CN112733220B - 一种爆炸作用下建筑物内冲击波流场计算评估方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种爆炸作用下建筑物内冲击波流场计算评估方法，通过设计孔口建筑物模型，在建筑物模型内沿不同的夹角布置压力测量线，在每条压力测量线上距孔口中心不同距离处布置多个冲击波压力测点，在装药量、爆炸距离和孔口面积，三个无量纲量中，固定一无量纲量不变，改变两个无量纲量，进行系列爆炸试验，从而获得一系列试验数据；依据这些数据进行拟合，分别作出冲击波参数关系曲线；按照得到的冲击波参数关系曲线分别进行爆炸试验，对试验数据和相应曲线的规律性进行综合分析和处理，通过拟合回归，确定出函数关系式；利用建筑物内任一点冲击波压力和冲量的计算公式对毁伤效应进行分析和评估。

Description

一种爆炸作用下建筑物内冲击波流场计算评估方法
技术领域
本发明涉及爆炸冲击波的毁伤评估领域，具体涉及一种爆炸作用下建筑物内冲击波流场计算评估方法。
背景技术
自“9.11”事件后，反恐怖问题己引起国际社会的普遍关注，受到各国政府和广大科技人员的高度重视。在各种严密的安检防范措施下，爆炸装置不可能直接进入建筑物内部，只能隔离在建筑外爆炸，门、窗等孔口是各种建筑物最薄弱的环节，爆炸冲击波通过破坏的孔口进入建筑物内部进行杀伤成为恐怖爆炸的主要致伤方式。快速准确的获得建筑物内的冲击波流场特征参数，对准确评估恐怖爆炸后的灾害损失程度，制定针对性防护措施，提高灾后救援效率等都具有十分重要的意义。
现有的相关研究主要针对爆炸波在街道和建筑群内的分布情况，而针对爆炸冲击波通过破坏的门窗进入建筑内的分布特征等方面的研究鲜见发表，发明人提出并已另案申请的专利“一种恐怖爆炸冲击波特征参数简化计算方法(申请号：CN202010226869.3)”中，提出基于均布压力的建筑物内冲击波特征参数简化计算方法，适用于对爆炸远区和建筑物空间较小时的简化计算和快速评估。但实际情况下，爆炸冲击波通过孔口进入建筑物的过程中会产生反射、涡旋等，冲击波变得异常复杂，是明显非均匀分布的，其波形特性、冲量、频谱及对人员损伤方面均与简单冲击波有明显差别，目前，国内尚未开展该方面专项研究，因此，针对恐怖爆炸通过孔口进入建筑物内的冲击波流场分布特征，目前尚无较精确、可供使用的计算方法。
发明内容
本发明的目的是提出一种爆炸作用下建筑物内冲击波流场计算评估方法，用于解决上述现有技术的问题。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种爆炸作用下建筑物内冲击波流场计算评估方法，包括以下步骤：
步骤S1、假设装药量为W公斤TNT当量的爆炸装置在距建筑物孔口中心外为R0米的地面上爆炸，周围大气压力为P0，空气密度为ρ0，孔口体积为V0，建筑物的容积为V，建筑物的纵深为L，建筑物内任一点距离孔口中心点的距离为R，在建筑物内任一点与孔口中心点做虚拟连接线，此虚拟连接线和孔口中心点轴线的夹角为θ；爆炸冲击波从孔口进入到建筑物内的压力ΔP是非均匀分布的，它与爆炸当量、爆炸距离、孔口大小、建筑物容积以及夹角θ有关；
冲击波特征参数包括冲击波压力ΔP，正压冲量I，可确定的主定参量组为：
W,R0,P0,ρ0,R,θ,V,V0,L
冲击波特征参数作为待定参量，待定参数量组为：ΔP,I；
用F表示进入该建筑内冲击波的待定参量组，则待定参量组和主定参量组之间存在如下函数关系：
F＝f(W,R,R0,P0,ρ0,θ,V,V0,L) (1)
采用LMT度量单位系统，根据相似π定理和爆炸相似定律，在主定参量组中做出
Figure GDA0004002974400000021
和θ的无量纲组合：于是(1)式可以写成以下形式：
Figure GDA0004002974400000022
同理，在待定参量组中压力ΔP和正压冲量I的无量纲组合为：
