Page 5 - 《爆炸与冲击》2026年第2期

第 46 卷 寿列枫，等： 大尺度复杂环境下的强爆炸冲击波传播数值模拟技术研究 第 2 期

conducted multiple numerical simulations that demonstrate the propagation of blast waves through complex landscapes and
urban areas, which corroborate our methodologies.
Keywords: multiphase flow; reconstruction scheme; blast wave; real terrain; local urban

强爆炸冲击波是指在爆炸瞬间由高温、高压气体急速膨胀形成的一种高强度压力波，其以超声速向
外传播并伴随介质的压强、温度、密度等物理性质的跳跃式变化。由于涉及到多种介质相互作用、高度
非线性状态方程、多尺度效应以及复杂边界拓扑结构的处理等，强爆炸冲击波的模拟仍然是一项极具挑
战性的问题，数值方法的设计必须谨慎进行，以确保其稳定性和高效性。
近年来，随着实验、理论和数值方法的不断进步，复杂环境下强爆炸冲击波的传播规律研究取得了
显著的进展，为城市等复杂地区的冲击波传播行为提供了参考 [1-3] 。这些研究还有助于完善防御策略以
及减轻爆炸事件造成的损害，对于指导建筑结构等基础设施的设计和建造具有重要的意义 [4-5] 。在理论
分析领域，通常利用基于实验数据相关性的冲击波关系解析方程和经验公式进行研究。尽管在理想条
件下，理论方法具有较高的效率，但在复杂环境下的准确性可能会受到质疑 [6-8] 。针对复杂环境下的冲击
波实验研究，已经通过多种测试方法进行，例如爆炸引爆和激波管 [9-13] 。研究人员对障碍物（如建筑物和
墙壁）对冲击波传播的影响以及对结构和材料造成的损害进行了深入研究。这些实验为数值模型的开
发和理论预测的验证提供了宝贵的数据支持 [2, 14-17] 。
随着计算科学的飞速发展，数值模拟已被广泛应用于补充复杂环境中冲击波的实验和理论研究。
在模拟过程中，采用了包括有限差分、有限体积法和有限元方法在内的多种数值方法，以求解描述复杂
城市几何中冲击波的控制方程。通过数值模拟，对广泛的冲击波现象进行了深入研究，包括密闭空间中
冲击波的传播、障碍物对冲击波传播的影响，以及冲击波与材料和结构的相互作用。多种商业软件和开
源代码，如 LS-DYNA、AUTODYN、SHAMRC、ALE3D、blastFoam 等 [18-22] ，可以应用于模拟小规模和中等
规模空间中的化学高能炸药或气体爆炸产生的冲击波。但在极端热力学条件下，尤其是在大规模问题
上，缺乏解决精确状态方程的能力，特别是在高强度爆炸应用中 [14, 17, 23-25] 。在多相流模拟领域，由于密度
和压力的剧烈变化以及界面两侧不同介质的本构关系存在显著差异，使得物质界面在多相流建模中占
据核心地位 [26-27] 。在多相流模拟中，通常采用两种主要的数值方法：清晰界面方法和扩散界面方法 [28-40] 。
清晰界面方法假定界面为锐利的接触间断性，不同流体间不发生混合。在欧拉坐标系中，流体体积法
（volume of fluid, VOF） [41-42] 、水平集方法 [43-44] 、流体体积矩法（moment of fluid, MOF） [45-47] 和 Front-
Tracking 方法 [48-49] 被广泛应用于界面捕捉。清晰界面方法的优势在于对界面形状和拓扑结构的精确描
述，但其界面重构和变形的描述成本较高。扩散界面方法基于相场理论来建立物理模型和控制方程，其
中物质界面由一个很薄、扩散的连续层来表示，流体属性（密度、黏性等）以双曲正切函数形式平滑变
化。扩散界面方法不追踪物质界面，而是将其视为具有平均混合密度的两相混合物，能够处理几乎所有
可能的多相流动物理现象，包括介质和界面的动态产生、空化演化和崩溃等。扩散界面方法的主要缺陷
是由于数值扩散导致流体界面过度扩散。目前已有多种方法来抑制扩散效应，第一种方法采用基于高
阶重构的方法（包括本质无振荡格式（essentially non-oscillatory scheme, ENO） [50-51] 和加权本质无振荡方法
（weighted essentially non-oscillatory, WENO） [52-53] 等），第二种方法采用一系列校正项，如反扩散、伪时间
锐化技术 [54-56] 、基于重建的界面锐化方法 [57-58] 等，用于锐化体积分数和密度轮廓。综合来说，由于
Gibbs 现象的存在 [59] ，高阶多项式并非重建不连续流动场的最佳选择，第二种方法在这些场景中表现更
佳，例如 THINC（tangent of hyperbola for interface capturing）方法采用特定的双曲正切函数进行重建 [60-62] ，
此外单元边界变差最小化方法（boundary variation diminishing, BVD）结合了基于多项式的重建在平滑区
域的优势和非多项式重建在不连续区域的优势，能够高精度捕获精细流动结构，包括冲击波、多尺度涡
旋以及捕获界面和接触不连续性，但是 BVD 方法在给定单元内准备所有候选重建函数之前需要选择最
终方案，在计算效率方面存在明显的缺陷 [63-67] 。
本文中基于扩散界面模型，建立一种应用于结构化网格、具有高效、高精度特征的多组分扩散界面

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