不同升溫速率下DNAN熔鑄炸藥烤燃尺寸效應(yīng)研究*

趙 亮，智小琦，于永利，高 峰，曾 稼

(1 中北大學(xué)，太原 030051；2 吉林江機(jī)特種工業(yè)有限公司，吉林吉林 130021；3 內(nèi)蒙古北方重工業(yè)集團(tuán)有限公司，內(nèi)蒙古包頭 014033)

0 引言

烤燃實(shí)驗(yàn)是檢驗(yàn)和評(píng)估彈藥熱易損性的重要方法[1]，對(duì)彈藥的設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)輸、儲(chǔ)存及使用有重要指導(dǎo)意義。隨著彈藥的熱安全性問題日益引起重視，DNAN(2，4-二硝基苯甲醚)作為一種新型鈍感高能熔鑄載體炸藥受到國(guó)內(nèi)外研究人員關(guān)注，并對(duì)此進(jìn)行了大量的研究，得到了許多有價(jià)值的結(jié)論。如王紅星[2]等研究了DNAN炸藥熱安全性，得出了DNAN 炸藥的發(fā)火溫度、爆發(fā)點(diǎn)及活化能等參數(shù)，研究表明作為熔鑄載體，炸藥熱感度優(yōu)于TNT。董海山[3]等人綜述了DNAN炸藥的合成現(xiàn)狀、物理性能和以DNAN為基的熔鑄炸藥配方的研制及相關(guān)性能的研究進(jìn)展。陳朗[4]等人研究了DNAN炸藥在烤燃實(shí)驗(yàn)中的響應(yīng)特性，建立了熔化和對(duì)流傳熱模型，得出了與固體炸藥相比在傳熱和對(duì)流的作用下，熔鑄炸藥內(nèi)部溫度分布更加均勻，點(diǎn)火區(qū)域擴(kuò)大，響應(yīng)劇烈程度隨之增加。馬欣[5]等研究了DNAN和HMX熔鑄混合炸藥在烤燃實(shí)驗(yàn)下的響應(yīng)特征，建立了混合炸藥的數(shù)值模型，通過數(shù)值計(jì)算得出混合炸藥響應(yīng)主要是由HMX分解放熱引起的；炸藥在不同加熱條件下的點(diǎn)火位置發(fā)生變化。

目前對(duì)DNAN炸藥熱安全性的研究主要以固定尺寸烤燃實(shí)驗(yàn)為主，而實(shí)際彈藥中尺寸多變。因此，文中以3.3 ℃/h和1.0 ℃/min的升溫速率對(duì)Φ19×38 mm和Φ19×76 mm不同尺寸的DANA基熔鑄混合炸藥進(jìn)行烤燃實(shí)驗(yàn)，研究尺寸效應(yīng)對(duì)熔鑄混合炸藥烤燃響應(yīng)特性的影響，這對(duì)彈藥的熱安全性評(píng)估具有很重要的意義。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 烤燃裝置及材料

實(shí)驗(yàn)采用自行設(shè)計(jì)的烤燃系統(tǒng)如圖1所示，烤燃實(shí)驗(yàn)裝置主要由計(jì)算機(jī)、MR13溫控儀(測(cè)量精度為0.1 ℃)、烤燃爐和K型熱電偶組成。其中由MR13溫控儀、烤燃爐和K型熱電偶三者組成溫控反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)，對(duì)實(shí)驗(yàn)的升溫速率進(jìn)行控制調(diào)節(jié)。利用SFO計(jì)算機(jī)軟件對(duì)烤燃實(shí)驗(yàn)過程中的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)采集。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

烤燃彈的裝藥尺寸分別為Φ19×38 mm和Φ19×76 mm，DNAN基熔鑄混合炸藥質(zhì)量配方為：2，4-二硝基苯甲醚(DNAN)31.6%、黑索金41%、鋁25%、添加劑2.4%，烤燃彈裝藥密度為1.80 g·cm-3，烤燃彈殼體壁厚為3 mm，頂蓋厚度為1 mm，端蓋和殼體用螺紋連接，并用硅脂密封，殼體材料均為45鋼。圖1為烤燃彈的實(shí)物圖與示意圖。