Figure GDA0004002974400000031
令P0＝1，ρ0＝1，可得进入建筑物内爆炸冲击波参数的函数关系的无量纲表示式：
Figure GDA0004002974400000032
Figure GDA0004002974400000033
根据公式(3)、(4)进入建筑物内的爆炸冲击波参数依赖于四个无量纲变量，即爆炸比例距离
Figure GDA0004002974400000034
无量纲体积、建筑物内无量纲距离和无量纲夹角θ(以弧度表示)；
步骤S2：设计建筑物模型，在建筑物孔口内沿不同的夹角θ布置压力测量线，在每条压力测量线上距孔口中心不同距离处布置多个冲击波压力测点；在装药量W、爆炸距离R和孔口大小这三个无量纲量中，固定其中一个量不变，同时改变其他两个量，进行系列爆炸试验，从而获得一系列试验数据；依据这些数据进行拟合分别作出如下冲击波参数关系曲线：
Figure GDA0004002974400000035
Figure GDA0004002974400000036
Figure GDA0004002974400000041
Figure GDA0004002974400000042
Figure GDA0004002974400000043
Figure GDA0004002974400000044
Figure GDA0004002974400000045
Figure GDA0004002974400000046
步骤S3：对试验数据和相应曲线的规律性进行综合分析、处理，通过拟合回归，最终确定出函数关系式的具体形式如下：
Figure GDA0004002974400000047
Figure GDA0004002974400000051
步骤S4、根据步骤S3所得的函数关系式，制作建筑物内冲击波压力流场和冲量场的分布规律图，使用冲击波压力流场和冲量场的分布规律图对建筑物内毁伤效应进行分析和评估。
所述步骤S2中，试验数据获取的具体方法包括以下步骤：
步骤S2.1、固定建筑物模型的无量纲体积Vo/V不变，进行不同爆炸比例距离R/W1/3下的爆炸试验，测量该建筑物内各冲击波参数，取得一系列试验数据；
步骤S2.2、固定建筑物模型的R/W1/3不变，改变无量纲距离V0/V的大小，做系列爆炸试验，测量该建筑内各冲击波参数，取得一系列试验数据；
步骤S2.3、固定建筑物模型内的无量纲距离Ro/L不变，改变夹角θ，做系列爆炸试验，测量建筑物内冲击波参数，取得一系列试验数据；
步骤S2.4、固定无量纲体积V0/V不变，同时改变爆炸比例距离R/W1/3和建筑物内无量纲距离Ro/L，做系列爆炸试验，测量建筑物内冲击波参数，取得一系列试验数据。
本发明的有益效果是：本发明所提供的恐怖爆炸条件下建筑物内冲击波特征参数简化计算方法，是在大量试验的基础上，采用量纲分析理论得到的，公式中的所有参数均是无量纲量，而且充分考虑了不同当量、不同爆炸距离、不同孔口和防护建筑物大小、以及冲击波在防护建筑物内的反射等诸多因素，因而更具普遍适用性。通过本计算方法，可快速计算出各种爆炸装置在建筑物外任意位置爆炸进入防护建筑物内部的任意一点的冲击波特征参数和防护建筑物内冲击波压力流场和冲量场分布特征，对快速评估恐怖或偶然爆炸对孔口结构内部人员及设备的毁伤效应，并制定针对性的防护措施具有重要意义。
附图说明
图1为本发明的量纲理论计算方案简图；
图2为双孔口建筑物内冲击波参数分析图；
图3为压力随爆炸比例距离变化时的拟合曲线图；
图4为冲量随爆炸比例距离变化时的拟合曲线图；
图5为压力随无量纲体积变化时的拟合曲线图；
图6为冲量随无量纲体积变化时的拟合曲线图；
图7为压力随孔口无量纲体积的变化的拟合曲线；
图8为冲量随孔口无量纲体积的变化的拟合曲线；
图9为压力随偏移角度变化的拟合曲线；
图10为冲量随偏移角度变化的拟合曲线；
