曾 稼,智小琦,郝春杰,于永利

(1 中北大學(xué)地下目標(biāo)毀傷技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室,太原 030051;2 晉西工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司,太原 030027; 3 吉林江機(jī)特種工業(yè)有限公司,吉林吉林 132021)

0 引言

2,4-二硝基茴香醚(DNAN)是低成本、低感度、能量接近RDX,安全性優(yōu)于TNT的新型熔鑄炸藥。它能與AP相容,在配方設(shè)計(jì)中可以通過(guò)AP改善氧平衡以提高能量,是目前不敏感熔鑄炸藥的代表。純DNAN的熔點(diǎn)為95 ℃[1],略微偏高,但它可與其他炸藥形成低共熔物使熔點(diǎn)降低。對(duì)DNAN及其混合炸藥進(jìn)行熱烤研究,可以對(duì)其熱安全性有更全面的了解,這對(duì)該炸藥在熱環(huán)境中的安全使用具有重要意義。

2002年,McCallen[2]等對(duì)TNT慢速烤燃實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)液態(tài)TNT的對(duì)流傳熱對(duì)炸藥內(nèi)部溫度變化有顯著的影響。2009年,王紅星[3]等對(duì)DNAN的熱安全性進(jìn)行了研究,得到其自發(fā)火溫度、熱爆炸延滯期和熱爆炸臨界溫度,并與傳統(tǒng)熔鑄載體炸藥TNT進(jìn)行了對(duì)比。羅一鳴[4]等研究了DNAN的凝固過(guò)程并與TNT做了對(duì)比。結(jié)果表明,DNAN的凝固行為不同于TNT,不是逐層凝固,而屬于中間凝固,為DNAN的凝固行為和凝固缺陷的生成機(jī)制提供了參考。2009年,陳朗[5]等以TNT為研究對(duì)象,根據(jù)已有的TNT炸藥烤燃實(shí)驗(yàn),對(duì)不同加熱速率下TNT炸藥的烤燃過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算。結(jié)果表明,炸藥相變對(duì)炸藥點(diǎn)火溫度、點(diǎn)火時(shí)間和點(diǎn)火位置都有影響。目前,國(guó)內(nèi)外對(duì)DNAN物理化學(xué)性質(zhì)的研究已經(jīng)較多,DNAN自身熱特性的研究也有報(bào)導(dǎo),但對(duì)DNAN基混合炸藥熱烤試驗(yàn)的研究卻極少。

文中在前人研究的基礎(chǔ)上,利用自行設(shè)計(jì)的烤燃試驗(yàn)裝置,采用多點(diǎn)測(cè)溫的試驗(yàn)方法,對(duì)該炸藥在3.3 K/h、1 K/min、2 K/min三種升溫速率下進(jìn)行了烤燃試驗(yàn)。在此基礎(chǔ)上,建立烤燃彈的三維熱響應(yīng)計(jì)算模型,考慮了重力作用、炸藥的相變、液態(tài)炸藥的熱對(duì)流,對(duì)不同升溫速率下的炸藥的烤燃過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬。分析不同熱刺激強(qiáng)度下DNAN基熔鑄混合炸藥的熱響應(yīng)規(guī)律,為全面了解熔鑄混合炸藥的熱安全性能提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置及材料

烤燃實(shí)驗(yàn)裝置主要由計(jì)算機(jī)、MR13溫控儀(調(diào)節(jié)精度0.1℃)、烤燃爐、烤燃彈及鎳鎘/鎳硅熱電偶(1級(jí)精度)組成。溫控儀通過(guò)熱電偶對(duì)溫度自動(dòng)進(jìn)行采樣和控制。利用自行設(shè)計(jì)的SFO計(jì)算機(jī)軟件實(shí)時(shí)采集烤燃實(shí)驗(yàn)過(guò)程中溫度-時(shí)間歷程曲線。

實(shí)驗(yàn)用烤燃彈由殼體、藥柱和上下端蓋3部分組成,端蓋與殼體之間用螺紋連接,殼體材料為45#鋼,內(nèi)腔尺寸分別為Φ30mm×60mm壁厚3mm、端蓋厚3mm。烤燃彈藥柱為DNAN基混合炸藥,質(zhì)量配方為31.6%的DNAN、25%的Al、41%的RDX和2.4%的添加劑。藥柱尺寸為Φ30mm×60mm,藥柱密度為1.80g/cm3,采用鑄裝工藝。烤燃彈實(shí)物圖如圖1。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