從30 ℃(303.15 K)開始升溫，分別以3.3 ℃/h和1 ℃/min的升溫速率對(duì)烤燃彈進(jìn)行升溫，直到試樣發(fā)生響應(yīng)。采用3支WRN-010K微型熱電偶測(cè)量溫度，其中第一支固定在烤燃彈彈體外壁(A測(cè)點(diǎn))，第二支埋在藥柱中心處(B測(cè)點(diǎn))，第三支放在距藥柱中心6 mm的同一平面處(C測(cè)點(diǎn))。記錄烤燃過程中3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度-時(shí)間歷程曲線，回收破片并通過殼體變形和破碎狀況來衡量試樣彈響應(yīng)程度。每種狀態(tài)至少做兩發(fā)平行試驗(yàn)。

圖1 烤燃彈

1.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。從表1可以看出：在同一升溫速率下，長(zhǎng)徑比較大的烤燃彈響應(yīng)時(shí)藥柱中心溫度較低；在同一長(zhǎng)徑比下，升溫速率較低的烤燃彈響應(yīng)時(shí)藥柱中心溫度較低。這表明升溫速率和裝藥尺寸是影響炸藥慢烤響應(yīng)溫度的重要因素。

烤燃彈響應(yīng)后破片狀態(tài)如圖2所示。由圖2可見，在1.0 ℃/min升溫速率下，兩種裝藥尺寸的烤燃彈的彈體均未生明顯變形，兩端端蓋均受剪切沖開，表明兩種裝藥尺寸的烤燃彈只發(fā)生了燃燒反應(yīng)；在3.3 ℃/h升溫速率下，Φ19×36 mm的烤燃彈點(diǎn)火后，兩端端蓋受剪切炸開，殼體未發(fā)生明顯變形，表明發(fā)生了燃燒反應(yīng)，Φ19×76 mm的烤燃彈點(diǎn)火后殼體破碎，破片數(shù)量較多，表明發(fā)生了爆炸以上等級(jí)反應(yīng)。因此可以推斷在升溫速率較慢環(huán)境中裝藥尺寸較大的試樣容易發(fā)生更加劇烈的反應(yīng)。以上表明，升溫速率和裝藥尺寸是影響炸藥烤燃響應(yīng)劇烈程度重要因素。

表1 烤燃實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖2 烤燃彈試驗(yàn)結(jié)果

為研究在不同升溫速率下裝藥尺寸對(duì)響應(yīng)時(shí)炸藥中心測(cè)點(diǎn)溫度的影響規(guī)律，特做仿真如下。

2 數(shù)值計(jì)算

2.1 模型建立

據(jù)烤燃試樣的結(jié)構(gòu)建立數(shù)學(xué)模型，首先做以下假設(shè)：1)炸藥為均一固體，相變過程忽略微觀不均勻性；2)整個(gè)烤燃過程殼體材料參數(shù)保持不變；3)炸藥的自熱反應(yīng)遵循Arrhenius定律[6]。

取時(shí)間-溫度曲線拐點(diǎn)處藥柱中心溫度為炸藥的響應(yīng)溫度。烤燃過程中烤燃彈內(nèi)部系統(tǒng)中質(zhì)量、能量、動(dòng)量連續(xù)方程可以用以下通用形式來表示[7]：

(1)

式中：φ為通用變量，包含質(zhì)量、能量、動(dòng)量等；Γ為廣義擴(kuò)散系數(shù)；S為炸藥自熱源項(xiàng)，遵循Arrhenius方程。

(2)

式中：Q為反應(yīng)物反應(yīng)熱；Z為指前因子；E為反應(yīng)物的活化能；ρ為反應(yīng)物的密度；R為普適氣體常數(shù)；f(a)為反應(yīng)功能函數(shù)，所用計(jì)算模型為零級(jí)反應(yīng)模型，所以f(a)=1。

采用FLUENT軟件進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，烤燃彈的計(jì)算模型如圖3所示，烤燃彈殼體外壁設(shè)置為加熱面，殼體和藥柱間設(shè)置為耦合邊界條件，烤燃彈1/2模型截面設(shè)置為對(duì)稱邊界條件。采用焓孔隙率方法處理炸藥的相變過程[8]，通過液相分?jǐn)?shù)來追蹤相界面位置變化。用多孔介質(zhì)模型來描述混合物。藥柱的升溫速率和自熱源項(xiàng)用C語言編寫成子程序通過用戶自定義(UDF)接口加載到軟件。升溫速率設(shè)置為3.3 ℃/h 和1.0 ℃/min，對(duì)裝藥直徑為19 mm、長(zhǎng)徑比分別為0.5、1、2、3、4、5、6不同裝藥尺寸的模型進(jìn)行加熱，直到炸藥發(fā)生響應(yīng)。

