炸藥在密閉容器中爆炸數(shù)值模擬和試驗(yàn)

金朋剛，李鴻賓，賈憲振

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炸藥在密閉容器中爆炸數(shù)值模擬和試驗(yàn)

金朋剛，李鴻賓，賈憲振

（西安近代化學(xué)研究所，陜西 西安，710065）

為了解炸藥在密閉容器中爆炸超壓傳播規(guī)律，測(cè)量了TNT在500L密閉容器中爆炸的沖擊波超壓和準(zhǔn)靜壓，利用AUTODYN建立了二維軸對(duì)稱模型，獲得了沖擊波和爆轟產(chǎn)物在容器中的傳播過程。研究了傳感器附近的凹凸結(jié)構(gòu)對(duì)沖擊波超壓和準(zhǔn)靜壓測(cè)試的影響，對(duì)比數(shù)值計(jì)算和實(shí)測(cè)超壓歷程曲線。結(jié)果表明，數(shù)值計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)果基本一致，凹凸結(jié)構(gòu)能夠顯著影響沖擊波超壓，而對(duì)準(zhǔn)靜壓無影響。

炸藥；沖擊波超壓；準(zhǔn)靜壓；數(shù)值模擬；密閉容器；后燃燒

沖擊波超壓和準(zhǔn)靜壓是評(píng)價(jià)炸藥內(nèi)爆炸性能的主要參數(shù)[1-3]，炸藥在有限空間中爆炸產(chǎn)生的沖擊波具有多次反射、多峰疊加的基本特點(diǎn)。因此，沖擊波傳播規(guī)律很難預(yù)測(cè)。目前用于內(nèi)爆炸沖擊波測(cè)量的壓力傳感器主要分為壓電式和壓阻式兩類，但這兩種傳感器的測(cè)量精度受高溫及爆轟產(chǎn)物的影響較大，試驗(yàn)人員通常選擇多點(diǎn)測(cè)量，取有效數(shù)據(jù)平均值的方法確保測(cè)試重復(fù)性，試驗(yàn)和數(shù)據(jù)處理的工作量較大。

數(shù)值模擬技術(shù)為復(fù)現(xiàn)沖擊波傳播以及爆轟產(chǎn)物飛散過程提供了基礎(chǔ)，陳昊等[4]人利用ANSYS LS- DYNA建立了溫壓炸藥在半密閉結(jié)構(gòu)中爆炸的三維數(shù)值計(jì)算模型，計(jì)算了沖擊波在結(jié)構(gòu)中的傳播過程；曹玉忠等[5]采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)中的二階精度TVD差分格式和特殊算子分裂法，按軸對(duì)稱問題，對(duì)半球頂圓柱筒密閉式抗爆容器內(nèi)部爆炸流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬；辛春亮等[6]人將爆轟產(chǎn)物的后燃燒能引入數(shù)值計(jì)算模型中，計(jì)算得到TNT空中爆炸超壓歷程曲線，分析了二次壓力波的形成過程。但是關(guān)于容器內(nèi)部結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對(duì)密閉容器中爆炸沖擊波和后續(xù)壓力波影響的研究較少，本文通過建立TNT在500L密閉容器中爆炸的等比例二維數(shù)值計(jì)算模型，利用AUTODYN自帶的炸藥爆炸參數(shù)計(jì)算模型[7]，研究了密閉容器內(nèi)部小型結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對(duì)沖擊波超壓和準(zhǔn)靜壓的影響。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)布局

密閉爆炸罐整體為回旋體結(jié)構(gòu)，容積約500L。圖1為爆炸罐的二分之一剖面圖，主要結(jié)構(gòu)有凸臺(tái)、觀察窗、轉(zhuǎn)接塊和密封螺帽，傳感器安裝在轉(zhuǎn)接塊上，炸藥懸掛于距離凸臺(tái)170mm的爆炸罐中心位置處，爆心距離兩側(cè)的傳感器450mm，對(duì)于120gTNT炸藥，測(cè)點(diǎn)處的比例距離為0.91m·kg-1/3。

1.2 試驗(yàn)器材

壓裝TNT，質(zhì)量105g，密度1.58g·cm-3，采用10g JH-14傳爆藥和8號(hào)電雷管起爆，裝藥的TNT當(dāng)量約為120g。PCB161、PCB162壓電式壓力傳感器各1支，量程6.9MPa，滿幅輸出5V，采樣速率1M/s；適配器F482型ICP傳感器專用適配器，PCB公司；波形記錄儀：JV-200型波形記錄儀。

2 數(shù)值模擬

2.1 物理模型

根據(jù)實(shí)際工況，建立了二維數(shù)值計(jì)算模型，鑒于爆炸罐為回旋體對(duì)稱結(jié)構(gòu)，為了提高計(jì)算效率，建立了四分之一軸對(duì)稱模型，取Y軸對(duì)稱，獲得爆炸罐的二分之一剖面，模型容積為500.3L。在炸藥的不同方位處設(shè)置了9個(gè)測(cè)點(diǎn)，其中測(cè)點(diǎn)3、4、5分別對(duì)應(yīng)于和炸藥爆心、下端面和上端面平行的測(cè)點(diǎn)，見圖2（a）。

