讨论：模拟air blast时的波的传播速度与衰减问题

zhihuayi

我做了一个air blast 的算例，冲击波的传播速度要比实验数据快一倍，而且也衰减得比较快。
材料参数卡用了
*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN
*MAT_NULL
*MAT_SOIL_AND_FOAM_FAILURE
分别模拟TNT，空气和地面。
状态方程用*EOS_JWL和*EOS_LINEAR_POLYNOMIAL
ALE算法
网格尺寸，炸药用5cm见方的solid element, 逐渐放大，10m处用60cm的单元。
自己调了很久的参数，在可能的参数变动范围内，地面和空气的影响都不大。炸药的detonation velocity和internal energy有影响，可是效果也不好。
估计可能的问题：
1、单元网格的划分还太大
2、*Mat_Null 来模拟空气是不是有问题

请各位指教，谢谢。

helen_ustc

1、单元网格的划分还太大~~有点
2、*Mat_Null 来模拟空气是不是有问题~~不行的话用空物质看看。

zhihuayi

谢谢Helen. 我需要点时间来试一试空物质。
已经把单元加密了一倍，即总的单元数多了8倍。现在前5毫秒的模拟结果表明这个传播速度过快和波的随距离衰减过快的趋势更加明显。

zhihuayi

对于detonation velocity，我是参考下列网址
http://www.globalsecurity.org/military/systems/munitions/explosives.htm
说从4,000 to 25,000 feet/sec.
冲击波的速度，50kgTNT在3m远处大约是1000m/s.
衰减照理应当按距离的立方规律，就是那个scaling factor z=w(1/3)/R规律
可是我看实验仿佛衰减的较慢，而DYNA算得的衰减较快。有文献指出，Dyna underestimates the pressure and overestimates the impulse. 也不知道它是怎么得到这个结论的。

zhihuayi

总结一下。
问题的提出：用DYNA进行100lb (45kg) TNT 的air blast 模拟，数值计算与实验数据不符合，表现在最大压力随距离衰减过快和冲击波传播过快。
分析： 有关参数及用Mat_Null模拟空气可参照J.Wang 的"Simulation of Landmine explosion Using LS-DYNA3D Software" Weapons Systems Division, Aeronautical and Maritime Research Lab. Australia 2001 （可以在本版找到）
对于单元尺寸大小，从7.5cm见方到1.0cm见方分6级调试，观察同一点的最大压力，单元尺寸及压力比上一级改变如下表
3.7cm          39.9%
2.4cm          25.6%
1.8cm          14.7%
1.5cm          5.7%
1.0 cm         1.2%
结论：至少需要用到1.5cm的网格，结果才收敛。意味着，1立方米的空间大约需要100万个单元。这里有个很奇怪的问题，我们估算的单元尺寸远大于这个尺度，估算如下：
爆速3000m/s；持续时间1毫秒，则频率为1000Hz；波长 L=V/f=3000/1000=3.0
取波长的1/10,则为30cm,远大于需要的1.5cm. 请大家说说这个问题吧。

关于前后处理
建议用LS-prepost，而不是ETA的FEMB和它的后处理。ETA的前后处理有例子手册，很容易上手。但是，FEMB28.0 有500,000个节点的限制。而ETA的后处理好像是不能看CFD网格。我们用的是正版的。

关于编辑K文件的一个习惯
建议用INCLUDE这个命令把Node,Element,Node Set这样一些占地方的东东编到另一个文件中去。于是，主要的K文件怎么都不会超过30K，甚至两个页面就可以搞定，极大方便了修改参数来调试。再次推荐网站
http://www.dynaexamples.com/
这大约是官方教程。里面的各个例子编写习惯大都很好，而且写得很清楚，参数也可以参考。

helen_ustc

关于下面这点，波在最初时刻 上升沿似乎只有10微秒左右，甚至更少，几个微秒。在传播的过程中被拉长了。

爆速3000m/s；持续时间1毫秒，则频率为1000Hz；波长 L=V/f=3000/1000=3.0
取波长的1/10,则为30cm,远大于需要的1.5cm. 请大家说说这个问题吧。

sbc6941

其實在我的研究中
1.*NULL 材料來模擬空氣是個很好的材料
但是其中參數值影響最大為CO值
在其中關鍵字的文件中有談論到
2.如何保持在1ATM 以及在元素的初始溫度如果調高
有助於爆壓提升
3.另外網格形狀和密度也是影響爆壓衰減的因素
  圓形-圓形      矩形-矩形  為最佳模型
試試吧

ireneping

zhihuayi wrote:
ALE算法
网格尺寸，炸药用5cm见方的solid element, 逐渐放大，10m处用60cm的单元。

你的炸药有10m？？

zhihuayi

感谢helen和***c6941的建议，不好意思，***c6941的名字总是成为***，是系统的问题

看来要把这个题目写成一个连载了，希望各位xdjm捧场。
是关于自由场地中的TNT爆炸模拟，free air burst, 或者叫 aboveground airblast
100lb(45kg)TNT, 大小约为30cmX30cmX30cm, 考察周围10m的场地情况。常见问题如下：

Q:一定要用*Mat_High_burn吗？是不是有其他的方法
A:最成熟的方法是单自由度结构的分析，实验都做了几十年。对于确定的单自由度结构，估算得非常准确。问题是如何把结构简化为单自由度需要很高的技巧。其次可以用*load_blast，在八十年代中期被认为是足够满足一般的工程需要。然后是Dyntran，可以把一维的荷载映射(mapping)到三维上。我没有这个软件，所以不知道具体的细节。给他们世纪公司写信也不理我，所以算了。但是记住一点，三维远远比一维复杂。拿波的传播速度作为例子，速度公式的推导是用平面应力假定，显然不符合三维。

