新型乳化炸藥動(dòng)壓減敏裝置的數(shù)值模擬研究*

程揚(yáng)帆,汪 泉,繆廣紅,沈兆武，顏事龍

(1.安徽理工大學(xué)彈藥工程與爆炸技術(shù)系，安徽淮南 232001；2.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)近代力學(xué)系，安徽合肥 230027)

1 引 言

圖1 傳統(tǒng)的沖擊波動(dòng)壓減敏實(shí)驗(yàn)原理圖Fig.1 Schematic of traditional dynamic pressure desensitization experiment

乳化炸藥在延遲爆破作業(yè)中存在“動(dòng)壓減敏”的問題[1-3]。這是由于延遲爆破中先起爆的乳化炸藥會(huì)對(duì)后爆的乳化炸藥產(chǎn)生動(dòng)壓載荷，導(dǎo)致后爆乳化炸藥的敏化氣泡被破壞，從而影響乳化炸藥的爆轟性能，甚至可能發(fā)生半爆和拒爆。乳化炸藥的動(dòng)壓減敏不僅影響爆破效果，而且在處理盲炮時(shí)容易引發(fā)安全事故。在實(shí)驗(yàn)室條件下如何合理設(shè)計(jì)延遲爆破的模擬實(shí)驗(yàn)，對(duì)乳化炸藥的動(dòng)壓減敏研究至關(guān)重要。通過文獻(xiàn)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，水下爆炸法是研究乳化炸藥動(dòng)壓減敏的主要方法[4-6]，將引爆的主發(fā)藥作為動(dòng)壓源，水作為傳壓介質(zhì)，乳化炸藥因受到?jīng)_擊波的動(dòng)壓作用而發(fā)生減敏，實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。然而，隨著研究的深入，傳統(tǒng)的乳化炸藥動(dòng)壓減敏裝置已不能很好地滿足現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)的要求。在我們的前期研究中，通過對(duì)傳統(tǒng)動(dòng)壓減敏裝置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到一種新型動(dòng)壓減敏裝置(見圖2)，使單個(gè)主發(fā)藥能夠同時(shí)獲得多個(gè)受壓的乳化炸藥樣品，不僅節(jié)約了實(shí)驗(yàn)成本，而且保證實(shí)驗(yàn)條件的均一性，減小了實(shí)驗(yàn)誤差；該新型裝置已廣泛應(yīng)用于乳化炸藥的動(dòng)壓減敏研究中，取得了很好的實(shí)驗(yàn)效果[7-10]。然而，在水下爆炸實(shí)驗(yàn)中，該新型乳化炸藥動(dòng)壓減敏裝置中的流場分布特征及其對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果精度的影響尚未探明。因此，本研究擬通過數(shù)值模擬的方法，研究該裝置在實(shí)驗(yàn)過程中的流場分布情況以及流場分布對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，為后續(xù)實(shí)驗(yàn)裝置的優(yōu)化和乳化炸藥動(dòng)壓減敏實(shí)驗(yàn)的開展提供指導(dǎo)。

圖2 改進(jìn)后的沖擊波動(dòng)壓減敏實(shí)驗(yàn)原理圖Fig.2 Schematic of improved dynamic pressure desensitization experiment

2 裝置簡介與存在的問題

如圖2所示，該新型動(dòng)壓減敏裝置的主體結(jié)構(gòu)為矩形鋼架，主發(fā)藥壓裝RDX(動(dòng)壓源)被固定在矩形鋼架的中心，在其兩邊不同距離(距離可調(diào))處用鋼絲將乳化炸藥樣品綁在矩形鋼架上，并使主發(fā)藥和乳化炸藥樣品的中心處于同一水平線上，然后將該裝置完全浸沒在水中，最后引爆主發(fā)藥在水中形成沖擊波，對(duì)不同距離的乳化炸藥樣品進(jìn)行不同強(qiáng)度的動(dòng)壓加載，從而模擬延遲爆破中乳化炸藥的動(dòng)壓減敏現(xiàn)象。通過改變主發(fā)藥兩邊乳化炸藥的配方，可以研究在相同沖擊強(qiáng)度下不同配方的乳化炸藥的抗動(dòng)壓減敏性能(橫向比較)；通過調(diào)整乳化炸藥樣品與主發(fā)藥的距離，可以研究某一配方乳化炸藥的抗動(dòng)壓減敏性能與受壓強(qiáng)度的關(guān)系及變化規(guī)律(縱向比較)。