為了解炸藥內(nèi)部各部分的溫度變化情況,每發(fā)烤燃彈在烤燃過(guò)程中用2支熱電偶監(jiān)測(cè)外壁和藥柱內(nèi)部的溫度變化情況。其中監(jiān)測(cè)點(diǎn)1為烤燃彈外壁圓柱部中點(diǎn)的溫度(T1);監(jiān)測(cè)點(diǎn)2為藥柱幾何中心的溫度(T2)。實(shí)驗(yàn)時(shí),通過(guò)溫控儀控制加熱爐以確定的升溫速率對(duì)烤燃彈進(jìn)行加熱,記錄測(cè)點(diǎn)溫度以及炸藥響應(yīng)時(shí)殼體的變形情況,用來(lái)判斷炸藥的響應(yīng)結(jié)果。

1.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

表1為三種升溫速率下的烤燃實(shí)驗(yàn)結(jié)果。由表1可以發(fā)現(xiàn),隨著升溫速率的增大,炸藥發(fā)生相變時(shí)外壁的溫度呈升高趨勢(shì)而藥柱中心溫度則不斷降低。可見(jiàn),升溫速率較大時(shí),藥柱內(nèi)部溫度梯度較大,靠近殼體內(nèi)壁的炸藥首先發(fā)生相變。而當(dāng)升溫速率較小時(shí),藥柱內(nèi)部溫度更加均勻。炸藥響應(yīng)時(shí),隨升溫速率的增大,外壁溫度逐漸升高,而藥柱中心溫度則呈降低趨勢(shì)。3.3K/h的升溫速率下,炸藥發(fā)生響應(yīng)時(shí),藥柱中心溫度高于殼體外壁的溫度;1K/min、2K/min時(shí),則是殼體外壁溫度較高,說(shuō)明點(diǎn)火位置發(fā)生了改變。

表1 烤燃實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖2為三種升溫速率下烤燃彈反應(yīng)后的狀態(tài)。從圖2可以看出,0.055 K/min時(shí),殼體炸成較大塊的碎片,為爆炸反應(yīng);1 K/min和2 K/min時(shí),殼體兩端端蓋都被沖開(kāi)并且發(fā)生了明顯變形,而圓柱部無(wú)明顯變形,為燃燒反應(yīng)。但1 K/min時(shí),彈體兩端端蓋發(fā)生的變形較大,可見(jiàn),1 K/min升溫速率下,炸藥的響應(yīng)較2 K/min時(shí)劇烈。

圖3是兩個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度隨時(shí)間的變化曲線。由圖3可以看到,由于炸藥相變吸熱,曲線出現(xiàn)吸熱峰,由吸熱峰處的曲線可以看出,炸藥發(fā)生相變后,藥柱中心溫度在一小段時(shí)間內(nèi)保持一定值。熔化完成后,溫度出現(xiàn)短暫的快速上升。通過(guò)對(duì)三種升溫速率下溫度-時(shí)間曲線的觀察對(duì)比發(fā)現(xiàn),隨升溫速率的增大,彈體外壁與藥柱中心的溫差越來(lái)越大。

2 數(shù)值模擬

2.1 建立仿真模型

根據(jù)烤燃彈實(shí)物結(jié)構(gòu),建立炸藥烤燃三維數(shù)值模擬計(jì)算模型。模型主要由殼體和藥柱兩部分組成。因?yàn)榭救紡棡檩S對(duì)稱結(jié)構(gòu),為簡(jiǎn)化計(jì)算,取1/2三維烤燃模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,忽略端部螺紋連接對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響。計(jì)算模型網(wǎng)格圖如圖4所示。網(wǎng)格類型為六面體網(wǎng)格,網(wǎng)格尺寸為1mm。

