【摘要】：氣體爆炸現(xiàn)象廣泛發(fā)生在日常生活、工業(yè)生產(chǎn)以及軍事作戰(zhàn)等場(chǎng)景中,研究氣相爆炸沖擊問(wèn)題對(duì)于預(yù)防以及減少生活中、工業(yè)生產(chǎn)運(yùn)輸中的爆炸災(zāi)害,提高相關(guān)軍事武器的威力等方面具有重要意義。隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)和數(shù)值計(jì)算的快速發(fā)展,數(shù)值模擬已然成為研究氣體爆炸的一種重要方式。物質(zhì)點(diǎn)法(Material Point Method,MPM)采用拉格朗日質(zhì)點(diǎn)和歐拉網(wǎng)格雙重描述,兼具拉格朗日法和歐拉法的優(yōu)點(diǎn),避免了拉格朗日網(wǎng)格方法計(jì)算大變形問(wèn)題時(shí)的網(wǎng)格畸變問(wèn)題,解決了歐拉網(wǎng)格方法耦合困難、數(shù)值耗散的問(wèn)題。鑒于物質(zhì)點(diǎn)法在沖擊、接觸、流固耦合等涉及大變形和材料破壞的問(wèn)題中具有明顯的優(yōu)勢(shì),本文在較深入地研究了物質(zhì)點(diǎn)法后,編寫(xiě)了一套關(guān)于氣體爆炸沖擊的物質(zhì)點(diǎn)法計(jì)算程序,將物質(zhì)點(diǎn)法拓展到可燃性氣體爆炸沖擊問(wèn)題的數(shù)值模擬中。本文推導(dǎo)了物質(zhì)點(diǎn)法控制方程;映射函數(shù)選用線(xiàn)性插值函數(shù);為了避免插值函數(shù)不連續(xù)導(dǎo)致的數(shù)值噪聲問(wèn)題,引入了廣義插值物質(zhì)點(diǎn)法(GIMP);基于物質(zhì)點(diǎn)法和氣體爆炸的相關(guān)知識(shí)編寫(xiě)了一套計(jì)算程序來(lái)模擬可燃性氣體的爆轟�？扇夹詺怏w的爆轟模型選用點(diǎn)火增長(zhǎng)模型,狀態(tài)方程選用理想氣體狀態(tài)方程,并引入了人工體積粘性起到光滑間斷面的作用。運(yùn)用物質(zhì)點(diǎn)法程序?qū)σ胰?空氣混合氣體的爆轟過(guò)程進(jìn)行了計(jì)算,數(shù)值計(jì)算的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值誤差在10%以?xún)?nèi),吻合較好,說(shuō)明了物質(zhì)點(diǎn)法在計(jì)算氣體爆轟問(wèn)題時(shí)具有較高的可行性。為了更準(zhǔn)確的描述可燃性混合氣體的狀態(tài),將理想氣體狀態(tài)方程改為阿貝爾狀態(tài)方程進(jìn)行計(jì)算,結(jié)果表明,阿貝爾狀態(tài)方程具有更高的準(zhǔn)確性。隨后根據(jù)氣體爆炸相關(guān)知識(shí)編寫(xiě)Fortran小程序來(lái)計(jì)算不同成分的混合氣體爆炸參數(shù),如甲烷-空氣,乙烷-空氣等,得到的參數(shù)代入物質(zhì)點(diǎn)法程序中計(jì)算了4種混合氣體的最大爆炸壓力,與實(shí)驗(yàn)值的誤差均在10%以?xún)?nèi),說(shuō)明物質(zhì)點(diǎn)法在計(jì)算不同的可燃性混合氣體時(shí)具有很好的適應(yīng)性。運(yùn)用物質(zhì)點(diǎn)法計(jì)算了不同濃度的乙炔-空氣混合氣體爆炸的情況,結(jié)果表明,濃度為9.7%(約為化學(xué)當(dāng)量濃度的1.25倍)時(shí),該混合氣體的最大爆炸壓力最大。運(yùn)用物質(zhì)點(diǎn)法對(duì)比了有無(wú)障礙物兩種情況對(duì)于氣體爆炸威力的影響,結(jié)果表明,爆轟波傳播到障礙物附近時(shí),爆炸壓力增長(zhǎng)很大。最后建立了固體材料的本構(gòu)模型、狀態(tài)方程和損傷模型,進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)分析,物質(zhì)點(diǎn)法計(jì)算時(shí),固體和流體在同一求解域內(nèi),流固耦合算法十分簡(jiǎn)便,適用于求解與氣體爆炸相關(guān)的流固耦合問(wèn)題。物質(zhì)點(diǎn)法的研究尚處于起步階段,還有許多地方有待完善。目前,以物質(zhì)點(diǎn)法為算法的數(shù)值分析軟件相當(dāng)罕見(jiàn),開(kāi)發(fā)爆炸沖擊方面的物質(zhì)點(diǎn)法程序具有重要意義。本文將物質(zhì)點(diǎn)法擴(kuò)展到氣體爆炸計(jì)算問(wèn)題中,進(jìn)一步完善和發(fā)展物質(zhì)點(diǎn)法,也為氣體爆炸方面的計(jì)算研究提供一種新思路。
【圖文】：

