DNAN基熔鑄混合炸藥慢烤燃的尺寸效應(yīng)

趙 亮，智小琦，高 峰，范興華，曾 稼

(1.中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山西 太原 030051； 2．內(nèi)蒙古北方重工業(yè)集團(tuán)有限公司，內(nèi)蒙古 包頭 014033；3．晉西工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西 太原 030027)

引 言

熔鑄炸藥受熱會發(fā)生相變，炸藥由固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)，同時炸藥內(nèi)部的傳熱方式和物性參數(shù)也會發(fā)生變化，影響炸藥的熱反應(yīng)特性[1-3]。國內(nèi)外研究人員在熔鑄炸藥烤燃方面進(jìn)行了大量的研究，得到了許多有價(jià)值的結(jié)論。如Tarve等[4]研究了相變對烤燃試驗(yàn)的影響并用吸熱來描述相變過程，但沒有給出炸藥相變溫度；Scholtes等[5]研究了TNT在慢速烤燃試驗(yàn)中的烤燃特性，得出了TNT熔化對炸藥內(nèi)部溫度變化會有明顯影響；McCallen等[6]研究了TNT的對流傳熱模型；王紅星等[7]研究了DNAN炸藥熱安全性，得出了DNAN 炸藥的自發(fā)火溫度，爆發(fā)點(diǎn)及活化能等參數(shù),研究表明作為熔鑄載體，炸藥熱感度優(yōu)于TNT；陳朗等[8]研究了DNAN炸藥在烤燃試驗(yàn)中的響應(yīng)特性，建立了熔化和對流傳熱模型，得出了在傳熱和對流的作用下，熔鑄炸藥內(nèi)部溫度比固體炸藥分布更加均勻，點(diǎn)火區(qū)域擴(kuò)大，響應(yīng)劇烈程度隨之增加；馬欣等[9]研究了DNAN和HMX熔鑄混合炸藥在烤燃實(shí)驗(yàn)下的響應(yīng)特征，建立了混合炸藥的數(shù)值模擬模型，通過數(shù)值計(jì)算得出混合炸藥響應(yīng)主要是由HMX分解放熱引起的，炸藥在不同加熱條件下的點(diǎn)火位置發(fā)生變化。

目前，國內(nèi)對熔鑄炸藥熱安全性的研究主要以固定尺寸烤燃試驗(yàn)為主，而實(shí)際彈藥中尺寸多變。因此，本研究以1.0℃/min的升溫速率對一定約束條件下的Φ19mm×19mm、Φ19mm×38mm和Φ19mm×76mm 3種不同尺寸的DANA基熔鑄混合炸藥藥柱進(jìn)行烤燃試驗(yàn)，研究了尺寸效應(yīng)對DNAN基熔鑄混合炸藥烤燃響應(yīng)特性的影響，為鈍感彈藥的熱安全性評估提供參考。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 烤燃試驗(yàn)裝置及材料

試驗(yàn)采用自行設(shè)計(jì)的烤燃系統(tǒng)如圖1所示。烤燃試驗(yàn)裝置主要由計(jì)算機(jī)、MR13溫控儀(測量精度為0.1℃)、烤燃爐和K型熱電偶組成。其中由MR13溫控儀、烤燃爐和K型熱電偶三者組成溫控反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)，對試驗(yàn)的升溫速率進(jìn)行控制調(diào)節(jié)。利用SFO計(jì)算機(jī)軟件對烤燃試驗(yàn)過程中的溫度進(jìn)行實(shí)時采集。

圖1 烤燃試驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of cook-off test device

烤燃彈的結(jié)構(gòu)和實(shí)物圖如圖2所示。烤燃彈3種裝藥尺寸分別為Φ19mm×19mm、Φ19mm×38mm和Φ19mm×76mm，殼體兩端采用帶螺紋的端蓋密封，壁厚為3mm,頂蓋厚度為1mm，殼體材料均為45號鋼。藥柱為DNAN基熔鑄炸藥，配方(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為：2，4-硝基苯甲醚(DNAN)31.6%，RDX 41%，Al 25%，添加劑2.4%，烤燃彈裝藥密度為1.80g/cm3。用3支WRN-010K類微型熱電偶測量溫度，其中第一支固定在烤燃彈彈體外壁(A點(diǎn))，第二支埋在藥柱中心處(B點(diǎn))，第三支埋在距藥柱中心水平距離6mm處(C點(diǎn))。