2.2 計(jì)算方法

采用流體力學(xué)計(jì)算軟件FLUENT對(duì)3.3K/h、0.5K/min、1K/min、2K/min、3K/min、5K/min6種升溫速率下的烤燃模型進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。為確定響應(yīng)時(shí)藥柱內(nèi)部溫度分布,除實(shí)驗(yàn)的2個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)外,在與監(jiān)測(cè)點(diǎn)2處于同一水平位置、距離監(jiān)測(cè)點(diǎn)2分別為7.5mm以及藥柱外表面中點(diǎn)處分別增加2個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)3和4,分別用T3和T4表示。示意圖如圖5所示。

應(yīng)用組分輸運(yùn)模型,混合炸藥各組分質(zhì)量和自熱源項(xiàng)按照各自的比例加入到模型中,并考慮了重力以及自然對(duì)流對(duì)混合炸藥熱反應(yīng)過(guò)程的影響。為了簡(jiǎn)化計(jì)算,對(duì)模型進(jìn)行如下假設(shè):①藥柱與殼體之間無(wú)間隙;②炸藥熔化后的流體為牛頓流體;③忽略材料相變的體積變化;④自熱反應(yīng)遵循阿倫尼烏斯定律。簡(jiǎn)化后,質(zhì)量、動(dòng)量、能量的輸運(yùn)方程[6]都可以用下面的通用形式表示:

(1)

式中:Φ是通用的變量,代表質(zhì)量、動(dòng)量、能量等;ρ代表流體密度,單位為kg/m3;Γ是通用的擴(kuò)散系數(shù);Xi是坐標(biāo)系中x、y和z的方向;ui是速度矢量在x、y和z方向的分量;S代表炸藥自熱反應(yīng)源項(xiàng),遵循Arrhenius反應(yīng)定律。

對(duì)于炸藥的熔化相變,采用融化凝固模型。Fluent中的相變過(guò)程引入液相率的概念[7],它可以間接表示固液相界面的位置。液相率:

(2)

式中：TS和Tl分別表示材料的凝固溫度和熔化溫度,TS=Tl時(shí),相變過(guò)程只有液相和固相之分。0<β<1時(shí),認(rèn)為相變材料處于固液糊狀區(qū),按多孔介質(zhì)來(lái)處理。炸藥液相率的計(jì)算基于焓的平衡來(lái)求解。

模型只考慮殼體、炸藥的熱傳導(dǎo)以及炸藥熔化后的熱對(duì)流?？紤]到炸藥在實(shí)驗(yàn)中會(huì)發(fā)生相變,炸藥的密度設(shè)置為隨溫度變化。同時(shí),由于炸藥的化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)會(huì)隨反應(yīng)進(jìn)度而發(fā)生變化,因此,通過(guò)大量數(shù)值模擬研究，對(duì)參考文獻(xiàn)[8-9]中DNAN和RDX的數(shù)據(jù)進(jìn)行了適當(dāng)修正,修正后的參數(shù)如表2、表3所示。

表2 材料物性參數(shù)

表3 材料化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)

2.3 仿真結(jié)果

2.3.11K/min的仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比

圖6為炸藥各監(jiān)測(cè)點(diǎn)實(shí)驗(yàn)和計(jì)算溫度-時(shí)間曲線對(duì)比。由圖6可以看出,計(jì)算曲線和實(shí)驗(yàn)曲線可以很好的吻合,說(shuō)明該反應(yīng)模型以及參數(shù)可以較好地描述DNAN基熔鑄混合炸藥的相變以及熱分解反應(yīng)過(guò)程。實(shí)驗(yàn)的時(shí)間-溫度曲線中,炸藥發(fā)生響應(yīng)時(shí),會(huì)有明顯的拐點(diǎn),即炸藥開(kāi)始發(fā)生劇烈的熱分解反應(yīng)。在隨后的仿真計(jì)算中,只要時(shí)間-溫度曲線拐點(diǎn)出現(xiàn),即可認(rèn)為炸藥已經(jīng)發(fā)生響應(yīng)。

