Page 178 - 《爆炸与冲击》2026年第11期

第 46 卷 李 展，等： 甲烷-空气爆燃驱动的爆炸荷载模拟装置研发Ⅰ：几何形式与结构设计 第 11 期

1.2 数值模型的建立
基于 ANSYS/LS-DYNA 软件，建立了爆炸荷载模拟装置内爆炸波传播的数值模型，采用 CESE
（conservation element and solution element）求解器进行了计算，并使用文献 [7] 中试验数据（图 3）对数值模
型进行了验证。
1.2.1 几何模型及其简化
在高压气体驱动的工况中，装置内爆炸波演化涉及膜片破裂的流固耦合、高速气体流动、冲击波传
播等复杂过程。为简化计算，选取测点 P1 至末端墙体区间为计算域，仅考虑冲击波传播这一物理过程，
建立的三维数值模型如图 4 所示。在网格尺寸分析的基础上，选取 50 mm 网格尺寸进行后续计算，该计
算域共包含 105 600 个六面体单元。

Inlet condition Initial condition
Pressure: 217 kPa Pressure: 101.1 kPa
Density: 2.09 kg/m 3 Density: 1.225 kg/m 3
Velocity: 197.8 m/s Velocity: 0
During of pressure
elevated: 0.3 ms Boundary
During of pressure Reflective boundary
drop: 4.0 ms

P3 Wall
P2

图 4 爆炸荷载模拟装置内爆炸波传播的数值模型
Fig. 4 Numerical model of blast wave propagation
inside the blast wave simulator
1.2.2 材料模型
c V 为 717.5 J/(kg·K)，
计算域中的介质为空气，采用理想气体模型进行模拟。理想气体的比定容热容
c p 为 1 004.5 J/(kg·K)。同时，设定空气的初始密度为 1.225 kg/m ，初始压力为 101.1 kPa，初始
3
比定压热容
流速为 0 m/s。
1.2.3 边界条件
设置合理的边界条件是保证数值模拟结果准确的关键。数值模型中的边界条件有墙体（wall）和入

口（inlet）2 类，如图 4 所示。墙体边界对应于爆炸荷载模拟装置的侧墙和末端壁面，定义为无滑移绝热壁
面。入口边界依据实际条件，设定为压力、密度和速度时程。在模型验证中，取图 3 中测点 P1 处超压时
程曲线的正压部分，近似取直并加上环境压力后，转化为压力-时程。试验中未测量密度和速度-时程曲
线，借助 Rankine-Hugoniot 方程，将实测的压力-时程曲线转化为相应的密度和速度-时程曲线 [18-19] ，
具体转换关系如下：

∆p
2γ +(γ +1)
ρ p 0
= (1)
∆p
ρ 0
2γ +(γ −1)
p 0
∆p c 0 √
u = Å ã 1/2 c 0 = γp 0 /ρ 0 (2)
γp 0 (γ +1)∆p
1+
2γp 0
3
式中：ρ 为密度； ρ 0 为初始密度，取 1.225 kg/m ； γ 为比热容比，理想气体 γ 取 1.4；Δp 为超压， p 0 为环境压
力，取 101.1 kPa； u 为流体的速度； c 0 为环境声速。最终，入口边界处所采用的压力、密度及速度-时程曲
线如图 5 所示。

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