本发明专利技术公开了一种城市街道中偶然爆炸冲击波超压峰值的快速计算方法，属于爆炸流体力学领域。该方法基于虚拟爆源思想，将城市街道中爆炸冲击波在街道两侧建筑的反射波等效为虚拟爆源产生的冲击波，通过真实爆源与虚拟爆源流场叠加计算街道中爆炸冲击波的超压峰值。包括以下步骤：获取参数并建立城市街道中偶然爆炸冲击波传播模型；设置虚拟爆源并计算其等效当量；计算真实爆源和虚拟爆源波阵面的几何关系；分别计算真实爆源和虚拟爆源在某一传播距离处的超压峰值；计算真实爆源和虚拟爆源流场叠加后街道实际的超压峰值。本发明专利技术可用于城市街道中偶然爆炸冲击波超压峰值的快速计算，进而用于偶然爆炸事件的灾后评估和城市重要设施的抗爆设计。设施的抗爆设计。设施的抗爆设计。
A fast calculation method of overpressure peak value of accidental explosion shock wave in urban streets
【技术实现步骤摘要】
一种城市街道中偶然爆炸冲击波超压峰值的快速计算方法
[0001]本专利技术涉及一种城市街道中偶然爆炸冲击波超压峰值的快速计算方法，属于爆炸流体力学领域。
技术介绍
[0002]爆炸现象往往伴随着巨大的能量释放，产生的冲击波会对周围的建筑和人员造成巨大的破坏。近年来，随着偶然爆炸频繁发生，准确评估城市中偶然爆炸带来的威胁越发重要。这包含两个关键问题：复杂城市环境中冲击波传播引起的荷载，以及建筑和人员在爆炸荷载作用下的毁伤效应。然而，由于爆炸冲击波与城市建筑之间的相互作用，冲击波会在建筑表面发生反射、绕射，不同波之间也会相互作用，形成复杂的流场波系结构，使得准确预测爆炸荷载面临困难。
[0003]目前，已经提出了较多近似或半经验的方法去预测爆炸荷载。使用最广泛的是Kingery和Bulmash基于大量实验数据拟合得到的爆炸冲击波参数曲线，这些曲线被收录在美国国防威胁降低局设计手册UFC
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02中。除了使用这些曲线预测球面冲击波在自由场中的传播和在无限大刚性表面的反射外，UFC
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02还提供了用于预测单个建筑受爆炸荷载的经验公式。类似地，大多数方法也都适用于爆炸冲击波在简单环境中传播的情形，对于城市街道等复杂构型，这些方法不再适用。
[0004]针对爆炸冲击波在复杂城市街道中传播的问题，研究者利用爆炸实验和数值模拟等手段开展研究。例如，Rose和Smith开展了一系列爆炸冲击波在不同城市街道和建筑布局中传播的缩比实验；Benselama建立了冲击波在城市中传播的数值模型，能够准确计算冲击波超压峰值和正压冲量的分布规律。然而，由于爆炸实验较高的成本、较长的准备周期以及数值模拟对计算能力和网格精度的要求，这些方法很难用于城市街道中冲击波荷载的快速评估。
技术实现思路
[0005]本专利技术的目的在于建立一种城市街道中偶然爆炸冲击波超压峰值的快速计算方法，实现长直型街道中偶然爆炸冲击波荷载的快速估算，能够用于偶然爆炸事件的灾后评估和城市重要设施的抗爆设计。
[0006]本专利技术的方案是提供一种城市街道中偶然爆炸冲击波超压峰值的快速计算方法，其特殊之处在于：将城市街道中偶然爆炸冲击波在街道两侧建筑的反射波等效为虚拟爆源产生的冲击波，通过真实爆源与虚拟爆源流场叠加计算爆炸冲击波超压峰值。