2.3.2不同升溫速率下相變的仿真結(jié)果

圖7為炸藥相變時(shí)的溫度隨升溫速率的變化曲線。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,當(dāng)熱量由殼體向炸藥內(nèi)部傳遞時(shí),熱量最先到達(dá)藥柱外壁,炸藥相變首先在這里發(fā)生,因此T4可以看作炸藥發(fā)生相變時(shí)的溫度。由圖7可以發(fā)現(xiàn),隨著升溫速率的升高,炸藥發(fā)生相變時(shí)的溫度也越來(lái)越高,即DNAN的熔化存在過(guò)熱現(xiàn)象。隨著升溫速率的升高,炸藥晶體內(nèi)部的混亂度增加、無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)加劇,這都導(dǎo)致系統(tǒng)能量增加,從而降低了炸藥發(fā)生相變時(shí)所需的能量,使得由升溫速率引起的過(guò)熱現(xiàn)象存在動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定極限溫度,即隨著升溫速率的升高,相變溫度的變化會(huì)越來(lái)越小,存在一個(gè)最高的相變溫度。圖7中,2K/min前,相變溫度變化較大,之后,增幅逐漸減小。相變溫度隨升溫速率的增大呈對(duì)數(shù)升高。

2.3.3不同升溫速率下點(diǎn)火時(shí)的仿真結(jié)果

表4為不同升溫速率下炸藥的響應(yīng)溫度。由表4可見(jiàn),6種升溫速率下,炸藥發(fā)生響應(yīng)時(shí),彈體外壁與藥柱外壁的溫度都隨升溫速率的增大呈升高趨勢(shì),而藥柱中心與距藥柱中心7.5mm處監(jiān)測(cè)點(diǎn)3的溫度則呈現(xiàn)降低趨勢(shì)。由于彈體外壁溫度與藥柱中心溫度隨升溫速率的變化趨勢(shì)相反,隨升溫速率的增大,兩個(gè)位置的溫差也會(huì)越來(lái)越大。

表4 不同升溫速率下炸藥點(diǎn)火時(shí)測(cè)點(diǎn)的溫度

圖8為不同升溫速率下炸藥點(diǎn)火時(shí)刻的溫度云圖。由圖可見(jiàn),3.3 K/h、0.5 K/min的加熱條件下,炸藥的點(diǎn)火位置都位于藥柱中心呈橢球形分布,屬于慢速烤燃;1 K/min的加熱條件下,點(diǎn)火位置在藥柱中心呈桿條狀分布,三種升溫速率下的點(diǎn)火都屬于炸藥自熱反應(yīng)引起的熱點(diǎn)火。而2 K/min的加熱條件下,炸藥的點(diǎn)火位置由藥柱中心向外部移動(dòng),位于藥柱兩端呈對(duì)稱分布;3 K/min及5 K/min時(shí),點(diǎn)火位置進(jìn)一步向外部移動(dòng),點(diǎn)火區(qū)域縮小,屬于中速烤燃。炸藥點(diǎn)火位置的變化,將會(huì)對(duì)炸藥點(diǎn)火后的反應(yīng)劇烈程度產(chǎn)生影響。

3 結(jié)論

1)通過(guò)烤燃實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),升溫速率為3.3 K/h,炸藥的響應(yīng)結(jié)果為爆炸,升溫速率為1 K/min和2 K/min時(shí),炸藥的響應(yīng)結(jié)果都為燃燒,但從實(shí)驗(yàn)后的結(jié)果可以看見(jiàn),1 K/min時(shí),彈體變形明顯較大,可見(jiàn),隨升溫速率的增大,炸藥的響應(yīng)劇烈程度減弱,即彈藥置于緩慢升溫條件下比置于快速升溫下更加危險(xiǎn)。

2)不同升溫速率下,DNAN基熔鑄混合炸藥發(fā)生相變時(shí)的溫度是隨升溫速率的變化而發(fā)生改變的,3.3 K/h時(shí),相變溫度為81.2 ℃,5 K/min時(shí),相變溫度升高到106.6 ℃,并且隨著升溫速率的增大,炸藥發(fā)生相變時(shí)的溫度呈對(duì)數(shù)升高。

3)通過(guò)仿真研究結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),升溫速率從3.3 K/h增大到5 K/min時(shí),炸藥發(fā)生響應(yīng)時(shí)的溫度從174.1 ℃升高到227.4 ℃,可見(jiàn),隨著升溫速率的增大,炸藥發(fā)生響應(yīng)時(shí)的溫度呈升高趨勢(shì)。同時(shí),點(diǎn)火位置從藥柱中心移到藥柱外表面,點(diǎn)火區(qū)域也越來(lái)越小,這使得炸藥點(diǎn)火后的劇烈程度會(huì)越來(lái)越弱。