常雙君,陳三麗,徐俊杰,吳 昊,任永崢
(1 中北大學(xué)環(huán)境與安全工程學(xué)院,太原 030051;2 太原師范學(xué)院計算機系,太原 030619)
彈藥在生產(chǎn)、儲存、運輸和發(fā)射過程中,受到意外熱刺激時可能會發(fā)生提前作用,嚴(yán)重危害人員安全,勤務(wù)系統(tǒng)和武器平臺也可能遭受巨額的經(jīng)濟損失??救荚囼灴梢詭椭藗冄芯繌椝幵跓岽碳は碌捻憫?yīng)特性,是衡量彈藥不敏感性能的試驗方法之一。根據(jù)SANDUSKY等設(shè)計的小型烤燃彈,國內(nèi)外研究人員開展了相關(guān)的烤燃試驗,對某些炸藥的烤燃特性進(jìn)行了研究,同時也得到了裝藥尺寸、殼體厚度、裝藥密度、炸藥混合比例等因素對烤燃響應(yīng)的影響規(guī)律。Urtiew等在HMX基炸藥的烤燃過程中進(jìn)行了相關(guān)的壓力波測量試驗;Yan等研究了RDX基炸藥在慢烤狀態(tài)下的響應(yīng)特點。相對于小型烤燃試驗,大型烤燃試驗主要是針對整個戰(zhàn)斗部或者火箭發(fā)動機進(jìn)行的。北約各國大多采用STANAG-4382標(biāo)準(zhǔn),對彈藥或者有裝藥的戰(zhàn)斗部進(jìn)行工程驗證性質(zhì)的慢烤試驗;戴湘暉等對質(zhì)量為290 kg的全尺寸侵徹彈體進(jìn)行了慢速烤燃試驗,通過綜合分析試驗結(jié)果該侵徹彈體的慢烤響應(yīng)類型為燃燒轉(zhuǎn)爆炸;李瑞鋒等對某型號的固體火箭發(fā)動機進(jìn)行了慢速烤燃、快速烤燃及子彈撞擊三項不敏感試驗,研究了該火箭發(fā)動機的易損性。雖然進(jìn)行大型烤燃試驗可以為大裝藥的彈藥或者推進(jìn)系統(tǒng)在存儲和安全使用等方面提供更為準(zhǔn)確的技術(shù)支持,但是也意味著試驗過程將花費更高的成本,同時溫度場精確控制困難,且無法進(jìn)行多批次比較性試驗。
隨著計算機技術(shù)的發(fā)展,由于烤燃試驗數(shù)值模擬相比于烤燃試驗更為方便和成本低,受到了廣泛的重視。Asante等將TNT在受熱時的熔化過程考慮在內(nèi),研究了155 mm彈藥中TNT裝藥的烤燃特性;葉青等研究了AP/HTPB推進(jìn)劑的熱安全性問題,對裝填該型推進(jìn)劑的大尺寸火箭發(fā)動機進(jìn)行了不同升溫速率下的快速烤燃數(shù)值模擬。雖然研究人員逐漸將計算機技術(shù)應(yīng)用于大型烤燃試驗的仿真模擬,但國內(nèi)對于戰(zhàn)斗部裝藥慢速烤燃數(shù)值模擬的報道仍然較少。
在超聲速武器的飛行過程中,長時間的氣動加熱會對其戰(zhàn)斗部裝藥的安定性提出十分嚴(yán)峻的挑戰(zhàn),故該類戰(zhàn)斗部裝藥的熱安全性問題也就值得關(guān)注。文中針對某型超聲速戰(zhàn)斗部建立了縮比戰(zhàn)斗部烤燃的有限元模型,分別模擬計算了不同升溫速率、不同殼體壁厚及不同緩沖層厚度條件下戰(zhàn)斗部裝藥的烤燃過程。
戰(zhàn)斗部殼體在受熱后,熱量通過壁面依次傳遞給內(nèi)部的緩沖層和裝藥。已知物體表面熱量后,考慮材料特性,就可以對裝藥進(jìn)行傳熱模擬,進(jìn)而得到炸藥的溫度分布。FLUENT軟件可以對固體內(nèi)部的傳熱計算進(jìn)行控制方程求解,其表達(dá)式為:
