• ISSN 1001-1455  CN 51-1148/O3
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甲烷-空气爆燃驱动的爆炸荷载模拟装置研发Ⅱ——爆炸波演化规律与加载方案设计

李展 方秦 颜海春 相恒波 刘明君

李展, 方秦, 颜海春, 相恒波, 刘明君. 甲烷-空气爆燃驱动的爆炸荷载模拟装置研发Ⅱ——爆炸波演化规律与加载方案设计[J]. 爆炸与冲击. doi: 10.11883/bzycj-2025-0355
引用本文: 李展, 方秦, 颜海春, 相恒波, 刘明君. 甲烷-空气爆燃驱动的爆炸荷载模拟装置研发Ⅱ——爆炸波演化规律与加载方案设计[J]. 爆炸与冲击. doi: 10.11883/bzycj-2025-0355
LI Zhan, FANG Qin, YAN Haichun, XIANG Hengbo, LIU Mingjun. Development of a methane-air deflagration-driven blast wave simulator Ⅱ: blast wave evolution and experimental design[J]. Explosion And Shock Waves. doi: 10.11883/bzycj-2025-0355
Citation: LI Zhan, FANG Qin, YAN Haichun, XIANG Hengbo, LIU Mingjun. Development of a methane-air deflagration-driven blast wave simulator Ⅱ: blast wave evolution and experimental design[J]. Explosion And Shock Waves. doi: 10.11883/bzycj-2025-0355

甲烷-空气爆燃驱动的爆炸荷载模拟装置研发Ⅱ——爆炸波演化规律与加载方案设计

doi: 10.11883/bzycj-2025-0355
基金项目: 国家自然科学基金(52278544,52008392)
详细信息
    作者简介:

    李 展(1990― ),男,副教授,lz.9008@163.com

    通讯作者:

    方 秦(1962― ),男,教授,fangqinjs@139.com

  • 中图分类号: O382; TU362

Development of a methane-air deflagration-driven blast wave simulator Ⅱ: blast wave evolution and experimental design

  • 摘要: 针对传统爆炸荷载模拟装置危险性高、成本较高、模拟荷载种类受限等问题,基于已有试验装置,研发安全、经济、适用于原型或大比例尺试验的甲烷-空气爆燃驱动爆炸荷载模拟装置。采用CFD软件OpenFOAM建立大尺寸管道内甲烷-空气爆燃数值计算模型,并通过试验数据验证其有效性;数值模拟分析了气云长度、泄爆条件和障碍物布置等参数对超压荷载特性的影响,揭示了装置内爆炸波传播与火焰演化机制,确定了优化的加载技术方案。研究表明,建立的数值模型可合理预测大尺寸管道内甲烷-空气爆燃的超压-时程和空间分布;增大气云长度、合理设置近点火点的障碍物可显著增强装置内燃气爆燃强度,侧向泄爆可得到较高的爆炸荷载并有效分离压力波和火焰,避免加载面处的高温干扰;最终提出了基于4个障碍物(障碍率为1×50%+3×25%,间距为3 m)及可变气云长度(1.5~6 m)的爆炸荷载模拟加载方案。试验验证表明产生的超压荷载峰值与数值预测结果的误差小于12%,荷载均匀性良好,重复性高,可用于RC(reinforced concrete)板等构件的抗爆性能试验。
  • 图  1  大尺寸管道燃气内爆炸试验系统

    Figure  1.  Experimental system of gas explosion in large-scale tubes

    图  2  大尺寸管道的燃气内爆炸试验布置示意图

    Figure  2.  Schematic diagram of test setup

    图  3  管内超压荷载时程曲线

    Figure  3.  Overpressure loads of gas explosion in large-scale tubes

    图  4  数值计算模型

    Figure  4.  Computational domain, boundary and initial conditions of numerical model

    图  5  数值计算与试验数据的对比

    Figure  5.  Comparison between testing data and numerical predictions

    图  6  数值计算模型示意图

    Figure  6.  Schematic diagram of numerical models

    图  7  不同的泄爆形式

    Figure  7.  Venting configurations

    图  8  障碍物尺寸示意图

    Figure  8.  Dimensions of obstacles

    图  9  数值模型布置示意图

    Figure  9.  Configurations of numerical models

    图  10  K6工况超压与燃烧进程时程曲线

    Figure  10.  Overpressure-time histories and combustion progress of Case K6

    图  11  K6工况火焰、超压、流速与燃烧率云图对比

    Figure  11.  Flame, overpressure, velocity and combustion rate contours of case K6

    图  12  不同泄爆条件下加载面处超压荷载对比

    Figure  12.  Comparison of overpressure loads with different venting conditions

    图  13  不同泄爆条件下加载面处超压荷载分布

    Figure  13.  Distribution of overpressure loads with different venting conditions

