新型炸藥ANPyO熱刺激響應仿真研究

羅 丹,鄭 宇,劉曉軍,王 勇,劉 俊

(1 南京理工大學機械工程學院,南京 210094;2 遼沈工業集團有限公司,沈陽 110045;3 北京礦冶研究總院,北京 100015)

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新型炸藥ANPyO熱刺激響應仿真研究

羅 丹1,鄭 宇1,劉曉軍2,王 勇3,劉 俊1

(1 南京理工大學機械工程學院,南京 210094;2 遼沈工業集團有限公司,沈陽 110045;3 北京礦冶研究總院,北京 100015)

為分析新型鈍感炸藥2,6-二氨基-3,5-二硝基吡啶-1-氧化物(ANPyO)的熱響應規律,利用Fluent軟件建立了帶殼炸藥烤燃模型,對ANPyO在不同升溫速率下(1 ℃/min、2 ℃/min、10 ℃/min、20 ℃/min、80 ℃/min、140 ℃/min)的烤燃情況進行了數值仿真模擬,并與鈍化黑索今(RDX)進行了比較。結果表明:隨著升溫速率增大,炸藥點火時間縮短;在同一個升溫速率下,ANPyO的點火時間是鈍化RDX的1.6倍左右,點火溫度比鈍化RDX高出145 ℃左右,可見ANPyO熱刺激鈍感于鈍化RDX。

鈍感炸藥;ANPyO炸藥;烤燃;點火時間;數值仿真

0 引言

在意外火災等異常熱環境下,炸藥可能發生燃燒、爆炸等重大事故,從而造成不可挽回的重大損失。為模擬炸藥在熱環境下的安全性能,國內外開展了大量研究工作,如智小琦等[1]設計了密封狀態不同的多種烤燃彈結構,用快速烤燃實驗方法,研究了殼體密封條件對RDX基傳爆藥的烤燃響應特性。在進行試驗研究的同時,使用數值模擬方法評估含能材料的熱安全性已成為新的研究途徑,如Victor等[2]對烤燃試驗進行了數值模擬,認為含能材料熱分解和熱傳遞符合Frank-Kamenetskii方程。

近年,新型鈍感炸藥ANPyO因其具有起爆感度低、耐高溫的優點受到國內外廣泛關注[3-5],成健等[6-7]研究了ANPyO炸藥的合成新方法與性能。何志偉等[8]提出了ANPyO炸藥的精制工藝方法,研究了包覆對ANPyO炸藥的降感作用。劉華寧等[9]分析了ANPyO的射流沖擊感度,程波等[10]研究了約束條件對ANPyO快烤響應的影響,對5種不同約束強度下的ANPyO烤燃彈進行了外部火燒試驗研究。

文中通過烤燃數值仿真評估其在不同升溫速率下的響應規律,對于分析帶殼ANPyO炸藥在熱刺激不敏感度上的優勢與應用前景均具有重要意義。

1 理論分析

環境中熱量傳入反應系統,炸藥發生自熱反應分解放熱,當反應系統產生的熱量不能及時散失,系統溫度上升,使炸藥分解加速,系統形成自熱,溫度更快的上升,最終導致燃燒或爆炸。用于研究炸藥熱反應的經典模型主要是Semenov模型和Frank-Kamenetskii模型,前者主要用于描述均溫系統,后者則描述非均溫系統,他們構成了炸藥熱反應理論的基礎[11]。

1.2 數值仿真理論方程

為降低戰斗部熱易損性提供可靠的技術支持,建立烤燃過程的物理模型來研究戰斗部在熱刺激作用下的響應機制成為必不可少的環節。考慮到項目研究內容多,試驗成本較高,因此通過數值仿真研究炸藥的烤燃響應規律也是一種重要途徑。利用計算流體力學軟件Fluent對ANPyO和鈍化RDX炸藥進行了烤燃數值模擬研究,計算時,對炸藥的烤燃過程作如下假設[12]:

1)炸藥為均質固相,化學反應是零級放熱反應,炸藥不發生相變,反應物沒有消耗;

2)炸藥和彈體間無空隙,反應區內僅有熱傳導,反應物質無運動,因此無對流傳熱;

