爆炸与冲击问题的大规模高精度计算(4)
表1中,Keb,Kee,Jeb,Jee,Ieb,Iee为计算起始位置.
表1 伪代码Table 1 The pseudo codeSequential code Parallel code do k=Keb,Kee do j=Jeb,Jee do i=Ieb,Iee x-direction transport y-direction transport z-direction transport enddo do k=Keb,Kee do j=Jeb,Jee do i=Ieb,Iee x-direction transport enddo update variables do k=Keb,Kee do j=Jeb,Jee do i=Ieb,Iee y-direction transport enddo update variable do k=Keb,Kee do j=Jeb,Jee do i=Ieb,Iee z-direction transport enddo update variable
图13给出了60°锥角聚能装药的考核算例,共有2473万个网格,计算得到的射流形状及射流头部速度模拟结果与实验结果吻合较好,验证了并行程序求解工程实际问题的能力.
图13 聚能射流数值模拟结果(b)与实验结果(a)的对比Fig.13 The shaped jet results of numerical simulation(b)compared with experimental results(a)
4 大口径聚能装药侵彻混凝土靶的数值模拟及实验研究
根据上述所研究的数值方法和程序,开展了聚能装药侵彻混凝土靶的数值模拟研究.当前,对于该类问题的研究,特别是实验工作,大多是采用小口径的药型罩[28-29],因此无法反映混凝土的尺度效应的影响.为此,对不同锥形药型罩成型过程进行了数值模拟研究[30],设计了一种能够侵彻厚混凝土靶板的大口径聚能装药结构.药型罩的口径为300mm,锥角为90°,药型罩壁厚为16mm,装药高度为480mm,炸药采用常用的B炸药,装药量为35.7kg,壳体厚度为10mm(聚能装药结构图见图14).
图14 聚能装药结构及尺寸Fig.14 The structure and size of shaped charge
为了分析靶板的尺寸效应,采用自主开发的软件进行了4种尺寸混凝土靶侵彻效应的数值模拟研究,靶板直径分别为2m,3m,4m,5m.从数值模拟结果可以看出,对于小于4m直径的靶板,在射流侵彻过程中依然有可能会造成整体靶板破碎;直径4m及以上的靶板在侵彻过程中混凝土没有出现大面积损伤,能够满足实验要求.图15为大口径聚能装药侵彻4m直径混凝土靶板的数值模拟结果.侵彻初期,数值模拟结果表明混凝土表面的压缩破坏区面积较大,开坑孔径较大,如图15(a);随着侵彻的进行,压缩破坏区仅存在于侵彻体的头部附近,这一过程形成一个孔洞隧道区,孔洞直径基本一致,如图15(b).
图15 大口径聚能装药侵彻4m直径混凝土靶的数值模拟结果Fig.15 Numerical simulation results of heavy-caliber shaped charge penetration in 4m diameter concrete target
对数值分析得到的4m混凝土靶进行实验研究.混凝土靶板的尺寸为长4m,宽4m,深度为2m,混凝土整体处于地面以下,混凝土底部垫有0.5m厚的沙石,混凝土的周边采用钢筋抱箍.爆炸之后,聚能射流将混凝土靶板穿透,留下一个直径为16cm的孔洞,靶板表面出现了许多细小裂纹,靶板的整体保存完好,未出现整体破坏.爆炸后的实验结果如图16(a)所示,数值模拟最终结果如图16(b)所示.数值模拟结果与实验结果较为符合,实验的混凝土表面的开坑口径也较大,后期也主要是一个孔径基本一致的隧道区.在侵彻深度方面,数值模拟未能将混凝土穿透,侵彻深度为1.74cm,而实验将整个混凝土靶板穿透,数值模拟结果略低于实验值;在侵彻孔径方面,数值模拟得到的侵彻孔径为上半部分为22.6cm,下半部分为14.2cm,而实验测得值为上半部分为16.8cm,下半部分为14.5cm.在下半部分数值模拟与实验吻合较好,而在上半部分数值模拟结果略大于实验值.造成侵彻深度低于实验值以及上半部分侵彻孔径高于实验值的原因主要是数值模拟中对混凝土采用了连续介质假设,这无形中加强了混凝土的强度,导致了侵彻深度的下降.上半部分的混凝土在破坏之后还呈现连续状态,随着侵彻的进行,孔洞在逐渐增加.但总体而言,该数值模拟技术能够较好地模拟侵彻类问题,其结果与实验也较为一致.
图16 实验结果与数值模拟结果对比Fig.16 Experimental results compared with numerical ones
6 结论
(1)提出了求解三维双曲守恒系统激波、接触间断等奇异性问题的伪弧长方法,数值模拟结果验证了该方法的有效性和通用性,使求解精度得到保证,该方法的提出对于提高冲击波强间断处数值模的分辨率具有重要意义;
(2)发展了一种隐--显式附加龙格--库塔算法,该算法对非刚性对流项进行显式处理,源项用半隐式格式处理,整体具有高精度和L稳定性.利用基元反应模型对气相爆轰问题进行了数值研究.结果表明该算法能够很好地处理源项引起的刚性问题,准确的捕捉和描述爆轰波的复杂结构和典型特征;
文章来源:《爆炸与冲击》 网址: http://www.bzycjzz.cn/qikandaodu/2021/0709/1298.html