    图  14  障碍物间距的影响

    Figure  14.  Effect of obstacle gap

    图  15  障碍物数量的影响

    Figure  15.  Effect of t obstacle number

    图  16  不同阻塞率条件下加载面处超压荷载对比

    Figure  16.  Comparison of overpressure loads with different blockage ratio

    图  17  不同气云长度条件下加载面处超压荷载时程曲线

    Figure  17.  Comparison of overpressure loads with different gas cloud length

    图  18  加载面处超压峰值随气云长度的变化

    Figure  18.  Effect of gas cloud length on the overpressure peak of loading area

    图  19  爆炸超压荷载与自由场TNT爆炸反射超压荷载时程的对比

    Figure  19.  Comparison of overpressure load between simulated load and TNT explosions

    图  20  加载面处爆炸荷载试验与数值计算结果的对比

    Figure  20.  Comparison of overpressure load between testing data and numerical prediction

    图  21  相同工况不同试验加载面处超压荷载时程曲线的对比

    Figure  21.  Comparison of overpressure load generated by different tests with the same setup

    图  22  1.5 m气云工况RC板抗爆试验

    Figure  22.  Explosion test of RC slab (1.5 m gas cloud length case)

    图  23  3 m气云工况RC板抗爆试验

    Figure  23.  Explosion test of RC slab (3 m gas cloud length case)

    表  1  数值计算工况表

    Table  1.   Cases considered in numerical simulation

    模型布置 气云长度/m
    1.5 2 3 6 9 12 15 18
    A、B、C、D
    B、E
    E、F、G、H、I、J
    E、K、L、M、N
    K
     注:√表示对应的工况在数值计算中已实施。
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  • [1] 姚术健, 王延靖, 陈奕恺, 等. 等效模拟爆炸加载试验技术研究进展 [J]. 爆炸与冲击, 2026, 46(4): 041101. DOI: 10.11883/bzycj-2025-0040.

    YAO S J, WANG Y J, CHEN Y K, et al. A review of equivalent loading test techniques for simulating explosion load [J]. Explosion and Shock Waves, 2026, 46(4): 041101. DOI: 10.11883/bzycj-2025-0040.
    [2] 王正国, 孙立英, 杨志焕, 等. 系列生物激波管的研制与应用 [J]. 爆炸与冲击, 1993, 13(1): 77–83. DOI: 10.11883/1001-1455(1993)01-0077-7.

    WANG Z G, SUN L Y, YANG Z H, et al. The design production and application of a series of Bio-Shock tubes [J]. Explosion and Shock Waves, 1993, 13(1): 77–83. DOI: 10.11883/1001-1455(1993)01-0077-7.
    [3] 冷华光, 王正国, 杨志焕, 等. 生物激波管及动物耐受性的实验研究 [J]. 爆炸与冲击, 1993, 13(3): 272–279. DOI: 10.11883/1001-1455(1993)03-0272-8.

    LENG H G, WANG Z G, YANG Z H, et al. A Biological shock tube and an experimental study on animal tolerance to blast wave [J]. Explosion and Shock Waves, 1993, 13(3): 272–279. DOI: 10.11883/1001-1455(1993)03-0272-8.
    [4] 康越, 张仕忠, 张远平, 等. 基于激波管评价的单兵头面部装备冲击波防护性能研究 [J]. 爆炸与冲击, 2021, 41(8): 085901. DOI: 10.11883/bzycj-2020-0395.

    KANG Y, ZHANG S Z, ZHANG Y P, et al. Research on anti-shockwave performance of the protective equipment for the head of a soldier based on shock tube evaluation [J]. Explosion and Shock Waves, 2021, 41(8): 085901. DOI: 10.11883/bzycj-2020-0395.
    [5] 鲍磊, 王鹏, 党茜, 等. 石化装置工业尺度管道爆轰传播实验研究 [J]. 爆炸与冲击, 2021, 41(9): 095401. DOI: 10.11883/bzycj-2020-0295.

    BAO L, WANG P, DANG Q, et al. Experimental study on detonation propagation in industrial scale pipelines used in petrochemical plants [J]. Explosion and Shock Waves, 2021, 41(9): 095401. DOI: 10.11883/bzycj-2020-0295.
    [6] 任辉启, 王世合, 周松柏, 等. 大型爆炸波模拟装置研制及其应用 [C]//第十六届全国激波与激波管学术会议论文集. 洛阳: 中国力学学会激波与激波管专业委员会, 2014: 10–22.
    [7] 刘瑞朝, 任辉启, 徐翔云. 大型爆炸激波管数值模拟 [J]. 防护工程, 2009, 31(1): 31–35.

    LIU R C, REN H Q, XU X Y. Numerical simulation of large blast simulators [J]. Protective Engineering, 2009, 31(1): 31–35.
    [8] 刘瑞朝, 周松柏. 大型爆炸激波管出口段爆炸波传播的数值模拟 [C]//第2届全国工程安全与防护学术会议论文集. 洛阳: 中国岩石力学与工程学会, 2010: 740–744.
    [9] CHEN Z, REN H Q, NING H J, et al. Analysis of flow field in a blast simulator combined-driven by explosive charge and compressed gas [J]. Frontiers in Earth Science, 2023, 10: 1094415. DOI: 10.3389/feart.2022.1094415.
    [10] 张军, 黄含军, 王军评, 等. 炸药驱动式爆炸管的载荷计算 [J]. 装备环境工程, 2021, 18(5): 21–27. DOI: 10.7643/issn.1672-9242.2021.05.004.

