LS-DYNA深水爆炸仿真，水介质参数初始化怎么设？

在借助数值仿真方法研究爆炸载荷随水深变化规律时，需设定流场的初始热力学参数。在《水介质初始参数设置对水下爆炸载荷的影响》一文中（注：郑永辉, 魏继锋. 爆炸与冲击, 2022, 42(05): 63-72），已经给出了水介质初始参数的设置方法，即根据等温过程或者等内能过程假设计算不同水深下水介质的初始密度和内能或者直接使用LS-DYNA提供的关键字INITIAL_EOS_ALE，此处不再赘述。不过，文中只给出了流体计算域中流体静压力处处相同的工况（简化为一维轴对称模型），当考虑水介质参数在水深方向的连续变化时，还需要在上述基础上进行拓展，对于LS-DYNA程序，本文给出了两种设置方法，各有优劣。

一、INITIAL_HYDROSTATIC_ALE和ALE_AMBIENT_HYDROSTATIC

根据相关资料，采用关键字INITIAL_HYDROSTATIC_ALE和ALE_ AMBIENT_HYDROSTATIC来设置水介质参数水深方向的连续变化是一种较新的方法，也是官方较为推荐的方法。关键字手册中对关键字INITIAL_ HYDROSTATIC_ALE的描述如下：“When an ALE model contains one or more regular (not reservoir-type) ALE parts (ELFORM = 11 and AET = 0), this command may be used to initialize the hydrostatic pressure field in the regular ALE domain due to gravity .The *LOAD_-BODY_(OPTION) keyword must be defined.”对关键字ALE_AMBIENT_HYDROSTATIC的描述为“When an ALE model contains one or more ambient (or reservoir-type) ALE parts (ELFORM = 11 and AET = 4), this command may be used to initialize the hydrostatic pressure field in the ambient ALE domain due to gravity. The *LOAD_-BODY_{OPTION} keyword must be defined. The associated *INITIAL_HYDROSTAT-IC_ALE keyword may be used to define a similar initial hydrostatic pressure field for the regular ALE domain (not reservoir-type region).”从中可以看出，两个关键字分别适用于不同类型的Part，其中，第二个关键字的本质作用在于施加边界条件以维持边界处的压力梯度，使其不随时间变化；此外，在定义这两个关键字的同时，也必须同时定义加载体力的关键字，本质上是在流场施加重力加速度。关于关键字的具体使用，可参考关键字手册中的相关说明及案例。

虽然该组关键字较为简单，但也存在一定的限制，包括：（1）关键字对水介质初始参数的求解算法未知，即水介质参数水深的变化规律未知，只能根据计算结果去反推；（2）对水介质状态方程有限制，R11版本的手册指出，两个关键字暂时只支持EOS_GRUNEISEN和EOS_LINEAR_POLYNOMIAL形式的状态方程，而且对于EOS_LINEAR_POLYNOMIAL，进一步限制如下

从《水介质初始参数设置对水下爆炸载荷的影响》一文中可以看出，在较为严格的约束下，这实质上表明这两个关键字几乎不再适用于深水爆炸数值仿真研究。除上述两点外，这两个关键字也存在其他限制，详情请参考关键字手册，此处不再赘述。

二、LOAD_DENSITY_DEPTH

在上述两个关键字出现前，一般采用关键字LOAD_DENSITY_DEPTH来实现水介质热力学参数随水深的连续变化。关键字手册中对其的介绍为“Define density versus depth for gravity loading. This option has been occasionally used for analyzing underground and submerged structures where the gravitational preload is important. The purpose of this option is to initialize the hydrostatic pressure field at the integration points in the element. See also GRAV in *PART.”从中可以看出，该关键字可以直接指定不同深度处的水介质密度，即假设水介质参数按等内能过程变化。此外，该关键字对状态方程的形式没有限制，这些均是该关键字的优点。不过，该关键字也存在一些难点和问题，一是需要计算不同水深处的水介质密度，即求解非线性方程的根；二是流场的压力存在一定的波动，作者在实际仿真计算中，发现测点处的流体静压力在缓慢上升，部分时刻甚至会发生较大幅度的振荡，这可能是关键字本身的缺陷，也有可能与作者的设置有关。对于第一点，可借助MATLAB中的函数或者其他手段解决，第二点则比较困难，作者的做法是建立两类模型，第一类不设置装药，仅模拟流体静压力随时间的变化，第二类即模拟水下爆炸，用测点处的压力时间曲线减去第一类模型中对应测点处的曲线即可获得超压时间曲线，进而获得超压峰值、冲量和能流密度的参量，该方法是否准确可通过比较冲击波超压峰值前的曲线是否重合即可，根据作者的经验，这种方法虽然取巧，但效果还可以。在使用该关键字的同时，也需要设置合适的边界条件来维持边界处的压力梯度，例如在水域外层添加Ambient Part等。

除上述方法外，可能也存在其他方法。不过，从上述描述中可以看出，这两种方法虽然可以在一定程度上解决深水爆炸流体参数初始化问题，但各自存在一定的不足，在工程上，这些问题可以近似忽略，但当从理论的角度出发，这些小缺陷可能会影响对冲击波载荷参数随水深变化规律的挖掘，因此，建议在使用商业软件的同时，逐步项开源软件靠拢。

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