空化水射流倒空彈藥裝藥的試驗研究及數值模擬

張幺玄，陳 松，廉 鵬，康 超，雷靖華，范鑫辰，羅志龍

(1.西安近代化學研究所，陜西 西安 710065； 2.中國兵器工業試驗測試研究院，陜西 華陰 714200)

引 言

目前通用的報廢彈藥倒空處理方法是高溫熔融法，即通過高溫蒸汽或熱水對澆鑄式或壓裝式TNT裝藥以及梯萘混合裝藥的報廢彈藥進行加熱，使其中低熔點的TNT融化，從而順利從彈殼中倒空裝藥。該方法簡便、易操作，但是應用范圍很窄，僅能倒空處理含有TNT低熔點組分的報廢彈藥。隨著新型彈藥陸續進入批量報廢期，澆鑄式發動機、澆鑄式及分步壓裝式戰斗部等新工藝彈藥(如A-IX-II裝藥)，其裝藥無法利用現有技術手段進行處理。

水射流技術應用于報廢彈藥倒空的研究多集中于高壓水射流對彈藥裝藥的倒空。羅同杰等[1]設計制作一種利用高壓水射流技術倒出彈體裝藥的實驗裝置，采用70和85MPa的高壓水，分別對130mm口徑TNT裝藥彈體、122mm口徑的A-IX-II裝藥彈體進行倒藥實驗。結果發現主要有兩大問題：一是倒出過程中會產生大量泡沫難以處理；二是由于水壓過高，噴嘴及一些密封件需要頻繁更換，大大提高了前期投入和后期維修成本。此外，有報道顯示[2]高壓水射流倒藥對一些敏感度稍高的裝藥不適用，易引起裝藥爆炸，帶來安全隱患。郁紅陶等[3]研究了高壓水射流清理固體推進劑的安全性，理論分析了該方法的適用性、危險性和點火機制，得出高壓水射流清理固體推進劑時，安全性較常規炸藥低，必須預先進行作業系統的安全性評估。何遠航等[3]模擬計算了高速水射流與凝聚炸藥的相互作用過程，可為高壓水射流倒藥作業的安全設計和操作規范提供理論指導。由上述可以看出，高壓水射流倒空裝藥彈體技術在我國雖然已有應用，但目前還未制定統一的相關標準和規范，無法確保廢棄彈藥使用高壓水射流進行處理的安全性[5]。空化水射流技術是一項比較成熟的技術，其廣泛應用于廢水處理、降解反應及船體除垢等領域[6-7]。相比高壓水射流幾十至上百兆帕的射流壓力，空化水射流的優勢在于所需的射流壓力較低，一般不高于32MPa，極大地降低了倒藥過程的安全風險，是一種極具潛力的彈藥裝藥倒空技術。

空化水射流用于彈藥裝藥倒空，尤其是高能炸藥倒空的研究還未見報道。本研究借鑒空化水射流以往的應用經驗，在空化水射流倒藥裝置上對鈍黑鋁彈藥裝藥進行倒空試驗，并對倒藥過程進行模擬分析，以期為空化水射流在彈藥裝藥倒空方面的深入研究提供技術參考和理論指導。

1 實 驗

1.1 空化水射流對裝藥的作用機理

在空化水射流噴射過程中，由于噴嘴結構空化水射流通道的結構變化，引發空化水射流流場內部流場的改變，使得流場渦流中心的壓力下降至水汽氣化閾值或更低，從而為液體中空化的形成創建條件。

當空化水射流與裝藥發生沖擊碰撞時，空化水射流渦流強度降低至不再能夠抵抗壓縮外部壓力，并且空化腔失去其穩定性，塌陷以形成液壓撞擊。當塌陷時，空化腔分裂成一系列碎片，形成水累積微空化水射流，對流動產生阻尼作用。在此情況下，裝藥表面受到液壓撞擊和水累積微空化水射流的強烈作用，導致其侵蝕性破壞。空化水射流對裝藥的作用機理如圖1所示，空化水射流系對裝藥的侵蝕能力主要包括兩部分：一是高速水射流的沖擊侵蝕；二是空化泡潰滅產生的微射流所形成的沖擊侵蝕。相關研究表明[8]，空化水射流的侵蝕能力高于普通射流的3～5倍。在實際倒藥過程中，宏觀高速水射流和空化泡微觀水射流共同發揮作用達到倒空彈藥裝藥的效果。