圖2 烤燃彈實(shí)物圖和結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Physical picture and schematic diagram of structure diagram of cook-off bomb

1.2 試驗(yàn)方法

以1℃/min的升溫速率從30℃(303.15K)開始對烤燃彈進(jìn)行升溫，加熱到試樣發(fā)生響應(yīng)。記錄烤燃過程中3個監(jiān)測點(diǎn)的溫度-時間歷程曲線，回收破片并通過殼體變形和破碎狀況來衡量試樣彈響應(yīng)程度。每種狀態(tài)至少做兩發(fā)平行試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 裝藥尺寸對混合炸藥響應(yīng)特性的影響

烤燃試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。從表1可以看出，試驗(yàn)測得炸藥在外壁溫度為92.5℃左右開始發(fā)生相變，與DNAN的熔點(diǎn)相近。考慮到測量誤差，3種不同尺寸下的相變溫度接近，表明在1℃/min升溫速率下DNAN基熔鑄混合炸藥相變溫度與裝藥尺寸無關(guān)；同時由于炸藥的導(dǎo)熱性能較差，表層炸藥相變時內(nèi)部炸藥溫度相對較低。不同裝藥尺寸下炸藥響應(yīng)時藥柱中心溫度隨裝藥尺寸的增大呈降低趨勢，這表明盡管炸藥相同，烤燃彈點(diǎn)火溫度隨裝藥尺寸而發(fā)生變化。同時其他監(jiān)測點(diǎn)的溫度也隨裝藥尺寸的增大而降低。熔鑄炸藥的響應(yīng)時間隨裝藥尺寸的增大呈縮短趨勢。

表1 升溫速率1℃/min下烤燃彈的試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Experiment results of cook-off bomb at a heating rate of 1℃/min

注：T1為試樣發(fā)生相變時監(jiān)測點(diǎn)溫度；T2為試樣響應(yīng)時監(jiān)測點(diǎn)溫度；t為響應(yīng)時間。

在升溫速率1℃/min 下不同裝藥尺寸烤燃彈響應(yīng)后破片狀態(tài)如圖3所示。

圖3 不同裝藥尺寸烤燃彈試驗(yàn)結(jié)果Fig.3 Results of with cook-off bomb tests with different charge sizes

由圖3可見，3種裝藥尺寸下烤燃彈殼體均未發(fā)生明顯變形，端蓋受剪切炸開，響應(yīng)階段炸藥熱分解使烤燃彈內(nèi)部壓力增大，烤燃彈端蓋較薄，約束強(qiáng)度較弱，為烤燃彈的薄弱環(huán)節(jié)，所以在烤燃彈內(nèi)部壓力增大時端蓋率先剪切沖開。其中裝藥尺寸為Φ19mm×19mm烤燃彈點(diǎn)火后一端端蓋受剪切炸開，另一端端蓋發(fā)生明顯鼓包；裝藥尺寸為Φ19mm×38mm和Φ19mm×76mm的烤燃彈由于裝藥量增大，點(diǎn)火后兩端端蓋均受剪切炸開；同時在殼體內(nèi)部和端蓋上均有白色的炸藥產(chǎn)物。表明在升溫速率1℃/min的情況下，3種裝藥尺寸的烤燃彈均未發(fā)生爆轟反應(yīng)，只發(fā)生了燃燒反應(yīng)。

2.2 烤燃過程時間-溫度歷程曲線分析

圖4為裝藥尺寸為Φ19mm×38mm的烤燃彈烤燃過程中各個監(jiān)測點(diǎn)的時間-溫度歷程曲線。

圖4 烤燃過程中各個監(jiān)測點(diǎn)的時間-溫度歷程曲線Fig.4 T-t curves of various monitoring points during cook-off

從圖4可以看出，殼體外壁溫度按1℃/min升溫速率上升，藥柱內(nèi)部溫度在外部熱刺激作用下升高。在炸藥相變階段，藥柱相變出現(xiàn)吸熱峰。在響應(yīng)階段，炸藥中心溫度與6mm處溫度急劇上升，溫度-時間歷程曲線出現(xiàn)明顯拐點(diǎn)，判斷此時炸藥開始劇烈反應(yīng)，因此取拐點(diǎn)處溫度為炸藥的響應(yīng)溫度。

