Altair Radioss 水下爆炸建模
.png)
簡介
目的：
* 演示 Radioss 水下爆炸模擬(二維模擬)
* 用於介紹模擬水下爆炸衝擊波的方法
* 回答客戶常見問題："使用哪種狀態方程（EOS）來模擬水？"
* 建立水下爆炸的驗證模型
目標：
海軍國防應用客戶
參考：
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
.png)
什麼是水下爆炸?
在這項研究中，目標是模擬“藍色”衝擊波：
(1).gif)
.png)
實驗測試配置
.png)
* 在直徑 22m、水深 15m 的水池中進行了水下爆炸試驗。
* 在水池中心安裝了1kg 炸藥（TNT），並在半徑 2m、4m 和 6m 處安裝了三個水下壓力傳感器。
* 炸藥和傳感器的安裝深度為 5m。
.png)
試驗數據
(15).png)
* 選用 No 2. 系統傳感器的值（採集數據質量最好）
* 只捕捉到入射衝擊波
* 波以音速傳播
* 時間=0處似乎與爆炸時間不同
.png)
Cole 科爾理論
衝擊波陣面上的峰值壓力取決於炸藥裝置的尺寸以及與測量壓力的設備和炸藥裝置之間的距離。
(17).png)
* 這裡 K=52,4 ; A=1,13 用於描述 TNT,
* W 是炸藥的重量 (單位 kg)
* R 是炸藥與目標之間的距離，單位為米。
.png)
Radioss 建模
幾何，網格和邊界
(14).png)
Radioss 版本2020
模型單位 : g, mm, ms, MPa
2D 軸對稱模擬（繞z軸旋轉對稱）
不考慮重力
5m 深度處的壓力被認為是均勻的 : P_0=0,149MPa
圖中綠色邊界使用/BCS 約束 X，Y，Z，用於描述水池邊界考慮為剛體。QUAD 實體網格 5mm x 5mm • 共計7 700 000 個單元
注意: 在空氣域頂部添加無反射邊界，在這個模擬中壓力波可以在這個方向自由擴散（自由面）
炸藥裝藥模型
(10).png)
幾何
炸藥 1kg TNT. • 爆炸裝置應該是球形的 ；
TNT 的密度為 ρ_0=0,0016g.mm^(-3) ；
因此，炸藥的爆炸半徑是 R=∛(3V/4π)=53mm
TNT 材料卡片
TNT 材料使用 Radioss中/MAT/JWL 的狀態方程 :
(2).png)
水域模擬
NASG EOS 狀態方程
這個狀態方程主要用於模擬水下爆炸中的水體，它是由 O. Le Métayer & R. Saurel 在 2016 提出:
(2).png)
(2).png)
這個狀態方程在 Radioss 中可以和材料卡片 /MAT/HYDRO & /EOS/NASG 一起使用 (自 Radioss 2020 版本):
(2).png)
空氣域模擬
空氣可以考慮為理想氣體，使用理想氣體狀態方程
(2).png)
這個狀態方程在 Radioss 中也可以和材料卡片 /MAT/HYDRO & /EOS/IDEAL-GAS 一起使用:
(1).png)
多物理材料
/MAT/LAW151 (MULTIFLUID)
模型中由三種不同的材料，水體，空氣和 TNT。
選用 Radioss 最新的多物理材料 LAW151 來模擬，這種多流體材料專門用於爆炸、流阻波傳播分析和高馬赫數流體流動。
典型的數值準則是在水中加入一些比例的空氣。
(1).png)
.png)
NASG 狀態方程和水液混合模擬結果
模擬結果– 壓力
(5).gif)
點火後，衝擊波呈球狀傳播。當衝擊波與空氣-水交界面相遇時，稀疏波在界面向水中反射，這是因為水的阻抗比空氣的阻抗高。
模擬結果– 壓力峰值
這張圖顯示了 Radioss 模擬結果：衝擊波的擴散。
在 Radioss 模擬中的傳播和峰值壓力遵循科爾理論（數值稍微偏低）。
.png)
(1).png)
壓力傳感器和模擬中壓力的比對
Radioss 模擬結果和試驗數據以及理論相關性
(1).png)
(1).png)
即使沒有捕捉到峰值壓力衝擊波，Radioss 的總體行為與實驗結果有很好的相關性。
不管怎樣，重點考慮的威脅是衝擊（即曲線下的面積），而不是峰值壓力。Radioss 能準確評估衝擊（誤差<10%）。
總結
這項研究表明 Altair Radioss 能準確模擬水下爆炸衝擊波的傳播。
模擬水下爆炸的推薦使用 /MAT/LAW151 :
•/MAT/JWL材料用於TNT
•/EOS/IDEAL-GAS用於空氣的狀態方程
•/EOS/NASG用於水下爆炸中的水體（混合0.01%的空氣）狀態方程
這項研究表明/MAT/LAW151也適用於馬赫數為 1（低馬赫）的水下爆炸模擬。
想了解更多，歡迎聯絡我們申請試用或產品展示。
- 電話 : (02)2518-9060
- 郵件 : info@agilesim.com.tw