[0007]进一步地，上述的城市街道中偶然爆炸冲击波超压峰值的快速计算方法，具体包括以下步骤：
[0008]步骤1、建立城市街道中偶然爆炸冲击波传播模型；
[0009]步骤1.1、建立坐标系；
[0010]以爆炸位置作为原点，以街道中轴线为x轴，街道边界垂直方向为y轴，建立直角坐
标系，其中爆炸位置位于街道中心地面处；
[0011]步骤1.2、建立城市街道中偶然爆炸冲击波传播模型；
[0012]城市街道中偶然爆炸冲击波传播模型为：爆炸冲击波先由原点向各方向传播，在y方向街道边界建筑表面依次发生正反射、规则反射和非规则反射；之后爆炸冲击波主要沿街道中轴线向街道两侧传播；由于模型对称性，仅需考虑冲击波沿x正向传播，计算x方向传播距离l处对应冲击波超压峰值。
[0013]步骤2、设置虚拟爆源(以下简称“虚源”)并计算其爆炸等效TNT当量W
s
；
[0014]步骤2.1、在y轴与街道两侧边界的相交处分别设置虚源；
[0015]步骤2.2、虚源的能量来源于真实爆源(以下简称“真源”)在传播过程中因街道两侧建筑物(刚性壁面)边界限制而转化的能量，即真源传播出刚性壁面边界外的部分。该部分能量将随着真实爆炸波的传播而逐渐增加，并在其传播出足够远的距离后趋于常值。因此，采用双线性模型描述虚源爆炸等效TNT当量W
s
随虚源爆炸冲击波沿x方向的传播距离l的变化关系；
[0016]步骤3、计算真源波阵面和虚源波阵面的几何关系；
[0017]步骤3.1、某一时刻真源波阵面与虚源波阵面的交点为实际流场中该时刻的超压极值点，且该极值点沿x向和y向移动轨迹有很强的线性关系。据此分别计算真源波阵面和虚源波阵面沿x方向传播到距离l处对应传播半径r
t
和r
s
；
[0018]步骤3.2、计算真源波阵面与虚源波阵面在街道中轴线相交时的传播距离l
c
；
[0019]步骤3.3、当l<l
c
时，真源波阵面先于虚源到达距离l处；当l>l
c
时，虚源波阵面先于真源到达距离l处。根据步骤3.1和步骤3.2获得的真源波阵面与虚源波阵面的几何关系计算二者在中轴线的传播距离差d；
[0020]步骤4、分别计算真源和虚源在传播距离l处的超压峰值；
[0021]步骤4.1、采用自拟和的自由场爆炸冲击波超压峰值经验公式，计算真源和虚源在传播距离l处的超压峰值；
[0022]步骤4.2、对于真源波阵面和虚源波阵面先后到达传播距离l处的情况，采用埃思里奇方程描述单个爆源作用的超压时程曲线，引入后一爆源波阵面运动的平均波速计算后一爆源到达距离l处时前一爆源衰减后的超压值；
[0023]步骤5、计算真源和虚源流场叠加后街道实际的超压峰值；
[0024]当传播距离l<l
u
时，虚源对流场超压峰值无影响，取真源波阵面在传播距离l处的超压峰值作为街道中的超压峰值Δp0；l
u
为虚拟爆源爆炸等效TNT当量W
s
变化的起始距离；
[0025]当传播距离l≥l
u
时，根据真源和虚源波阵面到达的先后顺序，分别计算前一爆源波阵面的超压峰值，以及后一爆源波阵面超压峰值叠加前一爆源衰减后的超压值，取二者最大值作为街道实际的超压峰值Δp0。
[0026]进一步地，步骤1中，考虑城市街道为长直型街道，不考虑街道两侧建筑物的效应，将街道两侧建筑物近似为无限高的刚体。
[0027]进一步地，步骤2.2中虚源爆炸等效TNT当量W
s
