Page 189 - 《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Ⅱ：爆炸波演化规律与加载方案设计 第 11 期

intervals) were arranged, and different blast load levels were achieved by varying the gas cloud length from 1.5 m to 6 m in the
driven section. Trial tests of the developed simulator showed that the measured peak overpressures agree well with the
numerical predictions, with deviations less than 12%, and the results exhibit good uniformity and high repeatability. These
findings demonstrate that the proposed methane-air deflagration-driven blast wave simulator is suitable for blast testing of
structural components such as reinforced concrete slabs.
Keywords: blast wave simulator; methane-air; deflagration-driven; blast wave

爆炸荷载模拟装置（又称激波管、爆炸管等）能够精准、高效地复现爆炸环境，是开展爆炸效应实验
[1]
研究的重要设备，在工程抗爆 、生物防护 [2-3] 、装备测试 [4] 和工业防爆 [5] 等领域得到广泛应用。确定加
载方案（或发射方案、驱动方案）是爆炸荷载模拟装置设计中的关键问题之一。
目前，爆炸荷载模拟装置通常采用炸药、压缩气体、燃气爆轰、炸药与压缩气体混合等驱动形式。
在炸药驱动型装置的设计中，加载方案的核心在于建立装药量与模拟爆炸荷载之间的定量关系。任辉
启等 [6] 和刘瑞朝等 [7-8] 通过数值模拟，分析了不同 TNT 装药量下形成稳定平面冲击波的关键因素和条
件，并确定了出口段的最优长度，为大型爆炸激波管的研制提供了依据。为优化爆炸荷载波形，Chen 等 [9]
基于 OpenFOAM 软件开展了炸药与压缩空气联合驱动的数值模拟研究，通过调整装药当量和初始压力，
实现了多种爆炸荷载的模拟。张军等 [10] 利用 AUTODYN 软件，对直径 2.5 m 管道内的炸药爆炸波及冲
击波传播规律进行了数值模拟，提出了冲击波超压峰值-装药量-传播距离之间的简化计算方法，为激波
管设计提供了实用工具。陈梓薇等 [11] 同样基于 AUTODYN 建立了炸药驱动激波管的数值模型，通过
195 组基础工况的模拟数据，构建了预测试验段峰值压力的 BP（back propagation）神经网络模型，为激波
管的快速设计与荷载预估提供了新方法。
在压缩气体驱动设计中，膜片数量、初始压力、驱动段形状等参数对冲击波特性的影响至关重要。
汪维等 [12] 利用 AUTODYN 对多膜片条件下的大型爆炸波模拟装置（总长 92 m）内冲击波传播过程进行
了数值模拟，系统研究了破膜数量和初始压力对冲击波特性的影响。Gan 等 [13] 借助 ANSYS/FLUENT 软
件分析了驱动段压力（155～412 kPa）对加载段超压峰值、冲量及持续时间的影响，并开展了试验验证。
张坤玉等 [14] 基于 ANSYS/LS-DYNA，研究了驱动段超压、长度、直径和膨胀段角度对激波管末端超压峰
值和正压作用时间的影响，并结合实际给出了激波管设计示例。周岳兰等 [15] 通过数值模拟分析了压缩
氮气驱动激波管内压力脉冲演化规律，并给出了激波峰值超压、正压持续时间等特征参量与激波管内压
力、长度等参数之间的关系。程帅等 [16] 通过激波管内一维流动数值计算，研究了变截面驱动段激波管的
流场特性，提出了通过驱动段形状控制冲击波超压衰减历程的方法。
在气体爆轰驱动方面，气体种类（乙炔-氧气、氢-氧等）、气云体积、驱动段几何等因素的影响也备受
关注。Gan 等 [13, 17-18] 利用 ANSYS/FLUENT 对乙炔-氧气爆轰驱动过程开展了数值模拟，分析了混合气云体
积、可控泄放、整形段长度对加载段超压峰值、冲量和持续时间的影响。张仕忠等 [19] 通过数值计算开发
了锥形驱动截面结合氢-氧爆轰产生爆炸冲击波的方法，成功研制出近场爆炸冲击波模拟装置。郭丁等 [20]
基于 ANSYS/FLUENT，系统研究了氢-氧爆轰驱动条件下驱动气体初始状态和激波管几何构型对冲击波
特征参数的影响，总结了多因素耦合作用下冲击波参数的变化规律。可以发现，爆炸荷载模拟装置内涉
及冲击波传播、高速气体流动和化学反应进程等非线性问题的高度耦合。当前装置研发与设计中，多借
鉴已有工程经验，采用数值模拟优化设计的方式，确定加载（或发射）方案。需要指出的是，当前常用的
驱动形式，能量释放速度快，模拟荷载多为核爆或化爆冲击波，对燃油气等非理想爆炸的关注相对不
足。事实上，不同来源（如核爆、化爆、燃油气爆炸及压力容器爆炸等）的爆炸荷载表现出显著不同的超
压荷载特征和毁伤效应，往往难以直接等效替代。因此，亟需发展适用范围更广、可模拟多种类型爆炸
荷载的装置。
针对以上现状，本文建立适用于大尺寸管道甲烷-空气爆燃的数值计算方法，通过数值模拟分析关
键参数对爆炸荷载模拟装置内甲烷-空气混合气体爆燃过程的影响，实现对爆炸荷载的有效调控，提出甲

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