圖3 烤燃彈試樣網(wǎng)格模型

數(shù)值計(jì)算時(shí)的材料參數(shù)參照文獻(xiàn)[5，9]，以實(shí)驗(yàn)所得監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度為依據(jù)，調(diào)整材料參數(shù)，直至實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值計(jì)算結(jié)果相吻合。調(diào)整后的材料物性參數(shù)如表2所示；DNAN炸藥和RDX炸藥反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)如表3所示。

表2 材料的物性參數(shù)

表3 DNAN炸藥和RDX炸藥化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力參數(shù)

2.2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

2.2.1 仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

表4 不同裝藥尺寸烤燃數(shù)值計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果

計(jì)算和實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4所示，由表4可知，仿真計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相對(duì)誤差最大為1.57%，兩者高度吻合，說明該模型和計(jì)算方法能夠準(zhǔn)確的描述DNAN熔鑄混合炸藥在加熱過程中的熱響應(yīng)情況。

圖4 為3.3 ℃/h和1.0 ℃/min 升溫速率下烤燃彈點(diǎn)火時(shí)刻溫度云圖，從圖4可知在兩種升溫速率下Φ19×38 mm和Φ19×76 mm烤燃彈的點(diǎn)火位置均在藥柱中心，且在同一升溫速率下點(diǎn)火區(qū)域與藥柱尺寸呈相似幾何分布。

圖4 3.3 ℃/h和1.0 ℃/min 升溫速率下烤燃彈點(diǎn)火時(shí)刻溫度云圖

2.2.2 不同裝藥尺寸烤燃仿真結(jié)果分析

不同裝藥尺寸烤燃彈計(jì)算結(jié)果如表5所列。兩種升溫速率下，長(zhǎng)徑比為0.5的烤燃彈響應(yīng)時(shí)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度最高，長(zhǎng)徑比為6的烤燃彈響應(yīng)時(shí)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度最低。即隨長(zhǎng)徑比增大響應(yīng)溫度呈降低趨勢(shì)。

圖5、圖6為在3.3 ℃/h和1.0 ℃/min 升溫速率下響應(yīng)溫度和響應(yīng)時(shí)間與裝藥尺寸的關(guān)系曲線，從圖5、圖6可以看出兩種升溫速率下當(dāng)烤燃彈長(zhǎng)徑比為0.5～4時(shí)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度均隨裝藥尺寸的增大呈指數(shù)減小，同時(shí)響應(yīng)時(shí)間隨裝藥尺寸增大也呈指數(shù)衰減；但當(dāng)長(zhǎng)徑比繼續(xù)增大時(shí)，響應(yīng)溫度趨于定值，響應(yīng)時(shí)間也基本恒定。表明不同升溫速率下烤燃彈的響應(yīng)溫度隨長(zhǎng)徑比變化的趨勢(shì)是一致的。但響應(yīng)溫度的絕對(duì)值與升溫速率有很大關(guān)系，同一裝藥尺寸下，升溫速率為3.3 ℃/h的響應(yīng)溫度均小于升溫速率為1.0 ℃/min的響應(yīng)溫度。由此可以推斷，在該條件下，較慢升溫速率下的細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的烤燃彈更容易發(fā)生響應(yīng)。

表5 不同裝藥尺寸烤燃數(shù)值計(jì)算結(jié)果

圖5 響應(yīng)溫度裝藥尺寸的關(guān)系曲線

3 結(jié)論

1)限定條件下裝藥尺寸和升溫速率均能對(duì)DNAN基熔鑄混合炸藥烤燃響應(yīng)溫度產(chǎn)生影響；裝藥尺寸越大，升溫速率越慢，炸藥的響應(yīng)溫度越高，反應(yīng)程度越劇烈。

圖6 響應(yīng)時(shí)間與裝藥尺寸的關(guān)系曲線

2)不同升溫速率下，DNAN熔鑄混合炸藥的響應(yīng)溫度隨長(zhǎng)徑比變化規(guī)律相似，但響應(yīng)溫度的絕對(duì)值與升溫速率有很大關(guān)系，同一裝藥尺寸下升溫速率較慢的烤燃彈更加危險(xiǎn)。