(1)
式中:為微元體的溫度;為密度;為比熱容;表示微元體在單位時間單位體積內(nèi)生成的內(nèi)熱源;為時間;為導(dǎo)熱系數(shù)。
同時,烤燃狀態(tài)下的戰(zhàn)斗部裝藥是一種化學(xué)反應(yīng)放熱系統(tǒng)。由于外部環(huán)境熱源不斷向戰(zhàn)斗部裝藥提供熱量,激發(fā)了戰(zhàn)斗部裝藥的快速化學(xué)反應(yīng),若裝藥系統(tǒng)產(chǎn)生熱量的速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其散熱的速率,則會導(dǎo)致戰(zhàn)斗部裝藥的熱點火,所以必須考慮式(1)中的項。
戰(zhàn)斗部裝藥的化學(xué)反應(yīng)放熱機理可以使用Arrhenius定律描述為:
(2)
式中:表示化學(xué)反應(yīng)速率常數(shù);表示指前因子;為活化能;為溫度;為普適氣體常數(shù),其值取8314 J·mol·K;表示分解反應(yīng)程度;()表示反應(yīng)機理函數(shù),一般裝藥的反應(yīng)機理可表示為:
()=(1-)
(3)
式中,為化學(xué)反應(yīng)的級數(shù)。若裝藥系統(tǒng)在化學(xué)反應(yīng)放熱時沒有熱量的損失,則式(1)中的內(nèi)熱源生成項可表示為:
(4)
式中:為裝藥的密度;為裝藥的反應(yīng)熱。當(dāng)裝藥的熱分解反應(yīng)的程度不大時,可認(rèn)為為0,則()約等于1,便得到了Frank-Kamenetskii反應(yīng)模型(零級反應(yīng)模型)為:
(5)
為方便數(shù)值模擬過程中模型的建立,需要作以下簡化假設(shè):
1)在戰(zhàn)斗部裝藥的烤燃過程中,忽略其受熱發(fā)生相變,不考慮氣體產(chǎn)物對傳熱的影響。
2)戰(zhàn)斗部殼體、緩沖層及其裝藥具有各向同性,并且材料參數(shù)不是溫度的函數(shù),不受溫度變化的影響。
3)裝藥在烤燃過程中遵循Frank-Kamenetskii反應(yīng)模型。
采用ANSYS Workbench中的Geometry模塊建立縮比戰(zhàn)斗部的簡化模型,其頭部為鈍頭形狀??s比戰(zhàn)斗部的長度為500 mm,直徑為152 mm;戰(zhàn)斗部殼體的頭部厚度為50 mm,緩沖層厚度為1.5 mm;為了簡化對模型的描述,將縮比戰(zhàn)斗部的殼體側(cè)壁和尾部端蓋的厚度統(tǒng)稱為戰(zhàn)斗部殼體壁厚,均為15 mm??s比戰(zhàn)斗部尺寸示意圖如圖1所示。
圖1 縮比戰(zhàn)斗簡化模型
采用ICEM CFD軟件對建立的縮比戰(zhàn)斗部簡化模型進(jìn)行六面體網(wǎng)格劃分,戰(zhàn)斗部殼體、緩沖層和內(nèi)部裝藥分別由9 824、2 300及35 952個六面體單元組成,得到的1/4戰(zhàn)斗部簡化有限元模型如圖2所示。同時,為了更好得到戰(zhàn)斗部裝藥不同位置的溫度時間變化曲線,在戰(zhàn)斗部裝藥內(nèi)部分別設(shè)置了,,,四個觀測點,具體設(shè)置的觀測點位置如圖3所示。
圖2 縮比戰(zhàn)斗部1/4有限元模型
圖3 觀測點設(shè)置
