Effect of Porosity Distribution and Orifice Geometry on Blast- Wave Attenuation In Porous Plate Arrays
本研究结合了激波管实验与计算流体力学（CFD）模拟，旨在证明优化内部孔口几何形状（特别是采用连续扩张型轮廓）以及策略性地布置孔隙率梯度，能够显著增强刚性多孔板阵列对冲击波的衰减效果，其提升效果超越了仅通过改变孔隙率所能达到的效果。
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当爆炸发生时，它会向外发送一道以惊人速度冲出的空气墙。这道被称为冲击波的空气墙携带着巨大的压力，能在火灾或碎片到达之前很久就摧毁建筑物并造成人员伤亡。在像走廊或隧道这样的封闭空间内，这种压力并不会简单地穿过；它会在墙壁和天花板上反弹，不断堆积，从而变得更具破坏性。为了保护结构免受这种“隐形铁锤”的伤害，工程师们经常转向使用被动屏障——带有孔洞的实心墙。这些多孔屏障通过将单一、巨大的压力墙分解成许多更小、更弱的相互作用来发挥作用。当冲击波撞击孔洞时，它会分裂、旋转并反射，在此过程中损失能量。研究人员长期以来一直追问的问题是：如何设计这些孔洞才能对冲击波造成最大的破坏。几十年来，研究重点一直在于孔洞的数量以及板材之间的距离，但每个孔洞内部隧道的实际形状却在很大程度上被忽视了。
罗德岛大学的一个研究小组决定仔细观察这个缺失的部分：孔洞本身的内部几何形状。他们想知道空气通过屏障的路径是否与开口的大小同样重要。为了找出答案，他们建造了一个长而窄的管子，可以产生受控的冲击波，本质上是一个微型爆炸室。他们在管内放置了带有孔洞的刚性板阵列，并测量到达远端的压力大小。他们测试了具有直圆柱形孔洞的板，但也制作了孔洞随空气通过而变宽或变窄的板。有些孔洞的形状像一个逐渐收窄的漏斗，有些则像一个逐渐扩大的漏斗，还有一些具有复杂的阶梯状内部形状。为了观察金属板内部肉眼无法触及的情况，他们使用了强大的计算机模拟技术，来可视化空气、密度和压力在通过屏障时的不可见波动。
结果表明，孔洞的形状是阻挡爆炸的关键因素。研究人员发现，仅仅缩小孔洞是非常有效的；与没有孔洞的实心墙相比，带有较小开口的阵列将撞击后壁的峰值压力降低了近 38%。然而，这些孔洞的排列方式也同样重要。当他们测试那些孔洞从屏障前部到后部逐渐变小的板时，末端的压力峰值明显低于孔洞逐渐变大的情况。这表明，将最紧凑的限制设置在冲击力最强的最前端，是减缓初始冲击最有效的方法。
但最令人惊讶的发现来自于形状孔洞。团队发现，一种特定的设计——即孔洞从入口到出口连续变宽——的表现优于他们测试的所有其他配置。与空白墙相比，这种发散形状将峰值压力降低了近 48%，并将爆炸的总力量降低了 21% 以上。相比之下，那些内部变窄或具有复杂阶梯的孔洞表现并不理想，尽管它们拥有相同的开放空间。计算机模拟揭示了原因：当冲击波进入扩大的孔洞时，它平滑且逐渐地扩张，在不产生剧烈、混乱的旋涡或可能强化波浪的尖锐反射的情况下损失了能量。其他形状则会导致空气挤压然后突然膨胀，从而产生二次冲击波和湍流射流，使压力保持在高位。
这项研究证实，多孔屏障的内部架构与其整体开放程度同样重要。以往的设计侧重于孔洞的数量，而这项研究表明，空气通过这些孔洞所经过的路径决定了能量损失的程度。连续扩大的通道就像是冲击波的一个温和制动器，减慢了它的速度，并比测试的任何其他形状都更有效地分散了它的能量。尽管研究人员指出，他们的发现是基于特定条件的，且现实世界的爆炸情况各异，但证据清楚地指向了一种新的设计原则。通过塑造屏障内部隧道的形状来引导空气向外扩散，工程师们可以创造出更轻、更有效的盾牌，来抵御冲击波的破坏力。
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