Q:一定要用ALE吗？
A:在炸药量很小的情况下，不引起大的变形，用Lag网格是可以的。可是变形一大，网格（特别是高阶单元网格）的扭曲会极大地降低单元精度，如果能计算下去的话，计算结果是不可信的。用Euler网格，模拟爆炸波没问题。可是，还得把这个波作用到结构上不是？纯Euler方法考虑动边界（冲击波和结构）是一个非常困难的问题。

Q:炸药的参数
A:在本版有J.Wang 2001年的Land Mine的报告，很多人都用他的参数。V取1表示理想气体，R1,R2都是无量纲量。C0就是大气压啦。C4,C5是与Gama=cp/cv联系在一起的。空气的Gama是1.4，双原子氦气的是1.66.所以呢，对于空气C4=C5=0.4. E0是内能，或者说温度，是一个热力学的概念。波的传播的微分方程是与时间有关的，需要时间来传播；而热的微分方程是与时间无关的，瞬间传播。所以如果把E0设得太大，应力图中从一开始就看见红通通一片。

Q:网格的尺寸
A:一般的方法是试，直到结果收敛为止。
Menikoff, R., Lackner, K. S. and Bukiet, B. G., “Modeling Flows with Curved Detonation Waves,” Combustion and Flame, Vol. 104, 1996, pp. 219-240. 说用0.1mm
J.Wang 用大约4mm
S.P. Medvedev, S.V. Khomik1, H. Olivier, 2003 "Experimental Setup, Measurement Technique and Test Conditions for Explosions with Active/Passive Additives"Institute of Chemical Physics, RAS, Moscow, Russia 用2cm
JOSEPH M. POWERS and HERMAN KRIER, "ATTENUATION OF BLAST WAVES WHEN DETONATING EXPLOSIVES INSIDE BARRIERS" Journal of Hazardous Materials, 13 (1986) 121-133 用5cm
我自己的？不知道，现在还在试。

Q:时间步长
A:一个有趣的现象是，当网格尺寸从7.5cm缩小到2.5cm时，时间步长由0.7微秒变为0.006微秒(从第0.8毫秒起).仿佛是*initial_detonation卡引起的。

Q:重力的影响
A:用*body_force_Z 施加重力，重力没有影响。这点也很有意思，因为它意味着空气不会因为重力流出ALE网格。不知道是为什么。我在边界上加的是无放射边界条件。如果加入了土地，在模拟的后段，重力是有影响的。大概是因为溅起的土壤在重力下运动轨迹不同而影响到波的反射吧。只是一个猜想。

Q:怎样看应力
A:这个问题需要斑竹及各位指点。我现在的办法是，在*DATABASE_HISTORY_SOLID中给个单元号，然后到结果文件elout中去看单元的x-stress. 有点怀疑这个方法是不是正确。。。

simkim

对于air blast经验公式更好一些，没有必要用ALE方法，算不起，也算不准，用*load_blast可以满足工程要求，另外还有其它软件，如Blast,Shock等，可以计算某一点的反射压力，对于简单的结构，可以直接加到结构上；而对于复杂结构，还要给出衰减规律。
当然经过这样一个过程对程序理解是有好处的，我也是这样走过来的，多多鼓励！

zhihuayi

楼上说得有道理，实际上说中了研究现状。可是如果用load_blast，一不能考虑波的绕射，二不能考虑冲击波的多次反射。而且经过这么20来年的研究，我相信能用load_blast考虑的结构差不多都已经被研究过了。现在我们有更快的计算机；有并行算法；像Helen所讲的，冲击波的波长是越传播越长，意味着至少空气单元不必用太小的尺度。也许可以试一试。

***c6941 wrote:
其實在我的研究中
1.*NULL 材料來模擬空氣是個很好的材料
但是其中參數值影響最大為CO值
在其中關鍵字的文件中有談論到
2.如何保持在1ATM 以及在元素的初始溫度如果調高
有助於爆壓提升
3.另外網格形狀和密度也是影響爆壓衰減的因素
  圓形-圓形      矩形-矩形  為最佳模型
試試吧

请问7楼，“保持在1ATM”是什么意思？

zhihuayi

失败了，不能算。

lweizh

你可以试试void物质模拟，让炸药在一定范围内流动。
你地面的材料参数和实际的相同吗？还是和wang文章里的一样的？

lweizh

可以参考 白金泽的书

yulizhao

可以计算，用blast时无法考察反射波对拉氏结构的影响

jdcao

鼓励众多兄弟姐妹的心得体会

sammy388

这么好的一个帖子，讨论怎么就停止了那？
希望大家继续讨论，我也遇见这个问题，衰减的很快，而且计算得到的数值明显偏小！
希望高人继续指教！

要年糕

sammy388 发表于 2009-7-6 22:53
这么好的一个帖子，讨论怎么就停止了那？
希望大家继续讨论，我也遇见这个问题，衰减的很快，而且计算得到 ...

一样的，用ALE法冲击波衰减相比试验和经验公式快很多，有的论文是调整炸药参数去了

风浪雨奏

同样的问题，采用ALE爆破模型，计算后岩石PPV衰减相比现场实测的要快很多