A comparison of AUTODYN and RSPH on two-dimensional shock waves problems

Abstract

It is important, both to the military and civilian community, to be able to predict the strength and propagation pattern of shock waves generated from the detonation of high explosives. This report documents a comparative study of two different simulation tools, AUTODYN and Regularized Smoothed Particle Hydrodynamics (RSPH), used in the study of shock waves in air. AUTODYN is a commercially available software based on several numerical solvers and has been used at FFI for quite some time. RSPH, based on the numerical method Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH), is a software package initially developed at the University of Oslo in collaboration with the Norwegian Defence Estates Agency. Over the last couple of years though, FFI has also provided a major contribution to the on-going development of the code. This development has been motivated by the general desire to accurately model nonlinear problems in fluid dynamics. In this work we compare the numerical results obtained with AUTODYN and RSPH on twodimensional shock problems. The tests assume either planar or cylindrical symmetry. The results from the two different software packages are to a large degree qualitatively similar, although quantitative differences occur. Furthermore, the study reveals a major difference in accuracy between the two solvers available in AUTODYN for treating this kind of problems. The more commonly used Godunov solver is shown to be substantially less accurate than the other two solvers. As for computational speed, RSPH seems to be roughly twice as fast as AUTODYN.

Det er svært viktig, både i militær og sivil samanheng, å kunne forutsjå styrken og forplantingsmønsteret til sjokkbølgjer frå detonasjonar av høgeksplosiv. Denne rapporten dokumenterar ei samanliknande studie av to ulike simuleringsverkty, AUTODYN og Regularized Smoothed Particle Hydrodynamics (RSPH), til bruk ved studie av luftsjokk. AUTODYN er ein kommersielt tilgjengeleg programvare basert på fleire ulike løysingsmetodar, og har i lengre tid har vorte brukt på FFI til mellom anna å studere luftsjokk. RSPH, basert på løysingsmetoden Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH), er ein programvare som opprinneleg vart utvikla ved universitetet i Oslo i samarbeid med Forsvarsbygg. I dei seinaste par åra, har óg FFI gjeve viktige bidrag til vidareutviklinga av koden. Denne utviklinga har vore motivert av eit generelt ønske om nøyaktig å kunne modellere ikkje-lineære problem i fluiddynamikken. I dette arbeidet samanliknar vi numeriske resultat frå simuleringar med AUTODYN og RSPH på todimensjonale sjokkproblem. Testane antek anten plan eller sylindrisk symmetri. Resultata frå dei to ulike programma viser stor grad av kvalitativt samsvar, jamvel om det finst ein del kvantitative skilnader. Vidare viser studia at dei to løysingsmetodane i AUTODYN som er aktuelle for denne type problem, gjev høgst ulik nøyaktighet. Godunov-løysaren, som er den mest vanleg brukte løysaren, har vist seg å vere langt mindre nøyaktig enn dei to andre løysarane. Når det gjeld reknefarten på dei to programvarane, ser det ut til at RSPH er opptil dobbelt så rask som AUTODYN.