然而，在該新型裝置水下爆炸動(dòng)壓減敏實(shí)驗(yàn)中，除最靠近中心主發(fā)藥(第一排)的兩個(gè)乳化炸藥樣品外，其余乳化炸藥樣品受到的沖擊波加載勢(shì)必會(huì)受到前方乳化炸藥阻擋的影響。前期研究[7-10]主要集中在相同沖擊強(qiáng)度下不同配方的乳化炸藥抗動(dòng)壓減敏性能的橫向比較，而在縱向比較研究中，前方乳化炸藥的阻擋對(duì)后方乳化炸藥的沖擊波動(dòng)壓加載的影響不可忽視。因此，有必要對(duì)該新型動(dòng)壓減敏裝置的沖擊波流場特征進(jìn)行研究，分析流場分布對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，以期通過裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)將縱向比較研究中的實(shí)驗(yàn)誤差減小到最低。

3 數(shù)值模擬研究

3.1 計(jì)算模型

圖3 三維計(jì)算模型Fig.3 Three-dimensional calculation model

我們主要研究前方乳化炸藥的阻擋對(duì)后方乳化炸藥沖擊波加載的影響，因此考慮到問題的相似性和計(jì)算的經(jīng)濟(jì)性，可將問題簡化，只模擬研究第一排受壓乳化炸藥對(duì)沖擊波的阻擋以及其后方的流場特征。采用cm-g-μs單位制進(jìn)行三維建模，如圖3所示，水域范圍為100 cm×100 cm×100 cm，主發(fā)藥壓裝RDX的質(zhì)量為10 g，長、寬、高分別為2.0、2.0、2.4 cm，球形乳化炸藥樣品的質(zhì)量為30 g，半徑為2 cm，壓裝RDX距離第一排乳化炸藥25 cm。利用LS-DYNA動(dòng)力學(xué)有限元軟件進(jìn)行計(jì)算。壓裝RDX和水采用多物質(zhì)ALE算法，待受壓的乳化炸藥采用Lagrange網(wǎng)格建模，采用漸變網(wǎng)格劃分單元，并對(duì)模型邊界施加無反射邊界條件。乳化炸藥與水之間使用流固耦合算法。

在爆炸載荷作用下，水采用Mie-Grüneisen狀態(tài)方程，其具體形式取決于水的狀態(tài)，在壓縮狀態(tài)下

(1)

在膨脹狀態(tài)下

pw=ρw0C2μ+(γ0+aμ)e

(2)

式中：pw、ρw為水的壓力和密度,下標(biāo)“0”代表初始狀態(tài)；μ=ρw/ρw0-1，當(dāng)μ>0時(shí)材料處于壓縮狀態(tài)，反之則為膨脹狀態(tài)；C為聲速；γ0為Grüneisen系數(shù)；a為體積修正系數(shù)；e是單位體積內(nèi)能；S1、S2、S3為實(shí)驗(yàn)擬合系數(shù)，具體參數(shù)見表1。

表1 水的Mie-Grüneisen狀態(tài)方程參數(shù)Table 1 State parameters of Mie-Grüneisen equation for water

乳化炸藥的參數(shù)參見文獻(xiàn)[11]。RDX采用高能炸藥材料模型，相應(yīng)的爆炸氣體采用JWL狀態(tài)方程

(3)

