炸藥爆轟驅(qū)動(dòng)水的初期過(guò)程*

龍新平,韓 勇,蔣治海,黃 輝,黃毅民,洪 滔

（1.中國(guó)工程物理研究院,四川 綿陽(yáng) 621900;

2.中國(guó)工程物理研究院化工材料研究所,四川綿陽(yáng) 621900;

3.北京應(yīng)用物理與計(jì)算數(shù)學(xué)研究所,北京 100088）

1 引 言

液體在炸藥爆轟的驅(qū)動(dòng)下變形、破碎及霧化過(guò)程是流體動(dòng)力學(xué)具有廣泛應(yīng)用背景的領(lǐng)域。在民用建筑拆除方面,在爆破拆除的同時(shí),通過(guò)炸藥爆炸拋撒形成一定空間的氣溶膠云團(tuán),達(dá)到抑制粉塵的目的[1]。在軍事應(yīng)用中,云爆武器是典型的應(yīng)用范例,原理是在戰(zhàn)斗部里裝填燃料,作用時(shí)通過(guò)爆炸拋撒將燃料分散在空氣中形成可爆炸性的燃料-空氣氣溶膠云團(tuán),在一定條件下引爆,氣溶膠云團(tuán)發(fā)生爆炸,產(chǎn)生高溫高壓,從而對(duì)爆炸覆蓋區(qū)域及以外一定距離的物體造成不同程度的破壞[2-4]。這需要對(duì)炸藥爆轟驅(qū)動(dòng)液體力學(xué)過(guò)程的深入了解。

液體爆炸拋撒主要包括以下幾個(gè)過(guò)程[5-8]:首先是早期的驅(qū)動(dòng)階段,從爆炸產(chǎn)物沖擊波在液體介質(zhì)中的傳播及其對(duì)液體介質(zhì)的作用,到流體團(tuán)塊的沖出;其次是近場(chǎng)流體團(tuán)塊或由流體團(tuán)塊形成連貫的流體環(huán)的失穩(wěn)和破碎、整個(gè)流體界面形成湍流混合,到流體團(tuán)塊破碎成液滴顆粒;然后是遠(yuǎn)場(chǎng)液滴顆粒與氣流的混合過(guò)程,在此過(guò)程中液滴顆粒之間發(fā)生碰撞、二次破碎、聚合、凝并、汽化或蒸發(fā)等,以及顆粒、顆粒群與湍流氣流的相互作用現(xiàn)象,最終形成氣溶膠云團(tuán)。針對(duì)液體爆炸拋撒過(guò)程已進(jìn)行了大量的工程及基礎(chǔ)研究工作,但對(duì)炸藥爆轟產(chǎn)物驅(qū)動(dòng)液體的初期過(guò)程少有文獻(xiàn)報(bào)道。通過(guò)對(duì)爆轟產(chǎn)物驅(qū)動(dòng)液體內(nèi)界面的初期過(guò)程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究,能夠獲得液體內(nèi)界面膨脹過(guò)程的物理特性和變化規(guī)律、液體中沖擊波的傳播規(guī)律,為爆炸拋撒液體外界面的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和失穩(wěn)過(guò)程、液體初級(jí)破碎形成液滴的研究提供指導(dǎo),并為后期液體拋撒過(guò)程的數(shù)值模型和模擬特性參數(shù)的選擇奠定基礎(chǔ)。因此,對(duì)爆轟產(chǎn)物驅(qū)動(dòng)液體內(nèi)界面的初期過(guò)程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究顯得非常重要。

本文中,借助于高速分幅相機(jī)FJZ-250,利用陰影照相技術(shù)研究炸藥爆轟產(chǎn)物驅(qū)動(dòng)液體——水的初期過(guò)程,并利用LS-DYNA程序?qū)?shí)驗(yàn)進(jìn)行數(shù)值模擬。

2 實(shí)驗(yàn)介紹及結(jié)果分析

圖1 實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)示意圖Fig.1 Sketch of experimental arrangement

