新型乳化炸藥動壓減敏裝置的數值模擬研究*

程揚帆,汪 泉,繆廣紅,沈兆武，顏事龍

(1.安徽理工大學彈藥工程與爆炸技術系，安徽淮南 232001；2.中國科學技術大學近代力學系，安徽合肥 230027)

1 引 言

圖1 傳統的沖擊波動壓減敏實驗原理圖Fig.1 Schematic of traditional dynamic pressure desensitization experiment

乳化炸藥在延遲爆破作業中存在“動壓減敏”的問題[1-3]。這是由于延遲爆破中先起爆的乳化炸藥會對后爆的乳化炸藥產生動壓載荷，導致后爆乳化炸藥的敏化氣泡被破壞，從而影響乳化炸藥的爆轟性能，甚至可能發生半爆和拒爆。乳化炸藥的動壓減敏不僅影響爆破效果，而且在處理盲炮時容易引發安全事故。在實驗室條件下如何合理設計延遲爆破的模擬實驗，對乳化炸藥的動壓減敏研究至關重要。通過文獻調研發現，水下爆炸法是研究乳化炸藥動壓減敏的主要方法[4-6]，將引爆的主發藥作為動壓源，水作為傳壓介質，乳化炸藥因受到沖擊波的動壓作用而發生減敏，實驗裝置如圖1所示。然而，隨著研究的深入，傳統的乳化炸藥動壓減敏裝置已不能很好地滿足現有實驗的要求。在我們的前期研究中，通過對傳統動壓減敏裝置進行優化設計，得到一種新型動壓減敏裝置(見圖2)，使單個主發藥能夠同時獲得多個受壓的乳化炸藥樣品，不僅節約了實驗成本，而且保證實驗條件的均一性，減小了實驗誤差；該新型裝置已廣泛應用于乳化炸藥的動壓減敏研究中，取得了很好的實驗效果[7-10]。然而，在水下爆炸實驗中，該新型乳化炸藥動壓減敏裝置中的流場分布特征及其對實驗結果精度的影響尚未探明。因此，本研究擬通過數值模擬的方法，研究該裝置在實驗過程中的流場分布情況以及流場分布對實驗結果的影響，為后續實驗裝置的優化和乳化炸藥動壓減敏實驗的開展提供指導。

圖2 改進后的沖擊波動壓減敏實驗原理圖Fig.2 Schematic of improved dynamic pressure desensitization experiment

2 裝置簡介與存在的問題

如圖2所示，該新型動壓減敏裝置的主體結構為矩形鋼架，主發藥壓裝RDX(動壓源)被固定在矩形鋼架的中心，在其兩邊不同距離(距離可調)處用鋼絲將乳化炸藥樣品綁在矩形鋼架上，并使主發藥和乳化炸藥樣品的中心處于同一水平線上，然后將該裝置完全浸沒在水中，最后引爆主發藥在水中形成沖擊波，對不同距離的乳化炸藥樣品進行不同強度的動壓加載，從而模擬延遲爆破中乳化炸藥的動壓減敏現象。通過改變主發藥兩邊乳化炸藥的配方，可以研究在相同沖擊強度下不同配方的乳化炸藥的抗動壓減敏性能(橫向比較)；通過調整乳化炸藥樣品與主發藥的距離，可以研究某一配方乳化炸藥的抗動壓減敏性能與受壓強度的關系及變化規律(縱向比較)。

然而，在該新型裝置水下爆炸動壓減敏實驗中，除最靠近中心主發藥(第一排)的兩個乳化炸藥樣品外，其余乳化炸藥樣品受到的沖擊波加載勢必會受到前方乳化炸藥阻擋的影響。前期研究[7-10]主要集中在相同沖擊強度下不同配方的乳化炸藥抗動壓減敏性能的橫向比較，而在縱向比較研究中，前方乳化炸藥的阻擋對后方乳化炸藥的沖擊波動壓加載的影響不可忽視。因此，有必要對該新型動壓減敏裝置的沖擊波流場特征進行研究，分析流場分布對實驗結果的影響，以期通過裝置的優化設計將縱向比較研究中的實驗誤差減小到最低。

