可燃气体管道爆炸动态断裂行为与后果评估方法研究

摘要

可燃气体管道爆炸由于其工程应用及科学研究价值得到越来越多的关注，其涉及的结构动力学、流体力学、断裂力学、化学反应动力学等不同领域的多种力学行为密不可分地相互交织在一起，是多学科交叉的复杂问题。且爆炸冲击波与管道间存在强烈的非线性流固耦合作用：爆炸超压促使管道变形进而断裂，变形后的管道及其破口反之制约爆炸流场的发展。这使得准确可靠地预测可燃气体管道爆炸的动态断裂行为与爆炸后果成为目前国际上最具挑战性的工作之一。
　　本研究主要内容包括：⑴基于光滑粒子流体动力学-有限元（SPH-FEM）方法与根据绝热剪切理论推导的适用于高应变下材料的双变量失效准则开展爆炸冲击波-管道流固耦合作用研究。研究表明：冲击波会多次反射并轰击管道壁面，但轰击强度随次数增加迅速衰减；裂纹从管道内壁面沿管道轴向和壁厚方向同时开始扩展，进而贯穿壁厚造成爆轰产物迅速泄放；管道变形断裂对爆炸冲击波强度有明显削弱影响，在管道爆炸后果评估中应予以考虑。⑵根据CJ爆轰理论简化化学反应率函数进而建立一种高效气体爆轰模拟算法，以罚函数接触算法为基础发展一种计及稳定性的流固耦合算法，进而开展气体爆轰作用下管道动态断裂行为数值预测研究。研究发现：仿真较好重现了不同初始缺陷长度下管道裂纹动态扩展及分叉行为，且模拟的应变响应、裂纹扩展速度、爆轰产物泄放等均与试验结果有较好的吻合程度。与现有公开文献相比，本文方法可更为准确地预测气体爆轰下管道的断裂过程及断裂形貌。⑶提出一种爆炸冲击波超压与比例距离关系式用于描述管道外超压衰减，建立基于流固耦合的管道爆炸后果评估方法，采用该方法开展可燃气体管道爆炸后果评估研究。研究表明：管道外超压随初始缺陷长度增加近似呈线性增加；管道内等能量TNT爆炸时管道破坏及爆炸后果更为严重，分叉裂纹与轴向裂纹相交是碎片形成的直接原因；相比经验方法及传统CFD方法，基于流固耦合的管道爆炸后果评估方法充分计及了管道变形断裂所吸收的爆炸冲击波能量，可更为合理地评估管道爆炸后果。

目录

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致谢

符号说明

1绪论

1.1引言

1.2爆炸及其冲击波破坏准则

1.3爆炸冲击现象数值模拟

1.4内爆载荷下管道动态断裂研究进展

1.5爆炸后果评估方法研究进展

1.6目前研究存在的问题

1.7本文主要研究内容

2爆炸冲击波与管道流固耦合作用研究

2.1引言

2.2 SPH-FEM方法建立

2.3基于热黏塑性失稳的双变量失效准则

2.4流固耦合作用分析模型

2.5仿真结果与分析

2.6管道对爆炸冲击波的削弱影响分析

2.7本章小结

3气体爆轰下管道动态断裂行为数值预测研究

3.1引言

3.2气体爆轰模拟算法

3.3计及稳定性的Euler-Lagrange流固耦合算法

3.4动态断裂行为数值预测模型

3.5仿真结果分析与验证

3.6管道断裂形貌验证与对比

3.7本章小结

4基于流固耦合的管道爆炸后果评估方法研究

4.1引言

4.2爆炸冲击波超压衰减规律

4.3基于流固耦合的管道爆炸后果评估方法

4.4基于流固耦合的可燃气体管道爆炸后果评估

4.5与管道内等能量TNT爆炸后果的对比

4.6与经验方法及CFD方法的对比

4.7本章小结

5结论与展望

5.1结论

5.2创新点

5.3展望

参考文献

在读期间科研成果及奖励

发表（录用）论文

参与科研项目

奖励与荣誉