长方体腔室内内部爆炸载荷的特性与评估

《Process Safety and Environmental Protection》：Characteristics and Assessment of Internal Blast Load in Cuboid Chambers

　　李班若|余俊|霍普|刘瑞超
东南大学爆炸与冲击防护安全工程研究中心，中国南京211189

摘要
随着穿孔武器和无人驾驶飞行器技术的快速发展，内部爆炸已成为攻击基础设施的可行手段。本研究系统地研究了长方体密闭腔室内爆炸载荷的空间分布和时间演变。实验在一个内部尺寸为2米×2米×6米的钢筋混凝土（RC）框架结构中进行。研究了TNT装药质量体积比（CVR）、引爆位置和通风面积比（VAR）对爆炸载荷的影响。使用开源CFD求解器blastFoam进行数值模拟，并通过实验结果进行了验证。一个关键发现是，内部爆炸载荷与冲击波相互作用的形态密切相关。根据入射角度，腔室空间可以分为三个区域：反射主导区域（<45°）、马赫波相互作用区域（45°-75°）和准平面波区域（>75°），在这个区域波的耦合导致准一维传播。实验和模拟结果表明，增加CVR会加剧爆炸载荷，所有测量点的峰值超压和冲击波都会上升。当CVR超过250克/立方米时，准静态超压变得明显。扩大VAR主要减少了冲击波，而不是峰值超压，只有当VAR>0.17且传播距离超过5米（对应于Z≈10米/千克^(1/3)时才会出现显著衰减。受允许的入射角度范围的影响，腔室的纵横比也会影响峰值超压的分布，因为端壁位于不同的区域内。此外，开发了一种改进的镜像方法，考虑了高阶镜像源的效果，以有效预测峰值超压的空间分布和时间演变，特别是考虑到通风口对冲击波衰减的影响。该方法能够快速准确地描述长走廊式腔室中的复杂爆炸载荷，为长方体密闭腔室中的爆炸载荷快速评估和结构抗爆设计提供理论见解和实际指导。

引言
随着穿透武器和无人驾驶飞行器技术的进步，内部爆炸已成为攻击基础设施的可行手段。与露天环境不同，墙壁的封闭使得爆炸产生的冲击波在密闭腔室内多次反射和汇聚，导致更复杂的压力场分布和更长的超压持续时间（Yao等人，2024年）。因此，研究完全和部分密闭腔室内的爆炸载荷分布和演变对于结构抗爆设计以及提供有效的减荷方法至关重要。
迄今为止，许多研究致力于研究完全和部分密闭腔室内爆炸压力的分布和演变。早期的努力主要集中在建立简化的工程模型来描述内部爆炸载荷。Baker（Baker等人，2012年）和Bangash（Bangash和Bangash，2005年）提出只需考虑前三次反射波，如图1(a)所示。每次反射后，每个反射波形被理想化为一个直角三角形脉冲，其幅度减半，而持续时间保持不变。该模型适用于高度对称的封闭空间（例如，带有中心装药的球形或圆柱形腔室）。后来，UFC 3-340-02（国防部DoD，2008年）标准化了这种方法，并进一步澄清内部爆炸载荷可以分为两个阶段：（i）具有高峰值和短持续时间的反射超压阶段，以及（ii）具有较低幅度但较长持续时间的准静态阶段（Beshara，1994年， Zhao等人，2015年），如图1(b)所示。该模型适用于完全密闭或有限通风的腔室（Av/V2/3≤0.022，其中Av是通风面积，V是腔室体积）。
在工程实践中，结构的几何配置和通风条件往往与上述简化模型的假设有很大偏差。现有研究（Reichenbach等人，2002年，Reichenbach和Neuwald，2000年，Ripley等人，2012年，Sauvan等人，2012年）表明，墙壁造成的几何约束会显著放大局部峰值超压，而通风则倾向于减少准静态超压的幅度。因此，后续更精细的研究为不同类型的封闭空间开发了改进的模型。例如，在单腔室空间中，Hu等人（Hu等人，2016年）和Ding等人（Ding等人，2015年）证明了将装药重量和通风效应纳入模型可以显著提高压力预测的准确性；Wu等人（Wu等人，2020年）提出了一种用于内部爆炸载荷下通风腔室的重复实验方法。关于多腔室配置的研究（Julien等人，2018年，Ruscade等人，2024年）表明，相邻房间之间的相互作用显著，波的反射和隔板之间的叠加主导了载荷分布。
另一方面，长走廊和隧道作为公共空间容易受到恐怖袭击引发的内部爆炸的影响，因此对长走廊和隧道内的内部爆炸载荷越来越关注。这些结构高度密闭且呈长条形，导致爆炸波在长距离内保持高压，能量集中，并因重复反射而缓慢衰减。Yan等人（Liu等人，2008年，Yan和Du，2015年）通过实验和数值模拟表明，与自由空气爆炸相比，隧道封闭会导致更高的峰值超压和更长的持续时间。波形通常表现出多次反射和叠加，受装药位置、截面形状和面积以及墙壁反射的影响。Hung等人（Hung等人，2021年）对近场隧道爆炸进行了小规模测试和模拟，展示了截面修改（例如，孔板、膨胀腔）对压力传播和峰值超压分布的影响。Xu等人（Xu等人，2024年）提出了一种用于折角隧道的新载荷模型，强调了曲率和拱形对波放大和衰减的影响。此外，关于爆炸波传播模式，现有研究（Benselama等人，2010年，Pennetier等人，2015年，Uystepruyst和Monnoyer，2015年）确认爆炸波在装药附近以三维方式传播，在远场转变为准一维传播。
除了实验和数值研究，研究人员还探索了理论方法来捕捉结构边界对爆炸载荷特性的影响。其中，基于声波和弹性波理论的镜像方法已被用于爆炸载荷分析。该方法将墙壁对爆炸波的反射视为等效的虚拟源，从而允许实际源和镜像源的贡献叠加。之前的研究（Chan和Klein，1994年，Kong，2013年，Yan等人，2025年）表明，镜像方法可以有效地近似封闭或半封闭环境中的超压分布，并保持计算简单性。后续研究改进了该方法，以考虑多次反射和复杂的几何配置，强调了其在预测角落附近和沿边缘的超压放大方面的优势（Zhang等人，2009年）。最近，提出了一种改进的镜像方法，以进一步考虑开口的影响，从而增强了其在实际封闭场景中的适用性（Wu等人，2017年）。总之，镜像方法提供了一种计算效率高且物理直观的工具来预测内部爆炸载荷，尽管它无法完全捕捉内部爆炸后由反射产生的多峰超压（Hu等人，2023年，Hu等人，2024年）。
总之，简化模型（Baker等人，2012年，Bangash和Bangash，2005年，国防部（DoD），2008年）仍不足以捕捉复杂几何限制下内部爆炸载荷的详细时空特性。尽管关于长形空间的研究揭示了关键的传播模式（Liu等人，2008年，Yan和Du，2015年，Xu等人，2024年，Benselama等人，2010年，Pennetier等人，2015年，Uystepruyst和Monnoyer，2015年，Zhou等人，无日期），部分通风、几何不连续性和由于反射引起的局部放大的综合效应仍需要进一步验证。镜像方法（Chan和Klein，1994年，Kong，2013年，Yan等人，2025年，Zhang等人，2009年，Wu等人，2017年）提供了计算效率和物理清晰性，但其无法再现多峰超压的特点突显了进一步改进的必要性。为了解决上述问题，本研究在内部尺寸为2米×2米×6米的钢筋混凝土（RC）长方体腔室内进行了内部爆炸实验。实验配备了系统的超压传感器布置，以捕捉作用在腔室内壁上的爆炸载荷的特征。结合补充的数值模拟，所得结果为分析在不同装药重量、引爆位置、通风面积和腔室长度下的内部爆炸载荷的空间和时间演变提供了基础。此外，还开发了一种高阶镜像方法（HOIM），以有效预测峰值超压的空间分布和时间演变，考虑了通风口的影响。与主要关注峰值超压预测的现有基于镜像的方法相比，所提出的方法进一步改进了连续反射下的压力-时间历史的表示，并建立了包含波传播、到达时间确定和波形重建的结构化计算框架。

