High-fidelity fluid dynamics modeling in blast loading scenarios

The earliest studies on blast-loaded structures date back to World War II when experiments to characterize the structural deformation of plates subjected to underwater explosions were conducted. These studies enabled the development of the first analytical methods to describe the inertial response of blast-loaded structures. The gradual consolidation of detonation theories resulted in a growing emphasis on structural analyses, driven also by the proliferation of terrorist activities. More recently, thanks to the availability of specialized computational codes, numerical simulations have ensured a level of detail beyond that achievable with experiments. Hence, the design of experimental setups for calibration and validation of numerical models has become increasingly relevant. Leveraging these advancements, this thesis develops a high-fidelity model to describe the response of blast-loaded plates, serving as the numerical counterpart of an experimental apparatus. The uncoupled numerical framework employed for modeling the test setup involved two separate phases. The first phase consisted of a Computational Fluid Dynamics (CFD) analysis, which simulated the detonation of the high-explosive material, the blast wave generation, and its propagation within the fluid domain. This phase aimed to map the pressure field exerted on the target, which was considered infinitely rigid. Subsequently, the pressure field was applied to the deformable plate through a finite element analysis. The core of the thesis deepens the detonation dynamics and the related numerical models, introducing a novel detail often overlooked in existing analyses. This element is the expanded polystyrene (EPS) disc used to position the explosive charge. EPS falls into the category of buffer materials and behaves as a blast load mitigator. The disc is incorporated into the CFD analyses by employing the experimental stiffened gas model, which was modified and calibrated in this thesis. The computed residual transverse deflection of the target plate captured the desired effects and revealed the impact of polystyrene. It induced a slight, but not negligible, reduction in the transmitted impulse and a decrease in the deformation caused by the blast load. The high computational load of CFD simulations, unlike structural analyses, hindered the achievement of mesh-independent results, further complicated by the necessity to explore the sensitivity of various and not documented parameters. Hence, a rigorous validation of the numerical results is premature, but the comparison with experiments is promising.

I primi studi sulle strutture soggette a carichi da esplosione risalgono alla Seconda Guerra Mondiale, dove sono stati condotti i primi esperimenti per caratterizzare la deformazione strutturale di piastre soggette all’effetto di detonazioni sottomarine. Questi studi hanno consentito lo sviluppo dei primi metodi analitici per decrivere la risposta inerziale di strutture soggette a queste condizioni di carico estreme. Successivamente, il consolidamento delle teorie relative al processo di detonazione ha contribuito a un crescente interesse nell’analisi strutturale, a causa anche della diffusione di attività terroristiche. Più recentemente, lo sviluppo di codici di calcolo specializzati ha reso il livello di dettaglio delle simulazioni numeriche maggiore di quello ottenibile sperimentalmente. Pertanto, la progettazione di strumenti sperimentali per la calibrazione e validazione dei modelli numerici ha assunto un ruolo sempre più rilevante nelle attività di ricerca. Questa tesi sfrutta questo scenario per sviluppare un modello ad alta fedeltà di piastre soggette a carichi da esplosione, rappresentando la controparte numerica di un apparato sperimentale specifico. La modellazione avviene secondo una strategia disaccoppiata che si articola in due fasi. La prima prevede analisi Fluidodinamiche Computazionali (CFD) finalizzate a simulare la detonazione del materiale esplosivo, la generazione dell’onda d’urto e la sua propagazione all’interno del dominio fluido. Questa fase consente di mappare il campo di pressione esercitato sulla piastra, inizialmente considerata rigida. In seguito, il campo di pressione viene applicato alla struttura caratterizzandone la configurazione deformata mediante un modello ad elementi finiti. La tesi approfondisce la dinamica del processo di detonazione e i modelli numerici corrispondenti, introducendo un elemento innovativo rispetto alle analisi già disponibili in letteratura. Si tratta del disco di Polistirolo Espanso (EPS) utilizzato sperimentalmente per posizionare la carica. L’EPS rientra nella famiglia dei materiali impiegati come strumento di mitigazione delle onde d’urto causate dalla detonazione di esplosivi. Pertanto, la sua integrazione all’interno dei modelli CFD è rilevante ed è stata effettuata a partire dal modello sperimentale di gas rinforzato, modificato e calibrato durante le analisi. La configurazione deformata residua della piastra ottenuta numericamente replica l’andamento desiderato e mostra l’effetto del polistirolo. Infatti, il disco determina una riduzione contenuta, ma non trascurabile, dell’impulso trasmesso alla struttura, con una conseguente riduzione della deformazione. Il notevole carico computazionale delle simulazioni fluidodinamiche non ha consentito, a differenza delle analisi strutturali, di ottenere risultati indipendenti dalla dimensione della griglia numerica. A questo risultato ha contribuito anche la necessità di verificare l’effetto di diversi parametri non documentati. In conclusione, una validazione rigorosa del modello è prematura, nonostante il confronto con gli esperimenti sia promettente.