图11为压力随无量纲距离变化的拟合曲线；
图12为冲量随无量纲距离变化的拟合曲线；
图13a为单孔口建筑物内压力场等压线分布图；
图13b为单孔口建筑物内冲量场等压线分布图；
图14a为双孔口建筑物内冲击波压力场等压线分布图；
图14b为双孔口建筑物内冲击波冲量等压线分布图；
图中，1、爆炸装置，2、建筑物，3、孔口。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
一种爆炸作用下建筑物内冲击波流场计算评估方法，包括以下步骤：
步骤S1：如图1所示，假设装药量为W公斤TNT当量的爆炸装置1在距建筑物2的孔口3中心外为R0米的地面上爆炸，周围大气压力为P0、空气密度为ρ0，孔口的体积为V0，建筑物2的体积为V，建筑物2的纵深为L，建筑物2内任一点距离孔口3中心点的距离为R，在建筑物2内任一点与孔口3中心点做虚拟连接线，此虚拟连接线和孔口3中心点轴线的夹角为θ；爆炸冲击波从孔口3进入到建筑物2内的压力ΔP是非均匀分布的，它与爆炸当量、爆炸距离、孔口大小、建筑物容积以及夹角θ有关，由此，确定该问题的主定参量组为：
W,R0,P0,ρ0,R,θ,V,V0,L
将冲击波压力ΔP，正压冲量I作为待定参量，待定参数量组为：
用F表示进入防护建筑物内冲击波的待定参量组，则待定参量组和主定参量组之间存在如下函数关系：
F＝f(W,R,R0,P0,ρ0,θ,V,V0,L) (1)
采用LMT度量单位系统，根据相似π定理和爆炸相似定律，在主定参量组中做出
Figure GDA0004002974400000071
和θ的无量纲组合：于是(1)式可以写成以下形式：
Figure GDA0004002974400000072
同理，在待定参量组中压力ΔP和正压冲量I的无量纲组合为：
Figure GDA0004002974400000073
令Po＝1，ρo＝1，可得进入建筑物内爆炸冲击波参数的函数关系的无量纲表示式：
Figure GDA0004002974400000074
Figure GDA0004002974400000081
由公式(3)、(4)可知，进入建筑物内的爆炸冲击波参数依赖于四个无量纲变量，即爆炸比例距离
Figure GDA0004002974400000082
无量纲体积
Figure GDA0004002974400000083
建筑物内无量纲距离和无量纲夹角θ(以弧度表示)；
步骤S2：试验方案设计，根据建筑物原型设计建筑物模型，在建筑物模型内沿着不同的夹角θi布置多条压力测量线，在每条压力测量线上距孔口中心不同距离Rij处布置多个冲击波压力测点ΔPij，使用自由场压力传感器测量压力；在装药量W、爆炸比例距离和孔口大小三个无量纲量中，分别固定某个量不变，同时改变其他两个量，进行系列爆炸试验，从而获得一系列
ΔP(l)ij～(θi，Vij)，ΔP(θ)ij～(li，Vij)，ΔP(v)ij～(θi，Rij)试验数据；依据这些数据分别作出如下冲击波参数曲线：
Figure GDA0004002974400000084
Figure GDA0004002974400000085
Figure GDA0004002974400000086
Figure GDA0004002974400000087
Figure GDA0004002974400000091
Figure GDA0004002974400000092
Figure GDA0004002974400000093
Figure GDA0004002974400000094
步骤S2中，试验数据获取的具体方法包括以下步骤；
步骤S2.1、固定建筑物模型的无量纲体积Vo/V不变，进行不同爆炸比例距离R/W1/3下的爆炸试验，测量该建筑物内各冲击波参数，取得一系列试验数据；
