球形爆炸冲击波正面作用下人体头部损伤规律的数值模拟_郭泽荣.pdf

机理研究 D 焦作:河南理工大学，2017.PEI B esearch on synergistic law and mechanism ofgas-liquid two-phase medium for suppressing pipeline gasexplosion D Jiaozuo:HenanUniversityofTechnology，2017.esearch on inert gas-water mistsynergistic explosion suppressionof methaneHU Shuangqi1，ZHU Wenbo1，HU Lishuang1，LIU Genglin1，LI Lianqiang2(1 School of Environment and Safety Engineering，North Universityof China，Taiyuan 030051，China;2 Institute of OccupationalHealth of Ordnance Industry，Xi an 710065，China)Abstract:In this paper，the suppression of gas explosion wasstudied by using a 20 L self-modified spherical explosion vesselIn experiments，the gas partial pressure method was adopted forthe preparation of mixed gasThe research quantitativelyanalyzed the explosion pressure and the explosion pressure riserate of the gas explosion and the explosion suppression efficiencywhen various inert gases were injected The effects of three inertgases(CO2，N2，Ar)on the maximum explosion pressure andthe maximum explosion pressure rise rate of CH4explosion wereanalyzed The results show that the explosion suppression effectof CO2is superior to the other two inert gases When the volumefraction of CO2is 6%，the maximum explosion pressure andexplosion pressure rise rate of the CH4explosion are 0.113 MPaand 1.58 MPa/s，declining respectively by 78.6%and 86.4%It is proved that the occurrence of the gas explosion can bedelayed and the explosion intensity can be reduced by all of thethree inert gases However，for N2and Ar，the volume fractionof inert gas should be increased to achieve the same effect ofexplosion suppression as CO2Therefore，according to thesingle-phase explosion suppression results above，CO2，with thebest explosion suppression effect among the three inert gases，isthe optimum selection to study the synergistic effects of inert gaswith water mist on explosion suppression efficiencyLargeamounts ofrepeatedexperimentsshowthattheexplosionsuppression efficiency of 2%CO2 1 MPa water mist isincreased from 20.3%with a single-phase volume fraction of 2%CO2to 38.5%，and the explosion suppression efficiency issignificantly improved It means that the synergistic explosionsuppression efficiency of inert gas and water mist is higher thanthat of single-phase inert gas and water mist The synergisticexplosion suppression effect of inert gas and water mist isprogressively enhanced with the increase of the inert gasconcentration and the atomization pressure of water spray，butthere is no linear correlation between the two in terms of theexplosion suppression effectKey words:safety engineering;gas explosion;inert gas;explosion characteristics;cooperative explosionsuppression文章编号:1009-6094(2023)07-2326-08球形爆炸冲击波正面作用下人体头部损伤规律的数值模拟*郭泽荣1，李晓禹1，崔潇丹2(1 北京理工大学机电学院，北京 100081;2 北京市燃气集团有限责任公司，北京 100035)摘要:在军事行动、恐怖袭击和工业事故等爆炸事件中，爆炸冲击波引起的头部损伤已成为主要致伤形式之一。