3)炸藥的自熱反應遵循Arrhenius方程;

4)炸藥和鋼殼的物理化學參數為常數的,在反應過程中保持不變。

采用SPSS21.0軟件處理數據，計數資料用率表示，比較采用χ2檢驗，計量資料采用（± s）形式表示，對術后患者尿潴留與獨立變量之間的相關性采用多因素回歸分析模型進行研究，P＜0.05，差異具有統計學意義。

對于非均溫系統,計算中藥柱的熱反應及熱傳導遵循Frank-Kamenetskii方程[13]:

(1)

上式的物理含義為:左邊是單位體積炸藥在單位時間內升高溫度所要求的熱量,右邊第一項為由熱傳導流入或流出的熱量,第二項為單位體積內、單位時間內炸藥熱分解釋放的能量,即炸藥自熱反應源項S,用Arrhenius方程表述為:

(2)

上兩式中:ρ為反應物的密度(kg/m3);cv為比熱容(J/(kg·K));λ為熱導率(J/(m·K·s));a為反應分數;Q為反應熱(J/kg);A為指前因子(1/s);E為活化能(J/mol);R為氣體常數(J/(mol·K))。

2 數值仿真及結果分析

2.1 模型建立

烤燃物理模型如圖1所示,45#鋼殼體圓柱部、上下底端厚度均為3 mm,藥柱直徑30 mm,長120 mm,因為藥柱為圓柱型,為減少計算量,采用二分之一模型計算。由于仿真參數時間步長設定為1 s,模型在1 s內溫度有一定變化,所得點火時對稱面溫度等高線圖與實際點火時模型溫度有一定誤差,但規律一致。

仿真計算中,采用Tet/Hybrid網格劃分,炸藥劃分Spacing設置為1.5,殼體劃分Spacing設置為2,設殼體外壁為加熱邊界,殼體與炸藥接觸熱條件為Coupled,殼體升溫速率設置和炸藥自熱反應源項S通過C語言編寫為UDF子程序加載到Fluent軟件中進行計算。計算的初始溫度為293 K(20 ℃)。采用壓力基隱式求解器及非定常流動計算,選擇標準k-epsilon湍流模型,并啟動能量方程。

圖1 烤燃物理模型圖

2.2 材料參數

ANPyO高聚物粘結炸藥,其粘結劑氟橡膠F2311的含量為5%,數值仿真計算參數如表1所示。

表1 材料計算參數

2.3 不同升溫速率下ANPyO的響應規律

模擬計算得到ANPyO在6種不同升溫速率下炸藥的熱響應規律,點火時模型的對稱面溫度等高線見圖2所示。

由圖2可見,隨著升溫速率增大,炸藥的點火時間縮短,炸藥點火位置由藥柱中心移向藥柱邊緣。

ANPyO在不同升溫速率下炸藥的點火溫度Ti和點火時藥柱的中心溫度Tc,以及由點火時間和升溫速率計算出來得到的殼體溫度Ts,也就是點火時的環境溫度,這3種溫度的變化趨勢見圖3所示。

由圖3可見,升溫速率對Ti影響不大;隨著升溫速率的增加,Ts升高,也就是點火環境溫度升高,說明在慢烤條件下炸藥點火時的環境溫度低,危險性更大;隨著升溫速率的增加,Tc降低,且降低的趨勢變平緩,這是因為在升溫速率較大的情況下,藥柱溫度來不及傳到中心已經達到點火溫度,此時點火位置在藥柱邊緣,而藥柱中心溫度升高的熱量基本上都來自于熱傳導項,升溫不明顯。

圖2 ANPyO點火時模型截面溫度分布圖

圖3 溫度Ti、Ts和Tc隨升溫速率變化曲線

2.4 與鈍化RDX熱響應規律的比較

通過數值模擬計算得到鈍化RDX在6種不同升溫速率下的熱響應規律,在同一升溫速率下,ANPyO的點火時間是鈍化RDX的1.6倍左右,如表2所示,且升溫速率越低,點火時間比值越大,說明ANPyO在慢速烤燃情況下熱不敏感性更好。

