化和速度分布

;

根据

机械效应建立区分近场和远场效应的标准。

1.5.

用

JWL

方程模拟近场和远场效应

为了研究水下爆炸的近场和远场复杂效应，必须了解典型炸药的特

性和所用爆轰产物的传播状态方程。在用于水下爆炸的大多数炸药中，

世界范围内经常使用的典型高爆炸药是TNT（三硝基甲苯）、PETN

（五甘醇四硝酸酯）、SEP和C4。因此，借助于JWL方程，可以比较

它们的参数，以判断它们在爆炸和产物气体

描述高能炸药爆轰气体产物膨胀的状态方程有多种，但由于JWL状

态方程流体力学计算简单，且计算结果与实验结果基本一致，许多标准

程序采用JWL状态方程进行数值模拟。JWL状态方程包含描述爆轰产物

体积、能量和压力之间关系的参数。这些参数是通过爆轰产物的金属圆

柱膨胀试验确定的。在时间间隔内释放的化学能储存在炸药本身的燃烧

产物中。燃烧产物被假定为经历绝热热力学过程的均匀气体，该绝热热

力学过程由Jones-Wilkins-Lee（JWL）状态方程定义。JWL状态方程

的主要价值在于它能够准确地描述" C-J发表于[20]。JWL方程由爆轰

产物等熵附近的内能E展开得到[21]。

JWL EOS表示为

因此，JWL状态方程可用于计算具有空间和瞬态变化的爆轰产物压

力。这里，V代表相对体积，该表达式将压力P与相对体积联系起来。

有效

比容V

和能量

。

这里，

比容

是炸药初始密度的倒数，比容

是自变量。能量项

包含化学键能以

及与流动的动量方面相关的动能

和

是压力系数，而

和

是主特征

值和次特征值，分别描述爆炸产物的短程和长程行为。参数

“x”

是对

压力有然而，用

代替

（比容）

（装载密度）将这些表达式转

换为比容

[16]

。对有限数量的炸药进行了严格的比较，其中系数是通

过将方程与实验

C-J

条件、量热数据和圆柱体试验数据

1.6.

问题的定义

研究了高爆炸性物质PETN、TNT和SEP的球形装药在不同装药半

径下的深水爆炸数值模拟。

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