火災(zāi)環(huán)境下艦載彈藥的安全性仿真分析?

阿 貝 王德石 嚴(yán) 平 任俊鵬 隋曉陽(yáng)

（1.海軍工程大學(xué) 武漢 430033）（2.92038部隊(duì) 青島 266000）

1 引言

由于彈藥內(nèi)部裝藥的危險(xiǎn)性，在受到外界典型激勵(lì)下對(duì)彈藥的安全性威脅均來(lái)自其本質(zhì)安全性的反應(yīng)。當(dāng)彈藥處于火災(zāi)等高溫激勵(lì)下，彈藥受到高溫環(huán)境的炙烤，不僅會(huì)加速?gòu)椝巸?nèi)部裝藥的分解，當(dāng)溫度過(guò)高或作用時(shí)間較長(zhǎng)，甚至?xí)饍?nèi)部裝藥的燃燒和爆炸［1］。本文以Mk-82艦載航空炸彈為研究對(duì)象，首先對(duì)航空炸彈的本質(zhì)安全性進(jìn)行分析，針對(duì)某型艦艇彈藥艙室構(gòu)建模型，利用FDS（Fire Detection System）軟件對(duì)彈藥艙室發(fā)生火災(zāi)的整個(gè)過(guò)程進(jìn)行仿真模擬；根據(jù)FDS仿真結(jié)果利用ANSYS軟件對(duì)Mk-82艦載航空炸彈進(jìn)行建模，對(duì)高溫激勵(lì)下的航彈進(jìn)行溫度場(chǎng)分析，進(jìn)一步對(duì)航空炸彈在火災(zāi)環(huán)境下的安全性進(jìn)行分析。

2 航空炸彈的本質(zhì)安全性

2.1 航空炸彈的結(jié)構(gòu)

本文以Mk-82艦載航空炸彈為研究對(duì)象進(jìn)行安全性分析和建模仿真。Mk-82艦載航空炸彈主裝藥為218.7kg的TNT炸藥。其構(gòu)造示意圖如圖1所示。

圖1 Mk-82艦載航空炸彈結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 裝藥的安全性

炸藥的基本反應(yīng)形式有熱分解、燃燒、爆炸和爆轟四種。在一定的刺激環(huán)境下，四種反應(yīng)形式可以相互轉(zhuǎn)換。由于艦上環(huán)境惡劣，在遇到強(qiáng)刺激情況下，容易達(dá)到炸藥的臨界點(diǎn)，使其發(fā)生化學(xué)反應(yīng)進(jìn)而可能發(fā)生爆炸等現(xiàn)象［2～5］。

設(shè)炸藥發(fā)生反應(yīng)在單位時(shí)間內(nèi)放出的熱量為Q1，主要取決于反應(yīng)速度W和炸藥單位質(zhì)量反應(yīng)后所放出的熱量q，即

其中z為頻率因子，E為炸藥的活化能，m為炸藥質(zhì)量，R為氣體常數(shù)。即有

單位時(shí)間內(nèi)由熱傳導(dǎo)而散失的熱量設(shè)為Q2，有

因此由炸藥的環(huán)境溫度T0得出炸藥的爆炸溫度T。

TNT在加熱溫度130℃，加熱時(shí)間100h后，不發(fā)生分解；加熱溫度達(dá)到160℃，開(kāi)始分解，產(chǎn)生氣體分解物；加熱溫度達(dá)到240℃，加熱時(shí)間0.5h后便發(fā)生燃燒［6～9］。其爆發(fā)點(diǎn)溫度如表1所示。

表1 TNT爆發(fā)點(diǎn)溫度表

將一定量的炸藥放在特定的試驗(yàn)條件下，把炸藥按規(guī)定時(shí)間進(jìn)行加熱，當(dāng)炸藥發(fā)火時(shí)的溫度叫做炸藥的發(fā)火點(diǎn)。在評(píng)價(jià)炸藥的熱感度時(shí)，一般采用發(fā)火溫度來(lái)判定炸藥的敏感度。表2和表3為部分炸藥的發(fā)火點(diǎn)溫度參數(shù)。

表2 部分炸藥的5min發(fā)火點(diǎn)

表3 部分炸藥的5s發(fā)火點(diǎn)

3 彈藥艙室火災(zāi)仿真

火災(zāi)環(huán)境中的刺激因素主要是溫度的升高，圖2為國(guó)標(biāo)中規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)溫度-時(shí)間曲線(xiàn)，

圖2 標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)溫度曲線(xiàn)

選取Mk-82艦載航空炸彈的貯存艙室為研究對(duì)象，根據(jù)火災(zāi)理論分析以及FDS軟件對(duì)火災(zāi)仿真的要求，在不影響計(jì)算分析模擬效果的前提下，運(yùn)用pyrosim建立艙室模型，在模擬計(jì)算時(shí)有如下輸入條件：艙室面積：7m*4m*2.4m；障礙物設(shè)定：四組彈藥貯存架，艙室電纜，違規(guī)堆放物品；溫度條件：艙內(nèi)外溫度均為20℃；消防條件：水幕噴淋系統(tǒng)，開(kāi)啟溫度為75℃；模擬時(shí)間：600s。