實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)如圖1所示,其中水置于邊長(zhǎng)為300 mm的正方體玻璃容器內(nèi),PBX-01炸藥尺寸為?10 mm×30 mm,炸藥及氬氣彈均由延時(shí)同步起爆裝置控制起爆時(shí)間。采用陰影照相技術(shù)記錄炸藥爆轟產(chǎn)物驅(qū)動(dòng)水介質(zhì)界面的運(yùn)動(dòng)軌跡。轉(zhuǎn)鏡式高速分幅相機(jī)的攝影頻率為 0.5 μs-1。

圖2 炸藥爆轟產(chǎn)物驅(qū)動(dòng)水介質(zhì)不同時(shí)刻照片F(xiàn)ig.2 Photos of water expansion driven by detonation product at different times

由圖2,當(dāng)t=0時(shí),爆轟波在鉛導(dǎo)爆索中傳播,即將進(jìn)入PBX-01炸藥,可清晰地分辨出沖擊波在水中的跡線;當(dāng)t=4 μs時(shí),爆轟波在 PBX-01炸藥中傳播,未反應(yīng)炸藥陰影保持原來(lái)形態(tài),已反應(yīng)炸藥爆轟產(chǎn)物則在水中膨脹形成鼓包,水中沖擊波跡線進(jìn)一步擴(kuò)大。當(dāng)t=8 μs時(shí),PBX-01炸藥已全部變?yōu)楸Z產(chǎn)物,根據(jù)PBX-01藥柱的長(zhǎng)度和爆速,也可得出此時(shí)炸藥已完成爆炸,這與觀察到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象一致,這時(shí)水中的沖擊波跡線與爆轟產(chǎn)物的形態(tài)較為相似。當(dāng)t=12,16,20,24,28 μs時(shí) ,由 PBX-01炸藥爆轟產(chǎn)物在水中的膨脹,以及水中的沖擊波跡線發(fā)展過(guò)程,通過(guò)每幅圖中PBX-01炸藥柱的初始靜止像,可精確確定不同時(shí)刻炸藥爆轟產(chǎn)物的膨脹位置,如圖3所示。此外,由圖2,沖擊波跡線的輪廓由圓錐狀較快地演變?yōu)轭愃魄蛐?后期與炸藥爆轟產(chǎn)物的形態(tài)基本無(wú)關(guān),這也可以通過(guò)后面不同時(shí)刻沖擊波跡線示意圖形象地表示。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,爆轟產(chǎn)物和水介質(zhì)2種不相混的流體之間交界面的不穩(wěn)定性主要是Rayleigh-Taylor不穩(wěn)定性,在實(shí)驗(yàn)觀察的時(shí)間范圍內(nèi)（約40 μs）,爆轟產(chǎn)物與水介質(zhì)的接觸面軌跡光滑,沒(méi)有尖釘出現(xiàn),說(shuō)明界面沒(méi)有發(fā)生明顯的失穩(wěn)現(xiàn)象。

圖3 不同時(shí)刻炸藥爆轟產(chǎn)物形態(tài)示意圖Fig.3 Detonation products shapes at different times

3 數(shù)值模擬

采用有限元LS-DYNA程序?qū)BX-01炸藥爆轟產(chǎn)物驅(qū)動(dòng)水介質(zhì)內(nèi)界面的初期發(fā)展過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬。計(jì)算模型中,由于炸藥產(chǎn)物和水均有大變形發(fā)生,采用多物質(zhì)ALE單元描述,玻璃屬于比較脆的固體材料,在變形過(guò)程中有可能破碎,采用LAGRANGE單元描述,并采用流固耦合方法使流體與固體之間發(fā)生相互作用。模型初始網(wǎng)格如圖4所示,模型中加入了軸對(duì)稱約束,忽略了鉛導(dǎo)爆索,直接采用PBX-01炸藥上端面中心點(diǎn)起爆方式。節(jié)點(diǎn)44 410為炸藥柱一半高度位置處與水接觸的一點(diǎn),節(jié)點(diǎn)44 389為炸藥底部端面中心點(diǎn)。