随虚拟爆源爆炸冲击波沿x方向的传播距离l的变化关系具体为：
[0028][0029]式中，l
u
为虚源爆炸等效TNT当量W
s
变化的起始距离，l
v
为虚源爆炸等效TNT当量变化的转折距离。l＝l
u
时，虚拟爆源对流场开始产生影响，对应的虚源爆炸等效TNT当量称为虚源当量起始值W
su
；l
u
<l<l
v
时，虚源爆炸等效TNT当量随着冲击波传播以线性规律增加；而l>l
v
时，虚源爆炸等效TNT当量保持于某一常值，将该值称为虚源当量稳定值W
ss
。上述参量随街道半宽度w和真实爆源当量W
...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种城市街道中偶然爆炸冲击波超压峰值的快速计算方法，其特征在于：将城市街道中偶然爆炸冲击波在街道两侧建筑的反射波等效为虚拟爆源产生的冲击波，通过真实爆源与虚拟爆源流场叠加计算爆炸冲击波超压峰值。2.根据权利要求1所述的城市街道中偶然爆炸冲击波超压峰值的快速计算方法，其特征在于，具体包括以下步骤：步骤1、建立城市街道中偶然爆炸冲击波传播模型；步骤1.1、建立坐标系；以爆炸位置作为原点，以街道中轴线为x轴，街道边界垂直方向为y轴，建立直角坐标系，其中爆炸位置位于街道中心地面处；步骤1.2、建立城市街道中偶然爆炸冲击波传播模型；城市街道中偶然爆炸冲击波传播模型为：爆炸冲击波先由原点向各方向传播，在y方向街道边界建筑表面依次发生正反射、规则反射和非规则反射；之后爆炸冲击波主要沿街道中轴线向街道两侧传播；步骤2、设置虚拟爆源并计算其爆炸等效TNT当量W
s
；步骤2.1、在y轴与街道两侧边界的相交处分别设置虚拟爆源；步骤2.2、采用双线性模型描述虚拟爆源爆炸等效TNT当量W
s
随虚拟爆源爆炸冲击波沿x方向的传播距离l的变化关系；步骤3、计算真实爆源波阵面和虚拟爆源波阵面的几何关系；步骤3.1、分别计算真实爆源波阵面和虚拟爆源波阵面沿x方向传播到距离l处对应传播半径r
t
和r
s
；步骤3.2、计算真实爆源波阵面与虚拟爆源波阵面在街道中轴线相交时的传播距离l
c
；步骤3.3、根据步骤3.1和步骤3.2获得的真实爆源波阵面与虚拟爆源波阵面的几何关系计算二者在中轴线的传播距离差d；步骤4、分别计算真实爆源和虚拟爆源在传播距离l处的超压峰值；步骤4.1、采用自由场爆炸冲击波超压峰值经验公式，计算真实爆源和虚拟爆源在传播距离l处，即传播半径分别为r
t
和r
s
的超压峰值；步骤4.2、对于真实爆源波阵面和虚拟爆源波阵面先后到达传播距离l处的情况，采用埃思里奇方程描述单个爆源作用的超压时程曲线，引入后一爆源波阵面运动的平均波速计算后一爆源到达距离l处时前一爆源衰减后的超压值；步骤5、计算真实爆源和虚拟爆源流场叠加后街道实际的超压峰值；当传播距离l<l
u
时，虚拟爆源对流场超压峰值无影响，取真实爆源波阵面在传播距离l处的超压峰值作为街道中的超压峰值Δp0，l
u
为虚拟爆源爆炸等效TNT当量W
s
变化的起始距离；当传播距离l≥l
u
时，根据真实爆源和虚拟爆源波阵面到达的先后顺序，分别计算前一爆源波阵...
【专利技术属性】
技术研发人员：王澍霏，田宙，钟巍，贾雷明，王智环，曹渊，寿列枫，张柏华，王宏亮，王海兵，王淑萍，
申请(专利权)人：西北核技术研究所，
类型：发明
国别省市：
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