3 數值模擬研究

3.1 計算模型

圖3 三維計算模型Fig.3 Three-dimensional calculation model

我們主要研究前方乳化炸藥的阻擋對后方乳化炸藥沖擊波加載的影響，因此考慮到問題的相似性和計算的經濟性，可將問題簡化，只模擬研究第一排受壓乳化炸藥對沖擊波的阻擋以及其后方的流場特征。采用cm-g-μs單位制進行三維建模，如圖3所示，水域范圍為100 cm×100 cm×100 cm，主發藥壓裝RDX的質量為10 g，長、寬、高分別為2.0、2.0、2.4 cm，球形乳化炸藥樣品的質量為30 g，半徑為2 cm，壓裝RDX距離第一排乳化炸藥25 cm。利用LS-DYNA動力學有限元軟件進行計算。壓裝RDX和水采用多物質ALE算法，待受壓的乳化炸藥采用Lagrange網格建模，采用漸變網格劃分單元，并對模型邊界施加無反射邊界條件。乳化炸藥與水之間使用流固耦合算法。

在爆炸載荷作用下，水采用Mie-Grüneisen狀態方程，其具體形式取決于水的狀態，在壓縮狀態下

(1)

在膨脹狀態下

pw=ρw0C2μ+(γ0+aμ)e

(2)

式中：pw、ρw為水的壓力和密度,下標“0”代表初始狀態；μ=ρw/ρw0-1，當μ>0時材料處于壓縮狀態，反之則為膨脹狀態；C為聲速；γ0為Grüneisen系數；a為體積修正系數；e是單位體積內能；S1、S2、S3為實驗擬合系數，具體參數見表1。

表1 水的Mie-Grüneisen狀態方程參數Table 1 State parameters of Mie-Grüneisen equation for water

乳化炸藥的參數參見文獻[11]。RDX采用高能炸藥材料模型，相應的爆炸氣體采用JWL狀態方程

(3)

式中：η=ρ/ρ0,ρ為爆炸氣體的密度，ρ0=1.78 g/cm3,為炸藥的初始密度;E是高能炸藥的單位體積內能，ρ0E=9.0 GPa;模型參數A=581.4 GPa，B=6.8 GPa，R1=4.1，R2=1.0，ω=0.35。

通過調整模擬計算參數和網格劃分方式，使RDX水下爆炸沖擊波在無乳化炸藥阻擋的情況下，其模擬結果與文獻[12]中的實驗結果一致，從而確定最終的計算模型。

3.2 沖擊波流場的分布特征

圖4是新型動壓減敏裝置在不同時刻的沖擊波壓力流場分布特征圖。從圖4(c)可以看到，當沖擊波到達第一排乳化炸藥后，由于乳化炸藥的阻擋，沖擊波會發生繞射、反射和透射現象；由圖4(d)可以看到，與未受乳化炸藥阻擋的情況(主發藥上、下側)相比，受到乳化炸藥阻擋后沖擊波的流場(主發藥左、右側)發生了變化，勢必對沖擊波的強度造成一定影響。為了研究前排乳化炸藥對后排炸藥沖擊波壓縮的影響，分別研究了不同位置處與流場分布圖相對應的沖擊波壓力時程，并與未受乳化炸藥阻擋的情況進行對比。

圖4 不同時刻(t)新型動壓減敏裝置的流場分布特征圖Fig.4 Flow field distribution of new dynamic pressure desensitization device at different time