1.2 工藝過程

空化水射流倒藥工藝流程如圖2所示，主要由上彈單元、空化水射流倒藥單元、倒藥執行機單元、液壓驅動單元、藥水分離單元、監視與控制等組成。

圖2 空化水射流倒藥工藝流程Fig.2 Process flow for emptying explosive with cavitation water jet

倒藥基本過程為：移載機抓手將彈體移送至彈體裝夾位置，裝彈夾具尾部由電機驅動，可繞彈體軸心旋轉；工藝水加壓后經由噴管和噴頭空化發生器進入彈體內，開始倒藥；倒藥過程中噴槍緩慢前進，彈體勻速自旋轉，并始終浸在水中，以保證安全；剝離的藥塊隨水流進入水箱底部，經過濾后進入后續處理系統；整個倒藥作業現場無人工參與，工作人員在監控室監視和控制作業過程，實現了人機隔離和自動化操作。

1.3 倒藥主裝置及試驗條件

圖3為空化水射流倒藥主裝置。在倒藥過程中，為了快速而干凈地倒空彈體內的裝藥，噴頭與彈丸之間需有相對的旋轉和直線移動(在同一條軸線上)，以保證合理的噴射距離和適度的作用時間。

圖3 空化水射流倒藥主裝置Fig.3 Main device for emptying explosive ammunition

彈體與噴頭相互之間的旋轉與直線移動有3種常見組合方式[9-11]：(1)彈體不動，噴頭既繞其軸線旋轉又沿其軸線作直線步進移動；(2)噴頭靜止，彈體既繞其軸線旋轉又沿其軸線作直線步進運動；(3)彈體繞其軸線旋轉，噴頭沿其軸線作直線步進運動。

三者相比，第一種方式存在對高壓旋轉密封要求太高的問題;第二種方式會使藥水回收裝置的結構比較復雜;第三種方式規避了前兩種方法的缺點。因此，試驗過程中彈體與噴頭相互之間的旋轉與直線移動方式選取第三種方式。

圖3倒藥主裝置的倒藥執行方式即采用的是第三種方式，在倒藥過程中彈體的繞軸旋轉和噴頭的直線步進同時進行。根據空化水射流倒空彈藥裝藥流程和關鍵技術分析，在空化水射流倒藥裝置上對76～155mm不同口徑的鈍黑鋁彈藥裝藥進行倒空試驗。工作條件為：高壓泵，功率120kW，其最大水壓70MPa,試驗工作壓強調節在25～32MPa之間，選用5噴嘴噴頭，噴嘴孔徑1mm，噴頭步進速度6mm/min，彈體轉速30r/min。

2 試驗結果與討論

鈍黑鋁彈藥裝藥倒空試驗結果見表1。倒藥現場照片如圖4所示。

表1 鈍黑鋁彈藥裝藥倒空試驗結果

注：d為彈藥口徑；t為倒空時間。

由表1可知，空化水射流技術可以在較低的射流壓力下干凈倒空76～155mm口徑的鈍黑鋁彈藥裝藥，單發倒空時間在15～30min之間，多發平行倒藥試驗結果顯示空化水射流倒空彈藥裝藥試驗穩定性好。

圖4 倒藥現場照片Fig.4 Pictures for emptying explosive of ammunition

由圖4(a)和(b)可以看出，裝藥倒空干凈，彈體內腔無損壞；由圖4(c)可以看出，倒出裝藥顆粒的平均大小為1～2cm，最大不超過4cm，倒出藥顆粒小有利于后續裝藥的回收再利用。

3 數值模擬

3.1 物理模型的建立

為便于計算，建立單噴嘴空化水射流倒藥物理模型，如圖5所示。在網格劃分中選用結構性的四邊形網格，并且在噴嘴及其出口軸線方向上由于射流速度變化迅速，為保證計算精度，對該部分的網格進行加密處理。