式中：η=ρ/ρ0,ρ為爆炸氣體的密度，ρ0=1.78 g/cm3,為炸藥的初始密度;E是高能炸藥的單位體積內(nèi)能，ρ0E=9.0 GPa;模型參數(shù)A=581.4 GPa，B=6.8 GPa，R1=4.1，R2=1.0，ω=0.35。

通過調(diào)整模擬計(jì)算參數(shù)和網(wǎng)格劃分方式，使RDX水下爆炸沖擊波在無乳化炸藥阻擋的情況下，其模擬結(jié)果與文獻(xiàn)[12]中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致，從而確定最終的計(jì)算模型。

3.2 沖擊波流場的分布特征

圖4是新型動(dòng)壓減敏裝置在不同時(shí)刻的沖擊波壓力流場分布特征圖。從圖4(c)可以看到，當(dāng)沖擊波到達(dá)第一排乳化炸藥后，由于乳化炸藥的阻擋，沖擊波會(huì)發(fā)生繞射、反射和透射現(xiàn)象；由圖4(d)可以看到，與未受乳化炸藥阻擋的情況(主發(fā)藥上、下側(cè))相比，受到乳化炸藥阻擋后沖擊波的流場(主發(fā)藥左、右側(cè))發(fā)生了變化，勢(shì)必對(duì)沖擊波的強(qiáng)度造成一定影響。為了研究前排乳化炸藥對(duì)后排炸藥沖擊波壓縮的影響，分別研究了不同位置處與流場分布圖相對(duì)應(yīng)的沖擊波壓力時(shí)程，并與未受乳化炸藥阻擋的情況進(jìn)行對(duì)比。

圖4 不同時(shí)刻(t)新型動(dòng)壓減敏裝置的流場分布特征圖Fig.4 Flow field distribution of new dynamic pressure desensitization device at different time

圖5分別是沖擊波剛到達(dá)第一排乳化炸藥(距離RDX 24 cm)、沖擊波剛好繞過乳化炸藥(距離RDX 26 cm)和沖擊波即將到達(dá)第二排乳化炸藥(距離RDX 50 cm)時(shí)，其壓力時(shí)程曲線與相應(yīng)的無乳化炸藥阻擋情況的對(duì)比，表2是與圖5相對(duì)應(yīng)的模擬數(shù)據(jù)結(jié)果。由圖5和表2可知，當(dāng)沖擊波剛到達(dá)乳化炸藥時(shí)，乳化炸藥的阻擋對(duì)沖擊波的強(qiáng)度沒有影響；當(dāng)沖擊波剛好繞過乳化炸藥時(shí)，乳化炸藥的阻擋使沖擊波的強(qiáng)度降低了7.2%；當(dāng)沖擊波繞過第一排乳化炸藥且即將到達(dá)第二排乳化炸藥時(shí)，由于沖擊波的重新匯聚，使乳化炸藥的阻擋對(duì)該處沖擊波強(qiáng)度的影響降至0.4%。模擬結(jié)果表明，前排乳化炸藥的阻擋會(huì)對(duì)后排乳化炸藥的沖擊波壓縮強(qiáng)度造成一定影響，但隨著排距的增大，其影響程度逐漸減弱。

圖5 若干臨界位置處沖擊波壓力時(shí)程曲線與無阻擋情況的比較Fig.5 Comparison of shock wave pressure-history at several critical positions with unblocked condition

表2 乳化炸藥的阻擋對(duì)若干臨界位置處沖擊波壓力的影響Table 2 The influence of emulsion explosive on the shock wave at several critical positions