步骤S2.2、固定建筑物模型的R/W1/3不变，改变无量纲距离V0/V的大小，做系列爆炸试验，测量该建筑内各冲击波参数，取得一系列试验数据；
步骤S2.3、固定建筑物模型内的无量纲距离Ro/L不变，改变夹角θ，做系列爆炸试验，测量建筑物内冲击波参数，取得一系列试验数据；
步骤S2.4、固定无量纲体积V0/V不变，同时改变爆炸比例距离R/W1/3和建筑物内无量纲距离Ro/L，做系列爆炸试验，测量建筑物内冲击波参数，取得一系列试验数据；
步骤S3、对步骤S2得到的试验数据和相应曲线的规律性进行综合分析、处理，通过拟合回归，最终确定出函数关系式的具体形式；为了便于理解，过程简述如下：
首先，对步骤S2.1获取的试验数据进行综合处理，其结果如表1所示：
表1不同爆炸比例距离建筑物内冲击波压力及冲量统计
Figure GDA0004002974400000101
根据表1的试验数据，分别作出建筑物内冲击波压力、冲量与爆炸比例距离的关系，如图3、图4所示，图3为压力随爆炸比例距离变化时的拟合曲线图，图4为冲量随爆炸比例距离变化时的拟合曲线图，由图3以及图4可知，建筑物内冲击波压力、冲量与爆炸比例距离的关系曲线均符合指数函数特征，根据这一规律进行拟合；
从图3以及图4中可以看出，拟合的曲线比较接近于实测结果，根据拟合结果可得到该建筑内爆炸冲击波参数随爆炸比例距离的计算函数式：
Figure GDA0004002974400000102
Figure GDA0004002974400000111
然后，对步骤S2.2获取的试验数据进行综合处理，其结果如下表2所示：
表2不同无量纲体积建筑物内冲击波参数统计
Figure GDA0004002974400000112
根据表2的试验数据，分别作出建筑物内冲击波压力、冲量与无量纲体积的关系，如图5、图6所示，图5为压力随无量纲体积变化时的拟合曲线图，图6为冲量随无量纲体积变化时的拟合曲线图；如图5和图6所示，不同爆炸比例距离条件下，建筑物内冲击波参数随孔口无量纲体积的变化规律曲线近似平行，因此不同爆炸比例距离条件下，建筑物内冲击波参数曲线可用同一函数曲线来描述，因此利用比例距离函数对表2数据进行变换处理，其结果如表3所示：
表3不同无量纲体积建筑物内冲击波相关参数统计
Figure GDA0004002974400000121
此时，对表三中系列数据进行拟合，图7为压力随孔口无量纲体积的变化的拟合曲线，图8为冲量随孔口无量纲体积的变化的拟合曲线，由如图7和图8所示，
根据拟合结果可得到建筑物内的爆炸冲击波与无量纲体积的函数关系式：
Figure GDA0004002974400000122
Figure GDA0004002974400000123
接下来，对步骤S2.3获取的试验数据进行综合处理，其结果如下表4所示：
表4不同爆炸比例距离下建筑物内不同角度冲击波主要参数统计
Figure GDA0004002974400000131
对表4的数据进行拟合，可得不同孔口体积条件下，建筑物内冲击波参数随夹角θ(即偏移角度)的变化规律，由于建筑物内冲击波参数随孔口无量纲体积的变化规律曲线近似平行，因此，建筑物内冲击波参数曲线可用同一函数曲线来表示，利用孔口无量纲体积函数对表4中数据进行变换处理，其结果如表5所示：
表5不同爆炸比例距离下建筑物内沿不同角度θ冲击波主要参数处理结果统计
Figure GDA0004002974400000141
按照表5的规律对试验和数值计算数据综合处理、分析，可得冲击波参数随夹角θ的变化曲线，如图9图10所示，图9为压力随偏移角度变化的拟合曲线，图10为冲量随偏移角度变化的拟合曲线，如图9以及图10所示，根据拟合结果建筑物内爆炸冲击波与偏移角度θ的关系近似符合下述函数：
Figure GDA0004002974400000142
Figure GDA0004002974400000143
