01简介

(资料图片仅供参考)

目的：

演示Radioss水下爆炸模拟(二维模拟)用于介绍模拟水下爆炸冲击波的方法回答客户常见问题：”使用哪种状态方程（EOS）来模拟水？”建立水下爆炸的验证模型

目标：

海军国防应用客户

参考：

Moon, Seok-Jun, Jeong-Il Kwon, Jin-Woo Park, and Jung-Hoon Chung. “Assessment on shock pressure acquisition from underwater explosion using uncertainty of measurement.” International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering 9, no. 6 (2017): 589-597.https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2092678216307002

02什么是水下爆炸?

在这项研究中，目标是模拟“蓝色”冲击波：

03实验测试配置

在直径22m、水深15m的水池中进行了水下爆炸试验。在水池中心安装了1kg炸药（TNT），并在半径2m、4m和6m处安装了三个水下压力传感器。炸药和传感器的安装深度为5m。

04试验数据

选用No 2. 系统传感器的值（采集数据质量最好）只捕捉到入射冲击波波以音速传播时间=0处似乎与爆炸时间不同

05Cole科尔理论

冲击波阵面上的峰值压力取决于炸药装置的尺寸以及与测量压力的设备和炸药装置之间的距离。峰值压力由Cole*（1948）的经验公式估算：

这里K=52,4 ；A=1,13 用于描述TNT,W是炸药的重量（单位 kg）；R是炸药与目标之间的距离，单位为米。

理论和实验结果有很好的相关性

*Cole, R.H., 1948. Underwater Explosions. Princeton University Press, Princeton.

06Radioss 建模

几何，网格和边界

Radioss 版本 2020

模型单位: g, mm, ms, MPa

2D轴对称模拟 （绕z轴旋转对称）

不考虑重力

5m深度处的压力被认为是均匀的: P_0=0,149MPa

图中绿色边界使用/BCS约束X，Y，Z，用于描述水池边界考虑为刚体。QUAD实体网格5mm x 5mm •共计7 700 000 个单元

注意 : 在空气域顶部添加无反射边界，在这个模拟中压力波可以在这个方向自由扩散（自由面）

炸药装药模型

几何

炸药 1kg TNT. •爆炸装置应该是球形的；

TNT 的密度为 ρ_0=0,0016g.mm^(-3) ；

因此，炸药的爆炸半径是R=∛(3V/4π)=53mm

TNT 材料卡片

TNT材料使用 Radioss中 /MAT/JWL的状态方程:

水域模拟

NASG EOS状态方程

这个状态方程主要用于模拟水下爆炸中的水体，它是由O. Le Métayer & R. Saurel 在 2016提出:

液态参考状态 :ρ0 = 957.74 kg/m3, P0 = 1.0453 bar, c0 = 1542 m/s.

有效性: T in [300 − 500 K]

这个状态方程在Radioss中可以和材料卡片 /MAT/HYDRO & /EOS/NASG一起使用 (自Radioss 2020版本):

空气域模拟

空气可以考虑为理想气体，使用理想气体状态方程

这个状态方程在Radioss 中也可以和材料卡片 /MAT/HYDRO & /EOS/IDEAL-GAS一起使用:

多物理材料

/MAT/LAW151 (MULTIFLUID)

模型中由三种不同的材料，水体，空气和TNT。

选用Radioss最新的多物理材料LAW151来模拟，这种多流体材料专门用于爆炸、流阻波传播分析和高马赫数流体流动。

典型的数值准则是在水中加入一些比例的空气。

07NASG 状态方程和水液混合模拟结果

模拟结果 – 压力

点火后，冲击波呈球状传播。当冲击波与空气-水交界面相遇时，稀疏波在界面向水中反射，这是因为水的阻抗比空气的阻抗高。

模拟结果 – 压力峰值

这张图显示了Radioss仿真结果：冲击波的扩散。

在Radioss仿真中的传播和峰值压力遵循科尔理论（数值稍微偏低）。

压力传感器和仿真中压力的比对

Radioss仿真结果和试验数据以及理论相关性

Impulse over 1ms (MPa.ms)

即使没有捕捉到峰值压力冲击波，Radioss 的总体行为与实验结果有很好的相关性。

不管怎样，重点考虑的威胁是冲击（即曲线下的面积），而不是峰值压力。Radioss 能准确评估冲击（误差<10%）。

总结

这项研究表明 Altair Radioss 能准确模拟水下爆炸冲击波的传播。

模拟水下爆炸的推荐使用/MAT/LAW151 :

•/MAT/JWL材料用于TNT

•/EOS/IDEAL-GAS用于空气的状态方程

•/EOS/NASG用于水下爆炸中的水体（混合0.01%的空气）状态方程

这项研究表明/MAT/LAW151也适用于马赫数为1（低马赫）的水下爆炸模拟。

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