3.3 最小排距的確定

在研究乳化炸藥抗動(dòng)壓減敏性能與受壓距離的關(guān)系及變化規(guī)律(縱向比較)時(shí)，單次實(shí)驗(yàn)得到不同距離處的受壓乳化炸藥越多越好，而新型動(dòng)壓減敏裝置的尺寸受到限制，因此，在不影響實(shí)驗(yàn)精度的情況下，應(yīng)盡量減小乳化炸藥之間的排距。最小排距是指動(dòng)壓減敏實(shí)驗(yàn)中當(dāng)前排乳化炸藥的阻擋對(duì)沖擊波影響最小時(shí)，兩排乳化炸藥間距的最小值。圖6分別是第一排乳化炸藥后10、15和20 cm處沖擊波的壓力時(shí)程曲線與無阻擋情況的比較。根據(jù)圖5和圖6可得到第一排乳化炸藥后不同位置處沖擊波的壓力峰值以及阻擋對(duì)沖擊波的影響程度。

由表3可知，當(dāng)排距為10 cm時(shí)，前排乳化炸藥對(duì)后排乳化炸藥沖擊波壓縮的影響程度為2.7%；當(dāng)排距為15 cm時(shí)，該影響程度降低到0.6%；而當(dāng)排距超過20 cm時(shí)，其影響程度降低到0.4%。綜合考慮實(shí)驗(yàn)設(shè)備的尺寸和實(shí)驗(yàn)精度，將本實(shí)驗(yàn)條件(球狀乳化炸藥的半徑為2 cm，RDX的質(zhì)量為10 g)下的受壓乳化炸藥的最小排距設(shè)為20 cm。

由于乳化炸藥的阻擋，沖擊波到達(dá)乳化炸藥后會(huì)發(fā)生繞射、反射和透射現(xiàn)象。前排乳化炸藥對(duì)后排乳化炸藥沖擊波壓縮的影響程度不僅與沖擊波強(qiáng)度有關(guān)，還與“障礙物”乳化炸藥的尺寸等因素有關(guān)。所以，在進(jìn)行動(dòng)壓減敏實(shí)驗(yàn)之前，可根據(jù)主發(fā)藥的質(zhì)量和受壓乳化炸藥的尺寸，通過數(shù)值模擬預(yù)先確定相鄰乳化炸藥樣品之間的最小排距。

圖6 乳化炸藥后不同位置處沖擊波的壓力時(shí)程曲線與無阻擋情況的比較Fig.6 Comparison of shock wave pressure-history at several positions behind the emulsion explosive with unblocked condition

表3 前排乳化炸藥的阻擋對(duì)其后不同位置處沖擊波壓力的影響Table 3 The influence of emulsion explosive of front row on the shock wave at different following positions

4 結(jié) 論

(1) 數(shù)值模擬結(jié)果表明，新型乳化炸藥動(dòng)壓減敏裝置中，前排乳化炸藥對(duì)后排乳化炸藥的阻擋會(huì)造成后排乳化炸藥受到?jīng)_擊波壓縮的強(qiáng)度降低，但通過增大排距的方法可以使其影響降到最低。(2) 在新型動(dòng)壓減敏裝置中，當(dāng)乳化炸藥的半徑為2 cm、主發(fā)藥RDX的質(zhì)量為10 g時(shí)，要使前排乳化炸藥對(duì)后排乳化炸藥的影響最小，則待受壓乳化炸藥的最小排距應(yīng)設(shè)為20 cm。(3) 在利用該裝置進(jìn)行乳化炸藥動(dòng)壓減敏實(shí)驗(yàn)之前，可以通過數(shù)值模擬的方法確定最小排距，從而提高裝置的使用率和實(shí)驗(yàn)精度。

[1] 王尹軍,呂慶山,汪旭光.沖擊波對(duì)含水炸藥減敏作用的實(shí)驗(yàn)研究 [J].爆炸與沖擊,2004,24(6):558-562.

WANG Y J,Lü Q S,WANG X G.Experimental study on the desensitization of water-bearing explosives subjected to shock wave [J].Explosion and Shock Waves,2004,24(6):558-562.