礦井中的瓦斯等可燃性氣體與空氣混合，被電火花、明火、雷電等引燃造成嚴(yán)重的爆炸事故；化工或者石油生產(chǎn)中，處理不慎的情況下，石油產(chǎn)品炔等烴類(lèi)可燃性氣體，濃度在濃度極限范圍內(nèi)時(shí)，遇到點(diǎn)火能量也會(huì)發(fā)生爆炸生活方面，隨著城市化進(jìn)程的加深，越來(lái)越多的居民每天都會(huì)使用天然氣，時(shí)都可能發(fā)生在自己周邊。氣體爆炸也被運(yùn)用在軍事領(lǐng)域，如燃料空氣炸藥體爆炸事故的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)上發(fā)明、發(fā)展起來(lái)的，它將高能燃料拋撒在空中形成，然后通過(guò)引信將云霧引爆來(lái)打擊戰(zhàn)略目標(biāo)�？扇�?xì)怏w的爆炸威力非常大，我們經(jīng)常會(huì)看到因可燃?xì)怏w爆炸而造成大量的損失的新聞。2014 年，廣東佛山富華某某機(jī)械制造公司發(fā)生一起氣 體爆炸慘重，死亡 18 人，受傷 32 人。2014 年 4 月 11 日，馬來(lái)西亞沙撈越州發(fā)生故，造成約 80 億元人民幣的損失。2013 年 11 月 22 日，青島中石化輸油管爆炸事故，死亡 62 人，受傷 136 人，直接經(jīng)濟(jì)損失 75172 萬(wàn)元。此類(lèi)事故多不勝數(shù)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在天然氣行業(yè)，由可燃?xì)怏w爆炸導(dǎo)致的事故高達(dá) 60%，

MPM 法在多相耦合、大變形問(wèn)題上具有明顯的優(yōu)勢(shì)。圖 2.1 物質(zhì)點(diǎn)法離散示意圖2.1 物質(zhì)點(diǎn)法控制方程在爆炸沖擊動(dòng)力學(xué)中，因?yàn)楸ㄟ^(guò)程太快，可以不考慮物質(zhì)的粘性和溫度的熱傳遞效應(yīng)。下面分別介紹質(zhì)量方程、動(dòng)量方程、能量方程等。2.1.1 連續(xù)性方程物體總質(zhì)量為：
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工程大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：O38

【參考文獻(xiàn)】

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1 孫芳錦;梁爽;張大明;;物質(zhì)點(diǎn)法在風(fēng)與膜結(jié)構(gòu)耦合作用中的應(yīng)用研究[J];振動(dòng)與沖擊;2015年09期

2 孫玉進(jìn);宋二祥;;大位移滑坡形態(tài)的物質(zhì)點(diǎn)法模擬[J];巖土工程學(xué)報(bào);2015年07期

3 陳衛(wèi)東;楊文淼;張帆;;基于物質(zhì)點(diǎn)法的水下爆炸沖擊波數(shù)值模擬[J];高壓物理學(xué)報(bào);2013年06期

4 陳衛(wèi)東;楊文淼;;高能炸藥爆轟過(guò)程的廣義插值物質(zhì)點(diǎn)法模擬[J];哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào);2012年09期

5 王r，

本文編號(hào)：2613559