3 數(shù)值模擬

3.1 數(shù)學(xué)模型的建立

根據(jù)烤燃試樣的結(jié)構(gòu)建立數(shù)學(xué)模型，首先作以下假設(shè)：(1)炸藥為均一固體，相變過程忽略微觀不均勻性；(2)整個烤燃過程殼體材料參數(shù)保持不變；(3)炸藥的自熱反應(yīng)遵循Arrhenius定律[10]。

取時間-溫度曲線拐點(diǎn)處藥柱中心溫度為炸藥的響應(yīng)溫度。烤燃過程中烤燃彈內(nèi)部系統(tǒng)中質(zhì)量、能量、動量連續(xù)方程可以用以下通用形式來表示[11]：

(1)

式中：φ為通用變量，包含質(zhì)量、能量、動量等；Γ為廣義擴(kuò)散系數(shù)；S為炸藥自熱源項(xiàng)，遵循Arrhenius方程。

(2)

式中：Q為反應(yīng)物的反應(yīng)熱；A為指前因子；E為反應(yīng)物的活化能；ρ為反應(yīng)物的密度；R為普適氣體常數(shù)；f(a)為反應(yīng)功能函數(shù)，所用計(jì)算模型為零級反應(yīng)模型，所以f(a)=1。

采用FLUENT軟件進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，烤燃彈的計(jì)算模型如圖5所示，烤燃彈殼體外壁設(shè)置為加熱面，殼體和藥柱間設(shè)置為耦合邊界條件，烤燃彈1/2模型截面設(shè)置為對稱邊界條件。采用焓孔隙率方法處理炸藥的相變過程[12]，通過液相分?jǐn)?shù)來追蹤相界面位置變化。用多孔介質(zhì)模型來描述混合物。藥柱的升溫速率和自熱源項(xiàng)用C語言編寫成子程序通過用戶自定義(UDF)接口加載到軟件。升溫速率設(shè)置為1℃/min，對裝藥直徑為19mm、長徑比分別為0.5、1.0、2.0、3.0、4.0、5.0、6.0不同裝藥尺寸的模型進(jìn)行加熱,直到炸藥發(fā)生響應(yīng)。

圖5 烤燃彈試樣網(wǎng)格模型Fig.5 Grid model of cook-off bomb

3.2 材料參數(shù)

數(shù)值計(jì)算時的材料參數(shù)參照文獻(xiàn)[8,13],以實(shí)驗(yàn)所得監(jiān)測點(diǎn)溫度為依據(jù)，調(diào)整材料參數(shù)，直至實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值計(jì)算結(jié)果相吻合。調(diào)整后的材料物性參數(shù)如表2所示；DNAN炸藥和RDX炸藥反應(yīng)動力學(xué)參數(shù)如表3所示。

表2 材料的物性參數(shù)Table 2 Physical parameters of materials

注：ρ密度；C為比熱容；λ為熱導(dǎo)率；μ為黏度；Qm為熔解熱。

表3 材料的反應(yīng)動力學(xué)參數(shù)Table 3 Chemical kinetic parameters of materials

注：E為活化能；A為指前因子；Q為反應(yīng)熱。

4 模擬結(jié)果與討論

4.1 炸藥烤燃數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對比分析

裝藥尺寸為Φ19mm×38mm的DNAN基熔鑄混合炸藥數(shù)值計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果對比見表4，裝藥尺寸Φ19mm×38mm的DNAN基熔鑄混合炸藥計(jì)算與試驗(yàn)的時間-溫度曲線如圖6所示。

表4 試驗(yàn)結(jié)果和模擬計(jì)算結(jié)果對比Table 4 Comparison of the test results and the simulation calculation ones

注：T1為試樣發(fā)生相變時監(jiān)測點(diǎn)溫度；T2為試樣響應(yīng)時監(jiān)測點(diǎn)溫度；t為響應(yīng)時間。

圖6 升溫速率1℃/min下各監(jiān)測點(diǎn)模擬計(jì)算和試驗(yàn)的時間-溫度曲線Fig.6 T-t curves of monitoring points from calculation and experiment at a heating rate of 1℃/min

從表4和圖6可以看出，各監(jiān)測點(diǎn)計(jì)算溫度與試驗(yàn)測量的溫度基本吻合，誤差均在3%以內(nèi)，說明該模型和計(jì)算方法能夠準(zhǔn)確地描述DNAN熔鑄混合炸藥在加熱過程中的相變和熱響應(yīng)情況。