最后对步骤S2.3获取的试验数据进行综合处理，利用偏移角度函数对试验数据进行变换处理，其结果如表6～表8所示：
表6建筑物内沿孔口轴线方向(θ＝0)不同距离冲击波主要参数处理结果统计
Figure GDA0004002974400000151
表7建筑物内沿偏移孔口轴线θ＝20°方向不同距离冲击波主要参数处理结果
Figure GDA0004002974400000152
表8建筑物内沿偏移孔口轴线θ＝30°3方向不同距离处冲击波主要参数处理结果
Figure GDA0004002974400000153
根据上述表6～表8以及前述图3～图10可知，不同爆炸比例距离下，建筑物内冲击波参数与建筑物内无量纲距离的关系曲线符合多项式函数特征；根据这一规律进行多项式拟合，如图11、图12所示，图11为压力随无量纲距离变化的拟合曲线，图12为冲量随无量纲距离变化的拟合曲线，根据图11以及图12拟合结果，建筑物内冲击波参数与建筑物内无量纲距离R0/L的关系符合下述方程：
Figure GDA0004002974400000161
Figure GDA0004002974400000162
将以上几组公式进行综合推导整理，即得建筑物内任意一点的爆炸冲击波特征参数的计算公式：
Figure GDA0004002974400000163
Figure GDA0004002974400000164
本发明的技术方案不仅适用于单孔口结构的建筑物，还适用于双孔口建筑物；
如图2所示，对于双孔口建筑物，两个孔口对应的有效体积V01＝V02，若忽略爆炸冲击波通过两个孔口进入建筑物的时间差，双孔口建筑物内冲击波参数就相当于爆炸冲击波通过两个孔口的叠加；利用三角形函数关系可得：
V01＝V02＝V0cos2α
双孔口建筑物内任一点冲击波压力和冲量的计算公式为：
Figure GDA0004002974400000171
Figure GDA0004002974400000172
式中，R01、R0分别为建筑物内任一点与两个孔口中心点的直线距离；α为装药与建筑物中轴线夹角。
步骤S4：根据步骤S3所得的函数关系式，制作建筑物内冲击波压力流场和冲量场的分布规律图，使用冲击波压力流场和冲量场的分布规律图对建筑物内毁伤效应进行分析和评估。
建筑物内冲击波压力场和冲量场分布是进行毁伤评估和制定必要防护措施的基础，在本发明的一个实施例中，以3.6公斤TNT装药当量的爆炸装置在正对孔口建筑物外3.0米爆炸为例，给出对单、双孔口建筑物内冲击波压力场和冲量场分布如图13a至图14b所示，图13a单孔口建筑物内压力场等压线分布图；图13b单孔口建筑物内冲量场分布图；图14a双孔口建筑物内冲击波压力场等压线分布图；图14b双孔口建筑物内冲击波冲量分布图。
本发明所提供的恐怖爆炸条件下建筑物内冲击波特征参数简化计算方法，是在大量试验的基础上，采用量纲分析理论得到的，公式中的所有参数均是无量纲量，而且充分考虑了不同当量、不同爆炸距离、不同孔口和防护建筑物大小、以及冲击波在防护建筑物内的反射等诸多因素，因而更具普遍适用性。通过本计算方法，可快速计算出各种爆炸装置在建筑物外任意位置爆炸进入防护建筑物内部的任意一点的冲击波特征参数和防护建筑物内冲击波压力流场和冲量场分布特征，对快速评估恐怖或偶然爆炸对孔口结构内部人员及设备的毁伤效应，并制定针对性的防护措施具有重要意义。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
本发明未详述部分为现有技术。

Claims (2)

1.一种爆炸作用下建筑物内冲击波流场计算评估方法，其特征是：包括以下步骤：
步骤S1、假设装药量为W公斤TNT当量的爆炸装置在距建筑物孔口中心外为R0米的地面上爆炸，周围大气压力为P0，空气密度为ρ0，孔口体积为V0，建筑物的容积为V，建筑物的纵深为L，建筑物内任一点距离孔口中心点的距离为R，在建筑物内任一点与孔口中心点做虚拟连接线，此虚拟连接线和孔口中心点轴线的夹角为θ；爆炸冲击波从孔口进入到建筑物内的压力ΔP是非均匀分布的，它与爆炸当量、爆炸距离、孔口大小、建筑物容积以及夹角θ有关；