3.1 建立艙室模型

根據(jù)艙室的結(jié)構(gòu)和尺寸以及彈藥貯存方式同時(shí)忽略艙室中對(duì)火災(zāi)影響較小的結(jié)構(gòu)（如開(kāi)關(guān)、電燈、地板配置的矩陣型系留孔等）進(jìn)行建模，如圖3所示。

圖3 某典型彈藥艙室的仿真模型

其中，外圍藍(lán)色結(jié)構(gòu)為艙壁，材料為鋼；灰色結(jié)構(gòu)為彈藥托盤(pán)，材料為鋼；黑色結(jié)構(gòu)為電纜，材料為pvc；綠色、紫色結(jié)構(gòu)為違規(guī)堆放物品，分別模擬木、棉等固體可燃物和燃油等液體可燃物；紅色標(biāo)識(shí)部分為火源；黃色標(biāo)識(shí)部分（THCP）為溫度測(cè)量裝置；艙室正上方藍(lán)色標(biāo)識(shí)部分（SPRK）為噴淋設(shè)備。

3.2 艙室火災(zāi)熱釋放速率的設(shè)定

火災(zāi)的熱釋放速率與實(shí)踐的關(guān)系可用式（8）表示：

式中，Q為熱釋放速率（kW）；α為火災(zāi)增長(zhǎng)系數(shù)（kW/s2）；t為點(diǎn)火后的時(shí)間（s）；t0為開(kāi)始有效燃燒所需的時(shí)間（s）［10～11］。由于火災(zāi)初起的引燃過(guò)程對(duì)火勢(shì)影響很小，因此在實(shí)際應(yīng)用中，一般只研究火災(zāi)有效燃燒后的火勢(shì)狀態(tài)，而不考慮火災(zāi)有效進(jìn)行燃燒前的階段，取t0＝0。簡(jiǎn)化為式（9）：

如前所述，根據(jù)t2火災(zāi)發(fā)展特征曲線(xiàn)，考慮到假定可燃物的種類(lèi)，結(jié)合表4，得到假定火災(zāi)場(chǎng)景為介于快速火與超快速火之間，因此取火災(zāi)增長(zhǎng)系數(shù)為0.11kW/s2。

表4 火災(zāi)增長(zhǎng)系數(shù)

以火災(zāi)熱釋放量達(dá)到1MW標(biāo)準(zhǔn)，火災(zāi)發(fā)展時(shí)間為100s，通過(guò)式（9）計(jì)算得到輸入熱釋放速率可分別設(shè)為1100kW/m2。

3.3 仿真計(jì)算結(jié)果與分析

在本文的艙室火災(zāi)仿真模型中，在距離火源最近和最遠(yuǎn)的彈藥架上分別設(shè)置一個(gè)熱電偶用于記錄火災(zāi)過(guò)程中的該兩點(diǎn)的溫度變化；在火源縱切平面以及彈藥橫切平面設(shè)置兩個(gè)溫度切片記錄面數(shù)據(jù)，時(shí)間設(shè)為300s。

設(shè)置噴淋設(shè)備關(guān)閉仿真結(jié)果如下。

圖5 近火源溫度記錄點(diǎn)

圖5 和圖6也可以看出在靠近火源的記錄點(diǎn)和遠(yuǎn)離火源的記錄點(diǎn)溫度差別不大，因此艙室火災(zāi)的危害是全局性的。同時(shí)通過(guò)無(wú)噴淋設(shè)施的仿真結(jié)果可以看出，在假定的少量木、棉等固體可燃物和燃油類(lèi)液體可燃物導(dǎo)致的火災(zāi)中，艙室溫度就可以達(dá)到770℃，且會(huì)對(duì)整個(gè)艙室造成危害。而實(shí)際火災(zāi)中，可燃物種類(lèi)往往更加復(fù)雜且數(shù)量巨大，因此而形成的火災(zāi)將更具威脅性。

圖6 遠(yuǎn)火源溫度記錄點(diǎn)

圖7 發(fā)生30s彈藥平面溫度分布圖

圖8 發(fā)生150s彈藥平面溫度分布圖

圖9 發(fā)生5min彈藥平面溫度分布圖

4 航空炸彈溫度場(chǎng)仿真

4.1 建模

本文以Mk-82艦載航空炸彈為例，進(jìn)行建模分析和仿真。對(duì)該種航彈結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化分析，可以近似認(rèn)為其為長(zhǎng)圓柱體。因此選擇軸對(duì)稱(chēng)單元，對(duì)航彈進(jìn)行進(jìn)行二維熱傳導(dǎo)分析。彈體材料為鋼，內(nèi)部主裝藥為T(mén)NT，傳爆管材料為聚乙烯塑料，傳爆藥為鈍化太安。其材料屬性參數(shù)如表5所示。