4.2 不同裝藥尺寸烤燃模擬計(jì)算結(jié)果分析

升溫速率1℃/min下不同裝藥尺寸烤燃計(jì)算結(jié)果如表5所示。由表5可知，在裝藥直徑為19mm的情況下，長徑比為0.5的烤燃彈響應(yīng)時各監(jiān)測點(diǎn)的溫度最高，分別為206℃(A點(diǎn))、209.8℃(B點(diǎn))、208.6℃(C點(diǎn))；響應(yīng)時間最長，為10614s。長徑比為6.0的烤燃彈響應(yīng)時各監(jiān)測點(diǎn)溫度最低，分別為191.1℃(A點(diǎn))、180.7(B點(diǎn))、180.4℃(C點(diǎn))；響應(yīng)時間最短，為9666s。即隨長徑比增大響應(yīng)時各監(jiān)測點(diǎn)溫度呈降低趨勢，響應(yīng)時間呈縮短趨勢。

表5 不同裝藥尺寸烤燃彈模擬計(jì)算結(jié)果Table 5 Calculated results of cook-off bomb with different charge sizes

注：L/D為長徑比；T為試樣響應(yīng)時監(jiān)測點(diǎn)溫度；t為響應(yīng)時間。

響應(yīng)溫度和響應(yīng)時間與裝藥尺寸的關(guān)系曲線如圖7所示。從圖7可以看出，當(dāng)長徑比為0.5～4.0時響應(yīng)時各監(jiān)測點(diǎn)溫度均隨裝藥尺寸的增大呈指數(shù)減小，同時響應(yīng)時間隨裝藥尺寸增大也呈指數(shù)衰減；但當(dāng)長徑比繼續(xù)增大時，響應(yīng)溫度趨于定值，響應(yīng)時間也基本不變。表明在慢速烤燃情況下，長徑比較小時，炸藥響應(yīng)溫度較高，但隨著長徑比增大，炸藥響應(yīng)溫度逐漸降低，當(dāng)長徑比大于4.0時，炸藥響應(yīng)溫度趨于恒定。由此可以推斷，在該研究條件下，裝藥長徑比小于4.0的試樣的熱安全性優(yōu)于裝藥長徑比較大的試樣。

圖7 響應(yīng)溫度和響應(yīng)時間與裝藥尺寸的關(guān)系曲線Fig.7 Relation curves of charging size with response temperature and time

不同裝藥尺寸的DNAN熔鑄混合炸藥點(diǎn)火時刻溫度分布云圖如圖8所示。

圖8 不同裝藥尺寸下DNAN熔鑄混合炸藥點(diǎn)火時刻溫度云圖Fig.8 Temperature distribution of DANA casting mixed explosive at different charging sizes

從圖8可以看出，在升溫速率1℃/min下，不同裝藥尺寸的烤燃彈在點(diǎn)火時刻藥柱內(nèi)部溫度呈梯度分布，其中中心區(qū)域溫度最高，為點(diǎn)火區(qū)域，且點(diǎn)火區(qū)域與藥柱尺寸呈相似幾何分布，表明在升溫速率1℃/min下裝藥尺寸對DNAN基熔鑄混合炸藥點(diǎn)火位置無明顯影響，但點(diǎn)火區(qū)域逐漸擴(kuò)大。

5 結(jié) 論

(1)在升溫速率不變的情況下，DNAN基熔鑄混合炸藥的相變溫度與裝藥尺寸無關(guān)。在本研究條件下，3種炸藥裝藥尺寸分別為Φ19mm×19mm、Φ19mm×38mm和Φ19mm×76mm的烤燃彈在升溫速率1℃/min下的響應(yīng)等級均為燃燒。

(2)裝藥尺寸對升溫速率1.0℃/min下的 DNAN基熔鑄混合炸藥點(diǎn)火位置無明顯影響，炸藥點(diǎn)火位置均在藥柱中心，點(diǎn)火區(qū)域與裝藥尺寸呈幾何相似。

(3)在約束條件和升溫速率不變情況下，不同裝藥尺寸的DNAN基熔鑄混合炸藥的響應(yīng)溫度不同，即裝藥尺寸對響應(yīng)溫度有明顯影響。

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