冲击波特征参数包括冲击波压力ΔP，正压冲量I，可确定的主定参量组为：
W,R0,P0,ρ0,R,θ,V,V0,L
冲击波特征参数作为待定参量，待定参数量组为：ΔP,I；
用F表示进入该建筑内冲击波的待定参量组，则待定参量组和主定参量组之间存在如下函数关系：
F＝f(W,R,R0,P0,ρ0,θ,V,V0,L) (1)
采用LMT度量单位系统，根据相似π定理和爆炸相似定律，在主定参量组中做出
Figure FDA0004002974390000011
和θ的无量纲组合：于是(1)式可以写成以下形式：
Figure FDA0004002974390000012
同理，在待定参量组中压力ΔP和正压冲量I的无量纲组合为：
Figure FDA0004002974390000013
令P0＝1，ρ0＝1，可得进入建筑物内爆炸冲击波参数的函数关系的无量纲表示式：
Figure FDA0004002974390000021
Figure FDA0004002974390000022
根据公式(3)、(4)进入建筑物内的爆炸冲击波参数依赖于四个无量纲变量，即爆炸比例距离
Figure FDA0004002974390000023
无量纲体积
Figure FDA0004002974390000024
建筑物内无量纲距离
Figure FDA0004002974390000025
和无量纲夹角θ；
步骤S2、根据建筑物原型设计孔口建筑物模型，在建筑物模型内沿不同的夹角θ布置压力测量线，在每条压力测量线上距孔口中心不同距离处布置多个冲击波压力测点；在装药量W、爆炸距离R和孔口大小这三个无量纲量中，分别固定其中一个量不变，同时改变其他两个量，进行系列爆炸试验，从而获得一系列试验数据；依据这些数据进行拟合分别作出如下冲击波参数关系曲线：
Figure FDA0004002974390000026
Figure FDA0004002974390000027
Figure FDA0004002974390000028
Figure FDA0004002974390000031
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步骤S3、对步骤S2得到的试验数据和相应曲线的规律性进行综合分析、处理，通过拟合回归，最终确定出函数关系式的具体形式如下；
Figure FDA0004002974390000036
Figure FDA0004002974390000037
步骤S4、根据步骤S3所得的函数关系式，制作建筑物内冲击波压力流场和冲量场的分布规律图，使用冲击波压力流场和冲量场的分布规律图对建筑物内毁伤效应进行分析和评估。
2.根据权利要求1所述的一种爆炸作用下建筑物内冲击波流场计算评估方法，其特征是：所述步骤S2中，试验数据获取的具体方法包括以下步骤：
步骤S2.1、固定建筑物模型的无量纲体积Vo/V不变，进行不同爆炸比例距离R/W1/3下的爆炸试验，测量该建筑物内各冲击波参数，取得一系列试验数据；
步骤S2.2、固定建筑物模型的R/W1/3不变，改变无量纲距离V0/V的大小，做系列爆炸试验，测量该建筑内各冲击波参数，取得一系列试验数据；
步骤S2.3、固定建筑物模型内的无量纲距离Ro/L不变，改变夹角θ，做系列爆炸试验，测量建筑物内冲击波参数，取得一系列试验数据；
步骤S2.4、固定无量纲体积V0/V不变，同时改变爆炸比例距离R/W1/3和建筑物内无量纲距离Ro/L，做系列爆炸试验，测量建筑物内冲击波参数，取得一系列试验数据。
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