圖5分別是沖擊波剛到達第一排乳化炸藥(距離RDX 24 cm)、沖擊波剛好繞過乳化炸藥(距離RDX 26 cm)和沖擊波即將到達第二排乳化炸藥(距離RDX 50 cm)時，其壓力時程曲線與相應的無乳化炸藥阻擋情況的對比，表2是與圖5相對應的模擬數據結果。由圖5和表2可知，當沖擊波剛到達乳化炸藥時，乳化炸藥的阻擋對沖擊波的強度沒有影響；當沖擊波剛好繞過乳化炸藥時，乳化炸藥的阻擋使沖擊波的強度降低了7.2%；當沖擊波繞過第一排乳化炸藥且即將到達第二排乳化炸藥時，由于沖擊波的重新匯聚，使乳化炸藥的阻擋對該處沖擊波強度的影響降至0.4%。模擬結果表明，前排乳化炸藥的阻擋會對后排乳化炸藥的沖擊波壓縮強度造成一定影響，但隨著排距的增大，其影響程度逐漸減弱。

圖5 若干臨界位置處沖擊波壓力時程曲線與無阻擋情況的比較Fig.5 Comparison of shock wave pressure-history at several critical positions with unblocked condition

表2 乳化炸藥的阻擋對若干臨界位置處沖擊波壓力的影響Table 2 The influence of emulsion explosive on the shock wave at several critical positions

3.3 最小排距的確定

在研究乳化炸藥抗動壓減敏性能與受壓距離的關系及變化規律(縱向比較)時，單次實驗得到不同距離處的受壓乳化炸藥越多越好，而新型動壓減敏裝置的尺寸受到限制，因此，在不影響實驗精度的情況下，應盡量減小乳化炸藥之間的排距。最小排距是指動壓減敏實驗中當前排乳化炸藥的阻擋對沖擊波影響最小時，兩排乳化炸藥間距的最小值。圖6分別是第一排乳化炸藥后10、15和20 cm處沖擊波的壓力時程曲線與無阻擋情況的比較。根據圖5和圖6可得到第一排乳化炸藥后不同位置處沖擊波的壓力峰值以及阻擋對沖擊波的影響程度。

由表3可知，當排距為10 cm時，前排乳化炸藥對后排乳化炸藥沖擊波壓縮的影響程度為2.7%；當排距為15 cm時，該影響程度降低到0.6%；而當排距超過20 cm時，其影響程度降低到0.4%。綜合考慮實驗設備的尺寸和實驗精度，將本實驗條件(球狀乳化炸藥的半徑為2 cm，RDX的質量為10 g)下的受壓乳化炸藥的最小排距設為20 cm。

由于乳化炸藥的阻擋，沖擊波到達乳化炸藥后會發生繞射、反射和透射現象。前排乳化炸藥對后排乳化炸藥沖擊波壓縮的影響程度不僅與沖擊波強度有關，還與“障礙物”乳化炸藥的尺寸等因素有關。所以，在進行動壓減敏實驗之前，可根據主發藥的質量和受壓乳化炸藥的尺寸，通過數值模擬預先確定相鄰乳化炸藥樣品之間的最小排距。

圖6 乳化炸藥后不同位置處沖擊波的壓力時程曲線與無阻擋情況的比較Fig.6 Comparison of shock wave pressure-history at several positions behind the emulsion explosive with unblocked condition

表3 前排乳化炸藥的阻擋對其后不同位置處沖擊波壓力的影響Table 3 The influence of emulsion explosive of front row on the shock wave at different following positions

4 結 論

(1) 數值模擬結果表明，新型乳化炸藥動壓減敏裝置中，前排乳化炸藥對后排乳化炸藥的阻擋會造成后排乳化炸藥受到沖擊波壓縮的強度降低，但通過增大排距的方法可以使其影響降到最低。(2) 在新型動壓減敏裝置中，當乳化炸藥的半徑為2 cm、主發藥RDX的質量為10 g時，要使前排乳化炸藥對后排乳化炸藥的影響最小，則待受壓乳化炸藥的最小排距應設為20 cm。(3) 在利用該裝置進行乳化炸藥動壓減敏實驗之前，可以通過數值模擬的方法確定最小排距，從而提高裝置的使用率和實驗精度。

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