表2 不同升溫速率下兩種炸藥點火時間比較

隨著升溫速率的增加,鈍化RDX點火時間的變化規律與ANPyO一致,兩者變化曲線見圖4所示,可見在慢速烤燃情況下,炸藥點火時間曲線變化劇烈,隨升溫速率增加趨于平緩,這是因為殼體在緩慢升溫條件下以傳導傳熱和輻射傳熱的方式將熱量傳給藥柱,藥柱以傳導傳熱的方式將表層的熱量傳遞到藥柱內部,同時藥柱發生自熱反應生熱,自熱源項S隨溫度T呈指數上升,在緩慢升溫情況下,反應生熱少,殼體傳熱慢,于是藥柱中心熱量積累過程長,點火時間長。升溫速率稍微增大時,殼體熱傳導量增大,炸藥自熱反應源項S明顯增大,整個熱積累過程會明顯縮短,從而點火時間明顯縮短,而在快速升溫速率條件下,藥柱邊緣很快達到點火溫度,相應點火時間很短。

圖4 不同升溫速率下兩種炸藥的點火時間變化曲線

隨著升溫速率增大,兩種炸藥點火位置變化規律一致,炸藥點火位置由藥柱中心移向藥柱邊緣,且點火時的殼體溫度Ts逐漸接近于點火溫度Ti,但兩種炸藥的溫度Ti和Ts相差較大,見圖5所示。

由圖5可見,在同一升溫速率下,ANPyO點火溫度Ti比鈍化RDX高出145 ℃左右,且ANPyO點火時殼體溫度Ts比鈍化RDX高出135 ℃左右,即ANPyO點火環境溫度較高,說明ANPyO更不容易被點燃,熱不敏感性較鈍化RDX要好。

圖5 兩種炸藥的溫度Ti和Ts隨升溫速率變化曲線

3 結論

1)升溫速率對點火溫度影響不大;隨著升溫速率的增加,炸藥點火時間縮短,炸藥點火位置由藥柱中心移向藥柱邊緣,炸藥點火時的中心溫度降低;隨著升溫速率的增加,殼體溫度升高,也就是點火時的環境溫度升高,說明在慢速烤燃條件下炸藥點火時的環境溫度低,危險性更大。

2)在同一升溫速率下,ANPyO的點火時間是鈍化RDX的1.6倍左右,且升溫速率越低,比值越大,說明ANPyO在慢速烤燃情況下熱鈍感性更好。

3)在同一升溫速率下,兩種炸藥的點火溫度和點火時的殼體溫度(環境溫度)相差較大,ANPyO點火溫度比鈍化RDX高出145 ℃左右,且ANPyO點火時的殼體溫度比鈍化RDX高出135 ℃左右,即ANPyO點火環境溫度較高,說明ANPyO更不容易被點燃,熱不敏感性較鈍化RDX要好。

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(1): 31-34.

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The Simulation Research of Thermal Stimulus Response of New Explosive ANPyO

LUO Dan1,ZHENG Yu1,LIU Xiaojun2,WANG Yong3,LIU Jun1

(1 School of Mechanical Engineering, NUST, Nanjing 210094, China; 2 Liaosheg Industries Group Co. Ltd, Shenyang 110045, China; 3 Beijing General Research Institute of Mining and Metallurgy, Beijing 100015, China)

In order to analyze new passive explosive ANPyO’s thermal response regularity, the cook-off model of shelled explosive was established based on software Fluent and it was used for simulating the explosive ANPyO’s cook-off situation at different heating rate (1 ℃/min, 2 ℃/min, 10 ℃/min, 20 ℃/min, 80 ℃/min, 140 ℃/min), and compared with passive RDX. The result shows that:with the heating rate increases, explosive’s ignition time decreases. Under the same heating rate, ANPyO’s ignition time is 1.6 times of passive RDX, and the ignition temperature of ANPyO is higher than passive RDX about 145 ℃. Therefore, ANPyO’s thermal stimulus sensitivity is insensitive to passive RDX.

insensitive explosive; ANPyO explosive; cook-off; ignition time; numerical simulation

2014-12-16

國家自然科學基金(11302108)資助

羅丹(1992-),女,湖南常德人,碩士研究生,研究方向:不敏感彈藥技術。

TJ55;O64;O389

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