考慮到裝藥在氣動加熱過程中會承受高溫環(huán)境,故選用的戰(zhàn)斗部裝藥是一種以LLM-105為基的耐熱壓裝混合炸藥;戰(zhàn)斗部裝藥周圍還由一層室溫硫化硅橡膠包裹,該材料作為隔絕一部分熱量的緩沖層;戰(zhàn)斗部殼體選用的材料為一種高強度鋼。戰(zhàn)斗部裝藥、緩沖層及戰(zhàn)斗部殼體的相關(guān)材料參數(shù)見表1,戰(zhàn)斗部裝藥的反應(yīng)動力學(xué)參數(shù)見表2。
表1 材料的物性參數(shù)
表2 PBX炸藥反應(yīng)動力學(xué)參數(shù)
在計算過程中,將戰(zhàn)斗部殼體的外壁設(shè)置為壁面邊界條件,并在外壁施加 UDF升溫子程序,使得殼體外壁按照既定升溫速率受熱。戰(zhàn)斗部殼體內(nèi)壁與緩沖層、緩沖層與戰(zhàn)斗部裝藥的接觸面之間則設(shè)置耦合接觸傳熱,使殼體內(nèi)測和炸藥接觸面間的熱流連續(xù)。在戰(zhàn)斗部裝藥區(qū)域施加UDF自熱反應(yīng)子程序,裝藥的熱點火反應(yīng)遵循Frank-Kamenetskii反應(yīng)模型。
在戰(zhàn)斗部殼體壁厚為15 mm、緩沖層厚度為1.5 mm的條件下,模擬計算了升溫速率分別為0.055 K/min、1 K/min以及10 K/min時戰(zhàn)斗部裝藥的烤燃過程。不同升溫速率條件下的戰(zhàn)斗部裝藥點火區(qū)域如圖4所示,不同升溫速率條件下裝藥4個觀測點的溫度時間變化的曲線如圖5所示。
圖4 不同升溫速率條件下戰(zhàn)斗部裝藥的點火區(qū)域
圖5 不同觀測點溫度時間變化曲線
由圖4可得,升溫速率的變化將會影響戰(zhàn)斗部裝藥的點火區(qū)域。當(dāng)升溫速率為0.055 K/min時,戰(zhàn)斗部裝藥發(fā)生點火的區(qū)域位于頭部附近,但是此時仍然在其內(nèi)部,裝藥在被緩慢加熱的同時,其內(nèi)部自熱分解產(chǎn)生的熱量不能及時向周圍傳遞。當(dāng)升溫速率為1 K/min時,戰(zhàn)斗部裝藥的點火區(qū)域位于裝藥頭部;當(dāng)升溫速率為10 K/min時,戰(zhàn)斗部裝藥的點火區(qū)域則位于裝藥尾部的環(huán)狀區(qū)域。升溫速率的增加導(dǎo)致了裝藥外部的溫度迅速上升,而內(nèi)部裝藥此時并沒有充分受熱,且由于戰(zhàn)斗部頭部殼體的厚度要大于尾部的厚度,故在升溫速率為10 K/min的條件下,裝藥尾部的環(huán)狀區(qū)域?qū)蔀辄c火區(qū)域。
由圖5可知,當(dāng)升溫速率增加,裝藥中心觀測點的溫度與其他觀測點之間的溫差會加大。當(dāng)升溫速率為0.055 K/min時,戰(zhàn)斗部裝藥在大約210 338 s時自分解反應(yīng)加劇,裝藥發(fā)生熱積累處的溫度由576.7 K急劇上升,此時裝藥發(fā)生熱點火;當(dāng)升溫速率為1 K/min時,戰(zhàn)斗部裝藥在大約13 559 s時自分解反應(yīng)加劇,此時裝藥的熱積累位置位于裝藥頭部;當(dāng)升溫速率為10 K/min時,戰(zhàn)斗部裝藥在大約1 720 s時就發(fā)生了熱點火。由此可知,升溫速率的增加會顯著縮短戰(zhàn)斗部裝藥發(fā)生熱點火的時間。不同升溫速率條件下裝藥的點火時間、點火溫度及點火時的殼體溫度如表3所示。
表3 不同升溫速率條件下裝藥的點火時間、點火溫度及點火時殼體溫度