实验设置和测试案例
为了便于进行内部爆炸实验，设计并制造了一个预制RC框架结构，具有厚墙壁和屋顶，以确保在爆炸测试下的刚性表面。可以通过预制RC墙板调整结构，以提供单个立方体腔室、由三个立方体组成的长方体腔室以及由长方体腔室和一个立方体组成的L形腔室。
本研究调查了长方体腔室内的内部爆炸。

数值模型
为了研究有限爆炸测试之外的关键参数的影响，使用开源计算流体动力学（CFD）求解器blastFoam进行了数值模拟，该求解器可以捕捉空气中固体炸药的引爆过程，并具有灵活的引爆和能量释放模型（Heylmun等人，2019年，Noorpoor等人，2022年）。在blastFoam的数值模型中，空气用摩尔质量为28.97克/摩尔的理想气体状态方程表示。

实验和数值结果的讨论
基于实验和数值模拟的综合结果，确定了以下影响爆炸载荷分布和演变的关键因素：CVR、VAR和腔室的纵横比。

高阶镜像方法
镜像方法是一种分析技术，用于简化密闭腔室中冲击波传播的计算。其核心概念是通过引入虚拟镜像电荷等效地表示边界反射。根据LAMB的假设原理（Needham，2010年），结构迎风表面的任何点的总超压被视为实际爆炸源及其所有镜像源贡献的叠加。

结论
本研究进行了内部爆炸测试和CFD模拟，以研究尺寸为2米×2米×4米、2米×2米×6米和2米×2米×10米的长方体腔室中的爆炸载荷。分析了装药质量体积比（CVRs）、引爆位置、通风面积比（VARs）和腔室纵横比对爆炸载荷的影响。最后，提出了一种高阶镜像方法来预测内部爆炸下的时间历史和爆炸载荷的空间分布。

作者贡献声明
李班若：撰写——原始草案、验证、正式分析、概念化。
余俊：撰写——审阅与编辑、监督、资金获取、概念化。
霍普：软件、方法论、数据管理。
刘瑞超：撰写——审阅与编辑、监督、资源。

利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢
作者感谢国家自然科学基金（编号52378490）和 PLA防务工程研究院目标脆弱性评估国家重点实验室开放研究基金的财政支持。这项研究工作还得到了东南大学大数据计算中心和东南大学基础与跨学科科学中心的支持。