圖4 計(jì)算模型Fig.4 A lattice model for numerical simulation

PBX-01炸藥采用高能炸藥燃燒模型,爆轟產(chǎn)物狀態(tài)方程為JWL形式

參數(shù)采用VLW熱力學(xué)程序計(jì)算獲得[9],密度ρ=1.86 g/cm3,爆壓P=37.0 GPa,爆速U=8.8 km/s,A=304.30 GPa,B=11.05 GPa,R1=3.5,R2=1.14,w=0.50,E0=0.012 7。

水采用Gruneisen狀態(tài)方程[10]

式中:c=1.46 km/s,s1=2.24,s2=-0.278 s/km,s3=0.033 6 s2/km2,γ0=0.5[11]。玻璃采用理想彈塑性材料,ρ0=2.3 g/cm3,剪切模量為4 GPa,屈服強(qiáng)度為0.12 GPa[12]。

圖5為12 μs后沖擊波陣面示意圖。由圖可見(jiàn),沖擊波陣面的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果基本一致。

圖5 沖擊波陣面Fig.5 Front of shock wave

沿徑向距節(jié)點(diǎn)44 410分別為0、10、20、30、40和50 mm等單元的數(shù)值模擬壓力歷程如圖6所示,各單元的峰值壓力分別為3.01、1.27、0.72、0.43、0.29和0.20 GPa。根據(jù)J.M.Walsh等[13]估算溫度的方法,在壓力為3 GPa時(shí),水的溫度約342 K。由于水在常壓條件下的相變溫度為373 K,根據(jù)文獻(xiàn)[14]可知,水在2.7 MPa條件下的相變溫度為500 K。隨著壓力的升高,水的相變汽化溫度將增加,在本文中的峰值壓力下,水的相變溫度將遠(yuǎn)高于342 K,圖2中未發(fā)現(xiàn)與水相變汽化有關(guān)的現(xiàn)象。因此,由以上分析可得水在PBX-01炸藥爆轟產(chǎn)物的驅(qū)動(dòng)下,未發(fā)生相變汽化。

圖6 壓力歷程Fig.6 Histories of pressure

圖7 軸向速度Fig.7 Axial velocity

根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的爆轟產(chǎn)物驅(qū)動(dòng)水介質(zhì)膨脹的分幅底片,采用大型工具顯微鏡進(jìn)行判讀,得到不同時(shí)刻水界面膨脹軌跡的位移-時(shí)間曲線,從而獲得中心點(diǎn)爆轟產(chǎn)物膨脹的軸向速度和徑向速度,其中徑向速度為所選擇的基準(zhǔn)點(diǎn)相對(duì)于基準(zhǔn)像的膨脹速度（忽略了軸向速度的影響）。節(jié)點(diǎn)44 389的軸向速度如圖7所示,計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致;節(jié)點(diǎn)44 410的膨脹徑向速度如圖8所示,計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果也基本一致。通過(guò)沖擊波跡線的發(fā)展過(guò)程、爆轟產(chǎn)物膨脹的軸向和徑向速度等實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果的比較,說(shuō)明數(shù)值計(jì)算所選用參數(shù)是適宜的。

圖8 徑向速度Fig.8 Radial velocity

4 結(jié) 論

（1）采用陰影照相技術(shù)能夠可靠獲得炸藥爆轟產(chǎn)物驅(qū)動(dòng)水初期過(guò)程的圖像;

（2）在炸藥爆炸初期,水中的沖擊波跡線與爆轟產(chǎn)物的形狀相似,但沖擊波跡線很快演變?yōu)轭愃魄蛐?后期與爆轟產(chǎn)物的形狀基本無(wú)關(guān);

（3）通過(guò)實(shí)驗(yàn)、數(shù)值模擬和理論分析表明,水在爆轟產(chǎn)物作用下的最高瞬間溫度為約342 K,尚未達(dá)到水在實(shí)驗(yàn)壓力條件下的相變汽化溫度;

（4）本文中采用的實(shí)驗(yàn)和計(jì)算方法也可用于研究炸藥爆轟產(chǎn)物驅(qū)動(dòng)其他液體介質(zhì)內(nèi)界面的初期發(fā)展過(guò)程。

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