表5 材料參數(shù)

4.2 初始條件及邊界條件

假設(shè)彈藥艙室內(nèi)和航彈的初始溫度均為25℃，彈藥艙室內(nèi)發(fā)生火災(zāi)或彈藥爆炸等事故，產(chǎn)生高溫能量對(duì)航彈進(jìn)行烤燃。設(shè)定發(fā)生事故的彈藥艙的溫度為1200℃，由表5中可知彈體的導(dǎo)熱系數(shù)為70 W/m·K，彈內(nèi)裝藥TNT的導(dǎo)熱系數(shù)為0.24 W/m·K，傳爆管的導(dǎo)熱系數(shù)為0.19 W/m·K，傳爆藥太安的導(dǎo)熱系數(shù)為0.1165 W/m·K，設(shè)定烤燃時(shí)間為5min。

4.3 溫度場(chǎng)求解分析

在仿真模型中，對(duì)航彈的溫度分析采用瞬態(tài)分析。首先設(shè)置彈體、主裝藥和傳爆管的節(jié)點(diǎn)的初始溫度，對(duì)模型進(jìn)行一個(gè)時(shí)間和步長(zhǎng)均為0.01s的分析，得到航彈的初始溫度。然后對(duì)艙室內(nèi)的溫度場(chǎng)刺激設(shè)定，設(shè)溫度為1200℃，時(shí)間為300s，步長(zhǎng)0.01s，檢測(cè)時(shí)間為5s，經(jīng)過(guò)仿真計(jì)算，得出航彈的溫度場(chǎng)云圖、熱密度云圖，同時(shí)取航彈的殼體、裝藥表面、裝藥中層、裝藥中心、傳爆管表面和傳爆藥表面的節(jié)點(diǎn)在300s內(nèi)的溫度變化。

圖10 航彈在快速烤燃后溫度場(chǎng)云圖

圖11 傳爆藥的溫度變化

圖12 傳爆管的溫度變化

圖13 靠近彈體的節(jié)點(diǎn)溫度變化

圖14 主裝藥中心節(jié)點(diǎn)的溫度變化

圖15 裝藥表面溫度變化

圖16 裝藥中層溫度變化

4.4 仿真結(jié)果分析

通過(guò)對(duì)快速烤燃激勵(lì)下航空炸彈的溫度場(chǎng)計(jì)算分析，可以得到航空炸彈的任意節(jié)點(diǎn)的溫度變化值。假定在火災(zāi)環(huán)境激勵(lì)過(guò)程中，航彈內(nèi)部裝藥在不發(fā)生反應(yīng)的前提下，由圖13可知，在快速烤燃的300s內(nèi)，航彈殼體的溫度迅速上升，達(dá)到了818.5℃。同樣對(duì)裝藥內(nèi)部溫度變化進(jìn)行跟蹤，得到圖14和圖15所示溫度變化趨勢(shì)，經(jīng)分析可得，由于外部溫度刺激較強(qiáng)，內(nèi)部裝藥在靠近彈體位置節(jié)點(diǎn)的溫度上升也較為明顯，60s后，裝藥溫度開(kāi)始不斷上升，在300s后達(dá)到36.018℃，而對(duì)內(nèi)部傳爆管來(lái)說(shuō)，其溫度變化不如慢速烤燃明顯。在經(jīng)過(guò)300s后，傳爆管的溫度最高值為25.007℃，幾乎沒(méi)有什么變化。

5 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)本文中2.2小節(jié)和3.3小節(jié)中對(duì)該型航空炸彈的主裝藥的安全性分析以及火災(zāi)過(guò)程的仿真，得到TNT爆發(fā)延滯期為10s的爆發(fā)點(diǎn)溫度為465℃，太安爆發(fā)延滯期為10s的爆發(fā)點(diǎn)溫度為211℃。由圖13中彈體溫度隨烤燃時(shí)間的變化趨勢(shì)可知，當(dāng)以1200℃的快速烤燃激勵(lì)時(shí)間持續(xù)65s后，彈體溫度達(dá)到470℃，已超過(guò)TNT的10s爆發(fā)點(diǎn)溫度，而且彈體溫度持續(xù)升高。所以在快速烤燃激勵(lì)下，航彈在持續(xù)激勵(lì)時(shí)間為70s后TNT炸藥在高溫刺激下將發(fā)生燃燒或爆炸反應(yīng)。因此火災(zāi)環(huán)境對(duì)航空炸彈的安全性威脅劇大，當(dāng)火災(zāi)發(fā)生后，必須在60s內(nèi)對(duì)火災(zāi)環(huán)境進(jìn)行撲救。