    ZHANG J, HUANG H J, WANG J P, et al. Simulation on the blast load inside the explosively drived shock tube [J]. Equipment environmental engineering, 2021, 18(5): 21–27. DOI: 10.7643/issn.1672-9242.2021.05.004.
    [11] 陈梓薇, 王仲琦, 曾令辉. 基于BP神经网络的爆炸用激波管峰值压力预测方法 [J]. 爆炸与冲击, 2024, 44(5): 054101. DOI: 10.11883/bzycj-2023-0187.

    CHEN Z W, WANG Z Q, ZENG L H. A method for predicting peak pressure in an explosion shock tube based on BP neural network [J]. Explosion and Shock Waves, 2024, 44(5): 054101. DOI: 10.11883/bzycj-2023-0187.
    [12] 汪维, 任辉启, 康冬丽, 等. 大型爆炸波模拟装置大气室多膜片驱动器驱动数值模拟研究 [C]//第十六届全国激波与激波管学术会议论文集. 洛阳: 中国力学学会激波与激波管专业委员会, 2014: 614–621.
    [13] GAN E C J. Experimental and numerical investigation of shock wave propagation in an advanced blast simulator [D]. Wollongong: University of Wollongong, 2020.
    [14] 张坤玉, 陈德, 吴昊. 高压气体驱动激波管的数值模拟与参数影响分析 [J]. 高压物理学报, 2023, 37(3): 033301. DOI: 10.11858/gywlxb.20220704.

    ZHANG K Y, CHEN D, WU H. Numerical simulation and parametric analysis of high-pressure gas-driven shock tube [J]. Chinese Journal of High Pressure Physics, 2023, 37(3): 033301. DOI: 10.11858/gywlxb.20220704.
    [15] 周岳兰, 裴鲁, 龙仁荣, 等. 激波管内压力脉冲演化特性及模拟空爆冲击波的方法研究 [J]. 兵工学报, 2023, 44(12): 3815–3825. DOI: 10.12382/bgxb.2023.0284.

    ZHOU Y L, PEI L, LONG R R, et al. Study on the evolution characteristics of pressure pulse in shock tube and a method of simulating air explosion shock wave [J]. Acta Armamentarii, 2023, 44(12): 3815–3825. DOI: 10.12382/bgxb.2023.0284.
    [16] 程帅, 童念雪, 刘文祥, 等. 基于高压气体驱动的爆炸波模拟激波管冲击波衰减历程控制方法 [J]. 爆炸与冲击, 2024, 41(10): 052201. DOI: 10.11883/bzycj-2023-0094.

    CHENG S, TONG N X, LIU W X, et al. A control method for attenuation history of shock wave generated by blast simulation shock tube based on high pressure gas driving technic [J]. Explosion and Shock Waves, 2024, 41(10): 052201. DOI: 10.11883/bzycj-2023-0094.
    [17] GAN E C J, REMENNIKOV A, RITZEL D V. Blast waveform tailoring using controlled venting in blast simulators and shock tubes [J]. Defence Technology, 2024, 37: 14–26. DOI: 10.1016/j.dt.2023.11.026.
    [18] GAN E C J, REMENNIKOV A, RITZEL D, et al. Approximating a far-field blast environment in an advanced blast simulator for explosion resistance testing [J]. International Journal of Protective Structures, 2020, 11(4): 468–493. DOI: 10.1177/2041419620911133.
    [19] 张仕忠, 李进平, 康越, 等. 激波管模拟产生近场爆炸冲击波 [J]. 爆炸与冲击, 2024, 44(12): 121434. DOI: 10.11883/bzycj-2024-0204.

    ZHANG S Z, LI J P, KANG Y, et al. Generation of near-field blast wave by means of shock tube [J]. Explosion and Shock Waves, 2024, 44(12): 121434. DOI: 10.11883/bzycj-2024-0204.
    [20] 郭丁, 孙渊博, 葛云心, 等. 基于大型激波管氢氧爆轰驱动方式产生冲击波波形调控的数值模拟 [J]. 爆炸与冲击, 2025, 45(9): 092102. DOI: 10.11883/bzycj-2024-0300.

    GUO D, SUN Y B, GE Y X, et al. Numerical study of shock wave generated by hydrogen-oxygen detonation in a large shock tube [J]. Explosion and Shock Waves, 2025, 45(9): 092102. DOI: 10.11883/bzycj-2024-0300.
    [21] 方秦, 李展, 陈力, 等. 地下综合管廊空间内燃气爆炸模拟试验装置和系统: CN202010047344.3 [P]. 2022-06-09.
    [22] LI Z, CHEN L, YAN H C, et al. Gas explosions of methane-air mixtures in a large-scale tube [J]. Fuel, 2021, 285: 119239. DOI: 10.1016/j.fuel.2020.119239.
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出版历程
  • 收稿日期:  2025-11-03
  • 修回日期:  2026-01-15
  • 网络出版日期:  2026-01-21

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