圖5 單噴嘴空化水射流倒藥的物理模型及流體域網格劃分Fig.5 Physical model and meth generation for fluid domain of single-nozzel cavitation water jet emplying explosive

3.2 計算方法

選用基于壓力的非定常計算方法，在空化水射流系統中，由于存在劇烈的密度變化，因此采用PISO方式對壓力速度進行耦合，為保證計算結果的精度和穩定性，在數值離散方式中選擇二階迎風格式對壓力、密度和氣相變化進行離散，對動量、湍流度的離散采用一階迎風格式進行，收斂精度以各個參數的參差均小于1×10-4為標準。

選用RNGk-模型作為湍流模型進行計算，近壁面采用非平衡壁面函數方式進行處理；采用Mixture混合模型作為多相流模型進行計算分析，流場內產生的氣相均為空化作用產生的空化氣泡；采用Schner and Sauer模型作為數值模擬時采用的空化模型。

4 數值模擬結果與討論

4.1 空化水射流速度場分布

射流沖擊模擬裝藥速度場分布如圖6所示。

圖6 射流沖擊模擬裝藥速度場分布Fig.6 Velocity distribution for jet impacting the simulation charge

由圖6可知，空化水射流包括自由射流區、沖擊區和壁面射流區。高速流體從噴嘴出口出來，在噴嘴擴展腔的限制下，切向速度和徑向速度沒有迅速擴散，離開噴嘴后高速流體到達自由射流區。在自由射流區中，由于切向和徑向速度的作用，帶動周圍更多的流體高速流動，從而增大射流作用面積。

噴嘴出口射流到達模擬裝藥表面附近前，擁有一個等速率射流區域，該區域的直徑略小于矩形收縮段直徑；當射流到達模擬裝藥表面時，射流開始向中心軸的兩邊離散，并且速度迅速降低，當到達模擬裝藥表面時，射流速度減小為零，稱該點為駐點。

空化水射流中軸線速度先是在入口錐形收縮段陡增，在矩形喉部收縮段達到最大速度，并在此區域保持勻速，在出口擴張段速度出現小幅度緩慢下降，在出口和靶物之間逐漸衰減至零。

噴嘴中最大速度主要與射流壓力有關，兩者之間的數學公式滿足如下方程[12]：

v=44.7·p1/2

式中：v為噴嘴最大速度，m/s；p為射流入口壓力，MPa。

為驗證模擬方法的可靠性，將不同射流壓力下得到的最大模擬速度與經驗公式計算得到的數據進行比對，如表2所示。

表2 最大模擬速度與經驗計算速度比較

由表2可以看出，模擬速度與經驗速度十分接近，誤差不大于0.03%，表明通過數值模擬方法得到的結果真實可靠。

4.2 空化水射流壓力場分布

射流沖擊模擬裝藥壓力場分布如圖7所示。

圖7 射流沖擊模擬裝藥壓力場分布Fig.7 Pressure distribution for jet impacting the simulation charge

由圖7可知，射流壓力的分布遵循伯努利定律，射流壓力在錐形收縮段達到最大，在矩形喉部收縮段，由于受到噴管壁面的阻力，壓力能轉化為動能，此處的速度增大，這與上述速度云圖的結果相符；在擴張段壓力出現一定幅度的回升，迫使射流盡快離開噴嘴，減少動能的損耗，但擴張段回升恢復后的壓強依舊小于收縮段的壓力，這是由于在噴嘴近壁面處和噴嘴擴張段產生強烈的空化現象，而空化泡在射流中膨脹、收縮，尤其是潰滅運動消耗了原有系統中大量能量；射流壓力在自由射流區域不斷衰減，主要是射流中空化造成的能量損失以及受到周圍流體的阻力，射流能量損耗轉移至射流邊界周圍流體。在模擬裝藥表面駐點附近的射流出現壓力回升的現象，這是由于此處射流同時受到模擬裝藥和四周流體的限制難以及時向周圍擴散，而處于一定強度受壓狀態，持續到中心射流擴散至射流邊界為止[13]。

