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【案例】midasNFX爆炸冲击波传播模拟

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midas NFX是集结构、热、流体和优化设计于一体的有限元仿真分析软件,而midas NFX CFD则是其中计算流体动力学求解器高级模块。它采用独特的有限单元法(FEM)进行编程,在midas NFX 程序中搭配结构求解器组成一体化的图形用户界面(GUI),并提供全中文界面。是一款简单易学,易上手,并且实用的 CFD 软件。

01          

前言

     
 

近年来,我国石油化工行业的安全形势依然严峻。虽然发生爆炸的概率非常低,但是一旦发生爆炸,对周边设施及建筑物的损坏通常是非常严重的。因此,需要更精细的方法来研究爆炸发生后对建筑物的破坏程度,从而指导设计加固。

         
02          

midas NFX爆炸冲击波传播模拟

     
 
01.              

前言

本案例模拟在一密闭空间,内部一爆炸源发生爆炸后在空气中传播的过程。

         
02.              

建立模型

为了与fluent对比,采用和网上案例一致的模型。

https://b23.tv/fbZHsol

         
         

几何图形如上,采用对称模型,只需建一半即可。采用四边形网格,网格尺寸5mm,网格数量4万个。将左下角半径0.275m内的单元放入新建网格组,作为爆炸源单元。空气材料采用理想气体模型。

         


         

定义爆炸源          


03.              

定义CFD边界条件

因为是密闭空间,所以选择四周定义壁面,中间为对称边。没有出、入口,所有能量来源于爆炸点。

         

壁面选择默认或者无滑移均可

         
定义对称轴          
04.              

定义分析工况

添加瞬态分析工况,各参数如下:

1、采用理想气体材料时必须勾选流体传热


         

2、单独定义爆炸源处的初始压强和温度。

         
         

3、参考案例里面采用的是无粘(即不考虑湍流),所以采用层流模型。

         

4、打开输出控制,勾选想要查看的所有结果。参考案例使用双精度,此处保持一致。

         

5、修改CFD分析设置的求解器类型为基于密度的可压缩

         
05.              

查看结果

1、打开镜像平面,镜像轴为X=0m。

         

2、双击树形菜单任意项目,查看结果。可右键导入更多分析结果

         
         


2、静压力结果对比(fluent结果来自参考案例)

3、速度结果对比(fluent结果来自参考案例)

03          

开放空间冲击波模拟

     
   

众所周知,在一般的不可压缩流分析中,对于开放边界我们通常采用压力出口(静压=0)即可。但是,对于高速可压缩流分析,例如,飞行器的绕流问题。当来流马赫数超过跨音速区下界(约Ma=0.7~0.8)的时候,流场中就会出现激波、膨胀波等流动现象。

对于实际的飞行器来说,它是在天空中飞行的,通常来说边界(地面)离飞行器非常远,从飞行器发出的激波到达地面的时候,已经由于粘性耗散的作用变得非常微弱。因此,可以认为实际的飞行器是在无限大的空间中飞行的,从飞行器发出的激波、膨胀波不会被反射回来。


但是,在数值计算中,边界只能放置在有限远的地方。当激波和膨胀波延伸到计算域的边界的时候,如果边界条件处理不当,就会在边界产生反射现象,这种反射是不符合实际的。远场边界条件正是为了解决这个矛盾而设计的。更详细解释,可参考文章 

fluent的“压力远场边界”是什么东西?

         

使用出口边界,仍有可能产生反射

远场来流为大气压无速度,Ma=0。温度等于环境温度。

          

远场边界下,冲击波的传播没有反射。

         

远场边界压力云图

远场边界速度云图

远场边界流线图

   

大涡模拟LES-远场边界-压力云图

04          

建筑结构抗爆模拟

     

假设爆炸源为一普通油罐车,爆炸时压力约为15个大气压(15*101325Pa=1519875Pa),温度为2000℃(此数据来源于网络资料)。

         

浙江液化气槽罐车,爆炸威力有多大

         
         
定义爆炸源初始条件          

爆建筑外部爆炸源冲击波传播过程          


建筑物承受的冲击波压力(1~6kPa)


         

摘自GB/T50779-2022《石油化工建筑物抗爆设计标准》          


         
建筑变形(建筑采用实体单元,故变形较小)          

         

钢材应力


        
                   

来源:midas机械事业部
湍流建筑NFX爆炸材料控制
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首次发布时间:2023-03-21
最近编辑:1年前
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