为了阐明冲击波损伤规律及头部承受冲击波损伤阈值，针对不同冲击波入射压力对人体颅脑不同部位的损伤规律进行了研究。建立了头部三维有限元模型，验证了其有效性。建立了冲击波 头部流固耦合模型，在大脑表面沿正中矢状面选取5 个特征点，对头部分别在 1 000 kPa、800 kPa、600 kPa、400kPa、300 kPa、200 kPa、100 kPa 和 50 kPa 入射冲击波作用下的损伤情况进行分析。在球形冲击波的作用下，颅骨分散冲击波，为脑组织提供防护;冠状面前侧的特征点受压，后侧特征点受拉;入射冲击波超压大于 600 kPa 时，距离爆源越近的特征点压力越大，距离爆源越远的特征点压力越小;造成颅脑组织 80%严重损伤的入射冲击波超压临 界 值 约 为137 kPa。关键词:安全工程;冲击波;三维头部模型;颅脑损伤;流固耦合;爆炸载荷增强拉格朗日 欧拉耦合法(LBE ALE)中图分类号:X932文献标志码:ADOI:10.13637/j issn 1009-6094.2022.0389*收稿日期:2022 03 15作者简介:郭泽荣，副教授，博士，从事人体损伤与个体防护研究，guozr bit edu cn。0引言由于 简 易 爆 炸 装 置(Improvised ExplosiveDevices，IEDs)在恐怖袭击和军事活动中的应用显著提升，爆炸冲击波导致的脑损伤也随之大幅增加1 2。伊拉克战争中的统计数据显示，几千士兵遭受了创伤性脑损伤(Traumatic Brain Injury，TBI)，其中 69%是由冲击波造成的3 4。冲击波对人的伤害主要分为 3 种:冲击波引起大气压力的变化直接作用造成的损伤为一级爆炸损伤;物体被冲击波带动击中人员造成的损伤为二级爆炸损伤;人员在冲击波的作用下被抛出造成的损伤为三级爆炸伤害5 7。由于伦理道德等限制，目前国内外关于冲击波6232第 23 卷第 7 期2023 年 7 月安全 与 环 境 学 报Journal of Safety and EnvironmentVol 23No 7Jul，2023创伤性脑损伤(blast-induced Traumatic Brain Injury，b-TBI)的研究受限，试验以假人模型8，动物模型9 10，体外脑细胞组织、脑组织培养11 等研究方法为主。然而，动物模型因其尺寸和生物结构与人体差异较大，结果并不可靠12。目前对于冲击波颅脑损伤的试验研究中，活体研究方法无法实现，因此数值模拟的方法深受国内外学者青睐。但由于涉及物理学、生物医学以及时间尺度、空间尺度等诸多影响，精确地模拟冲击波对颅脑损伤仍然很困难13。1973 年，Hardy 等14 建立了世界上第一个人体头部有限元模型。国内相关研究较晚，1992 年，王以进等15 将医学磁共振(Magnetic esonance，M)头颅断层扫描图像直接输入计算机，并利用基于 CT 图像的三维重建软件首次建立了脑的有限元模型。目前，已有许多学者建立了各种情况下的钝性颅脑损伤有限元模型16 19。近几年，很多更逼真的人体头部有限元模型被用来从病理学和临床诊断的角度研究钝性冲击导致的轻度颅脑损伤20 23。拉格朗日欧拉耦合法(Arbitrary Lagrangian-Eulerian，ALE)是一种常被用来模拟爆炸冲击波对结构作用的有限元方法。国外很多学者建立了人体头部有限元模型，并且应用这种耦合法进行了冲击波对头部作用的模拟 24 26。Moss 等 24 建立了比较简单的人体模型，发现爆炸产生的冲击波作用于人体头部正面颅骨造成的屈曲会损伤脑组织。Moore 等 25 建立了冲击波对人体头部侧面的损伤模型，并将结果与冲击波对人体肺部损伤的研究结果进行了比对，发现轻度创伤性脑损伤与冲击波对肺损伤的中枢神经系统振荡效应是相似的。Chafi 等 26 建立了1/8 炸药模型冲击波对六面体单元组成的人体头部损伤模型，发现 150 g TNT在1 m 位置爆炸不会导致桥静脉破裂。由于传统的爆炸冲击波损伤有限元模型复杂，所需计算时间长，并且人体头部模型结构粗糙，本文建立结构逼真的人体头部模型，并且使用爆炸载荷增强拉格朗日 欧拉耦合法(Load Blast Enhanced-Arbitrary Lagrangian-Eulerian，LBE ALE)27 对 TNT当量 0.005 kg 下不同爆距冲击波对人体头部的损伤进行研究，得到爆炸冲击波对人体头部的损伤规律及造成颅脑 80%损伤的入射冲击波临界超压。1三维头部数值模型1.1三维头部有限元模型人体的颅脑组织主要由大脑、小脑和脑干 3 部分组成，在颅脑组织外层，分别包裹着软脑膜、蛛网膜及硬脑膜，蛛网膜下腔中充斥着脑脊液(Cerebro-Spinal Fluid，CSF)，对中枢系统产生减振和支撑的作用。颅骨与硬脑膜的外围紧密结合，颅骨的外面是皮肤与肌肉组织。根据人体头部解剖学结构，基于身高178 cm、体质量 70 kg 左右的男性头部建立了三维头部有限元模型，头部模型包括皮肤、颅骨、脑脊液、小脑、大脑(脑沟、脑回)、胼胝体和脑干，见图 1。颅内压(Intracranial Pressure，IC