在升溫速率為1 K/min、緩沖層厚度為1.5 mm的條件下,模擬計算了戰(zhàn)斗部殼體壁厚分別為10 mm、15 mm和20 mm時戰(zhàn)斗部裝藥的烤燃過程。不同殼體壁厚條件下的戰(zhàn)斗部裝藥點火區(qū)域如圖6所示,不同殼體壁厚條件下裝藥4個觀測點的溫度時間變化曲線如圖7所示。
圖6 不同殼體壁厚下戰(zhàn)斗部裝藥的點火區(qū)域
圖7 觀測點溫度時間變化曲線
由圖6可以看出,戰(zhàn)斗部殼體壁厚的變化會對裝藥的點火區(qū)域造成一定影響。當(dāng)殼體壁厚為10 mm時,與殼體壁厚為15 mm或者20 mm時相比,熱量更容易從其尾部傳入,使得戰(zhàn)斗部裝藥尾部的環(huán)狀區(qū)域發(fā)生熱點火。
由圖7可知,不同殼體壁厚條件下戰(zhàn)斗部裝藥發(fā)生熱點火的時間分別在13 620 s、13 559 s以及13 406 s。隨著殼體壁厚的增加,裝藥的點火時間縮短了214 s,裝藥的點火溫度變化了14 K。不同殼體壁厚條件下裝藥的點火時間、點火溫度及點火時的殼體溫度如表4所示。
表4 不同殼體壁厚條件下裝藥的點火時間、點火溫度及點火時殼體溫度
在升溫速率為1 K/min、戰(zhàn)斗部殼體厚度為15 mm的條件下,模擬計算了無緩沖層以及緩沖層厚度分別為1 mm、1.5 mm和2 mm時戰(zhàn)斗部裝藥的烤燃過程,戰(zhàn)斗部裝藥的點火區(qū)域如圖8所示,可以看出緩沖層厚度的變化對裝藥的點火區(qū)域影響不大。
圖8 不同緩沖層厚度條件下戰(zhàn)斗部裝藥的點火區(qū)域
圖9 不同緩沖層厚度觀測點溫度時間變化曲線
不同緩沖層厚度條件下觀測點,,的溫度隨時間變化曲線如圖9所示。同一時刻下不同緩沖層厚度對觀測點溫度的影響較小。不同緩沖層厚度條件下裝藥的點火時間、點火溫度及點火時的殼體溫度如表5所示。
表5 不同緩沖層厚度條件下裝藥的點火時間、點火溫度及點火時殼體溫度
采用FLUENT軟件,以某型超聲速武器縮比戰(zhàn)斗部為研究對象,分別開展了不同升溫速率、不同殼體壁厚以及不同緩沖層厚度條件下的烤燃數(shù)值模擬,得到結(jié)論如下:
1)當(dāng)升溫速率從0.055 K/min增加至10 K/min時,裝藥點火區(qū)域由裝藥頭部轉(zhuǎn)移至裝藥尾部外端環(huán)狀區(qū)域,戰(zhàn)斗部裝藥的點火時間從210 338 s顯著縮短至1 720 s,裝藥點火溫度從576.7 K減小至537.7 K,發(fā)生點火時殼體溫度由498.3 K升高至593.3 K,表明升溫速率的增加將顯著縮短戰(zhàn)斗部裝藥發(fā)生熱點火的時間,裝藥在緩慢受熱過程中發(fā)生點火所需的環(huán)境溫度更低,該工況條件下也更危險。
2)殼體壁厚由10 mm增加至20 mm時,裝藥點火時間由原來的13 620 s縮短至13 406 s,裝藥的點火區(qū)域也由原來的裝藥尾部環(huán)狀區(qū)域轉(zhuǎn)移至裝藥頭部,裝藥的點火溫度由546.6 K降低至540.8 K。
3)當(dāng)緩沖層厚度由1 mm增加至2 mm時,戰(zhàn)斗部裝藥的點火區(qū)域并沒有發(fā)生變化,裝藥的點火溫度下降至551.5 K,裝藥的點火時間由13 495 s延長至13 610 s,表明緩沖層厚度的增加可以對戰(zhàn)斗部裝藥起到一定的隔熱作用。