[2] 顏事龍,陳東梁.不同敏化氣泡載體敏化的乳化炸藥減敏壓力研究 [J].兵工學(xué)報(bào),2006,27(5):887-890.

YAN S L,CHEN D L.Research on the desensitization pressure of emulsion explosives sensitized by different sensitizing bubble carriers [J].Acta Armamentarii,2006,27(5):887-890.

[3] 顏事龍,張少波,劉 義.煤礦許用乳化炸藥動(dòng)態(tài)壓力下減敏的研究 [J].安徽理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2003,23(3):27-31.

YAN S L,ZHANG S B,LIU Y.Study on the desensitization of the coal mine permitted emulsion explosives under dynamic pressure [J].Journal of Anhui University of Science and Technology (Natural Science),2003,23(3):27-31.

[4] 吳紅波,顏事龍,劉 鋒.動(dòng)壓作用下乳化劑含量對(duì)乳化炸藥破乳程度的影響 [J].火工品,2011(2):47-50.

WU H B,YAN S L,LIU F.Influence of emulsifier content on demuisification degree of emulsion explosive under dynamic pressure [J].Initiators & Pyrotechnics,2011(2):47-50.

[5] NIE S.Pressure desensitization of a gassed emulsion explosive in comparison with micro-balloon sensitized emulsion explosives [C]//Proceedings of Thirteen Annual Symposium on Explosives and Blasting Research.Las Vegas,Nevada,USA:International Society of Explosives Engineers,1997:2-5.

[6] 陳東梁,顏事龍,薛 里.動(dòng)態(tài)壓力作用下乳化炸藥減敏的實(shí)驗(yàn)研究 [J].安徽理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2004,24(增刊1):88-92.

CHEN D L,YAN S L,XUE L.Experimental study on the desensitization of emulsion explosives under dynamic pressure [J].Journal of Anhui University of Science and Technology (Natural Science),2004,24(Suppl 1):88-92.

[7] CHENG Y F,MA H H,LIU R,et al.Explosion power and pressure desensitization resisting property of emulsion explosives sensitized by MgH2[J].J Energ Mater,2014,32(3):207-218.

[8] CHENG Y F,MA H H,SHEN Z W.Pressure desensitization influential factors and mechanism of magnesium hydride sensitized emulsion explosives [J].Propell Explos Pyrot,2014,39:267-274.

[9] 程揚(yáng)帆,馬宏昊,沈兆武.MgH2對(duì)乳化炸藥壓力減敏影響的實(shí)驗(yàn)研究 [J].爆炸與沖擊,2014,34(4):427-432.

CHENG Y F,MA H H,SHEN Z W.Experimental research on the pressure desensitization of emulsion explosives sensitized by MgH2[J].Explosion and Shock Waves,2014,34(4):427-432.

[10] 程揚(yáng)帆,劉 蓉,馬宏昊,等.新型敏化氣泡載體對(duì)乳化炸藥爆炸威力及減敏性的影響 [J].煤炭學(xué)報(bào),2014,39(7):1309-1314.

CHENG Y F,LIU R,MA H H,et al.Effects of new type of chemical bubbles carriers on emulsion explosive explosion power and anti-pressure ability [J].Journal of China Coal Society,2014,39(7):1309-1314.

[11] 宋錦泉.乳化炸藥爆轟特性研究 [D].北京:北京科技大學(xué),2000:130-131.

SONG J Q.Research on detonation characteristics of emulsion explosives [D].Beijing:University of Science and Technology Beijing,2000:130-131.

[12] 林謀金,馬宏昊,沈兆武,等.鋁薄膜含量對(duì)RDX基鋁薄膜炸藥水下爆炸性能影響 [J].含能材料,2014,22(5):678-683.

LIN M J,MA H H,SHEN Z W,et al.Effect of aluminum film content on underwater explosion performance of RDX-based aluminum film explosive [J].Chinese Journal of Energetic Materials,2014,22(5):678-683.