4.3 空化水射流空化場分布

圖8為射流發展過程中空化場發展分布情況。

圖8 空化場發展云圖Fig.8 Evolution of cavitation

由圖8可以看出，射流初期在噴嘴擴張段和自由射流空間域產生大量的空化泡，隨著時間的推移，這些空化泡在隨液流沖擊流向模擬裝藥的過程中，涌向下游的模擬裝藥表面，空化泡在模擬裝藥表面受到模擬裝藥的阻礙作用受力失衡，發生空化作用，伴隨產生強烈的沖擊力作用于模擬裝藥，實現侵蝕破碎裝藥的預期效果。在射流發展過程中，噴嘴擴張段自始至終產生大量的空化泡，這些空化泡隨著液流流動涌向模擬裝藥，保證空化作用反復不斷侵蝕裝藥，達到彈藥倒空的目的。

4.4 裝藥在空化水射流作用下的力學響應

無論是噴嘴噴出的宏觀水射流還是空化作用產生的微觀水射流，都會對裝藥產生侵蝕破碎作用，在空化水射流倒空彈藥裝藥的過程中，兩種水射流共同發揮作用達到快速干凈倒空彈藥裝藥的效果，兩者作用于裝藥的區別主要在于作用力產生源和大小不同，但作用原理類似，均是水射流產生的壓力載荷施加于裝藥面。因此，在模擬裝藥藥面施加一定的水射流壓力載荷，考察模擬裝藥在水射流作用下的應力和形變分布，以期初步了解裝藥的在水射流作用下的內部可視化響應變化情況，模擬結果如圖9所示。

由圖9可以看出，模擬裝藥在水射流作用下既有彎曲變形又有剪切變形，模擬裝藥內部的應力和形變等值線呈類圓形分布，應力和形變最大位置發生于水射流與模擬裝藥直接接觸的中軸線處，并且在向模擬裝藥外圍傳遞過程逐漸減小。因此，當水射流作用力達到裝藥的應力破碎閾值時，裝藥侵蝕破碎主要發生在射流與裝藥接觸區域，并且以此區域為中心逐漸向外圍的裝藥表層和內部遞減擴展，在裝藥內部形成一個類圓形的蝕坑，如圖10所示。

在實際倒藥過程中，當彈體繞軸旋轉和噴頭直線移動同時進行時，蝕坑在裝藥藥面不斷向裝藥表層和裝藥內部拓展，形成環形蝕坑帶，當采用多噴嘴噴頭時，會在裝藥表面形成多個同心環形蝕坑帶，使裝藥達到層層脫落的效果，這一分析與圖10所示實際倒藥過程觀測到的裝藥藥面蝕坑情況相吻合。

5 結 論

(1) 空化水射流系對裝藥的侵蝕能力主要包括兩部分：一是高速水射流的沖擊侵蝕;二是空化泡潰滅產生的微射流所形成的沖擊侵蝕，在實際倒藥過程中，宏觀高速水射流和空化泡微觀水射流共同發揮作用達到倒空彈藥裝藥的效果。

(2) 空化水射流能夠干凈倒空76～155mm口徑的鈍黑鋁彈藥裝藥，彈體內腔無損壞，并且試驗穩定性好；單發倒空時間為15～30min，倒出裝藥粒徑平均大小1～2cm，最大粒徑不超過4cm，有利于后續裝藥的回收再利用。

(3) 空化水射流包括自由射流區、沖擊區和壁面射流區；最大速度發生在矩形喉部收縮段，并在此區域保持勻速，在出口擴張段速度出現小幅度緩慢下降，在出口和靶物之間逐漸衰減；射流壓力的分布遵循伯努利定律；在射流發展整個過程中，射流區域幾乎不發生空化現象，空化泡主要分布于射流柱的外圍；空化泡在模擬裝藥表面受力失衡發生空化作用，伴隨產生強烈的沖擊力作用于模擬裝藥，可有效侵蝕破碎裝藥。

(4) 裝藥侵蝕破碎主要發生在射流與裝藥接觸區域，并且以此區域為中心逐漸向外圍的裝藥表層和內部遞減擴展，在裝藥內部形成一個類圓形的蝕坑；在實際倒藥過程中，當采用多噴嘴噴頭時，會在裝藥表面形成多個同心環形蝕坑帶，使裝藥達到層層脫落的效果。