爆炸罐殼體厚度為40mm，徑向劃分4個(gè)網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸約1cm，空氣介質(zhì)徑向劃分200個(gè)網(wǎng)格，軸向劃分400個(gè)網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸大約為2mm，炸藥和空氣采用歐拉網(wǎng)格，爆炸罐殼體采用拉格朗日網(wǎng)格，兩者之間定義ALE流固耦合算法，網(wǎng)格劃分見圖2（b）。

圖2 仿真模型及網(wǎng)格劃分

2.2 材料模型

TNT炸藥的材料模型選擇使用AUTODYN自帶的材料TNT-2，炸藥爆轟產(chǎn)物狀態(tài)用JWL狀態(tài)方程描述。材料模型方面，采用JWL狀態(tài)方程：

式（1）中：為比內(nèi)能；為相對(duì)比容，=/0，為無量綱量；，，1，2和均為JWL狀態(tài)方程參數(shù)，可以利用圓筒試驗(yàn)進(jìn)行標(biāo)定，本文所用JWL狀態(tài)方程參數(shù)列于表1。

表1 JWL裝填方程參數(shù)

Tab.1 The JWL equation of state of TNT-2

方程（1）中的3項(xiàng)分別在爆炸的高壓、中壓和低壓環(huán)境起主導(dǎo)作用，爆炸后期，爆轟產(chǎn)物狀態(tài)用理想氣體狀態(tài)方程描述，絕熱指數(shù)取1.3，準(zhǔn)靜態(tài)壓力實(shí)際上就是沖擊波反射、爆炸放熱對(duì)產(chǎn)物和空氣加熱效應(yīng)的綜合體現(xiàn)。

空氣的狀態(tài)方程采用理想氣體狀態(tài)方程，即：

式（2）中：為壓力；為絕熱指數(shù)；為密度；為初始比內(nèi)能。

爆炸容器的材料為鋼，選用STEEL-1006材料模型，采用John-Cook材料模型描述其本構(gòu)關(guān)系，即：

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

進(jìn)行3發(fā)試驗(yàn)，每次采取對(duì)稱位置處各安置1個(gè)傳感器，結(jié)果取2個(gè)傳感器所測(cè)值的算術(shù)平均，見表2。由表2可見，沖擊波峰值超壓測(cè)試結(jié)果波動(dòng)較大，準(zhǔn)靜壓測(cè)試結(jié)果重復(fù)性較好。試驗(yàn)所測(cè)典型的超壓——時(shí)間歷程曲線見圖3。

圖3 典型的超壓——時(shí)間歷程曲線

由圖3可以看出，沖擊波到達(dá)之后，壓力迅速衰減（見右上角的局部放大圖）至基線附近，但沒有回零，隨后壓力逐漸回升，5ms之后壓力幅值達(dá)到準(zhǔn)靜壓附近，由于反射沖擊波的影響，初期壓力幅值跳動(dòng)較大，10ms以后爆炸罐內(nèi)的壓力逐漸勻化，處理超壓歷程曲線得到?jīng)_擊波峰值超壓為14.0MPa，準(zhǔn)靜壓為0.50MPa，數(shù)值計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)果列于表2。由表2可見本文所用計(jì)算方法能夠較為準(zhǔn)確地計(jì)算沖擊波超壓和準(zhǔn)靜壓。

表2 試驗(yàn)結(jié)果

Tab.2 The test result

試驗(yàn)中，傳感器距離爆心450mm，對(duì)比距離為0.91m·kg-1/3，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得到自由場(chǎng)空爆條件下測(cè)點(diǎn)處的沖擊波超壓為1.2MPa，根據(jù)反射壓力增強(qiáng)2～8倍的基本理論，試驗(yàn)所測(cè)沖擊波超壓應(yīng)為2.4～9.6MPa，而本試驗(yàn)結(jié)果已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過該范圍的上限，因此可以推斷沖擊波在容器內(nèi)部發(fā)生了多次疊加，導(dǎo)致測(cè)點(diǎn)處沖擊波超壓顯著增強(qiáng)。

4 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

4.1 沖擊波及爆轟產(chǎn)物軌跡演變過程分析

為進(jìn)一步了解沖擊波在容器內(nèi)部的傳播過程，利用AUTODYN對(duì)該工況做了仿真計(jì)算，圖4為TNT爆炸后在爆炸罐內(nèi)產(chǎn)生的壓力及爆轟產(chǎn)物軌跡演變圖。

圖4 爆炸罐內(nèi)壓力演化圖

由圖4可見，初期沖擊波呈球形傳播，各方向的沖擊波速度是相同的，起爆0.05ms時(shí)刻，沖擊波到達(dá)凸臺(tái)，此時(shí)沖擊波平均速率為3 400m/s；受凸臺(tái)反射沖擊波和初始沖擊波疊加的影響，炸藥徑向沖擊波波速迅速增加，使得徑向沖擊波速度大于軸向沖擊波速度，爆炸場(chǎng)內(nèi)的沖擊波傳播呈蘑菇狀發(fā)展；0.17ms時(shí)刻，徑向沖擊波到達(dá)爆炸罐側(cè)壁，0.2ms時(shí)刻，側(cè)壁沖擊波作用位置處的壓力急劇增加，此時(shí)徑向爆轟產(chǎn)物也到達(dá)壁面附近。計(jì)算可得0.05~0.17ms沖擊波平均速率為2 333m/s。

對(duì)比測(cè)點(diǎn)1、2、3的壓力歷程曲線，結(jié)果見圖5。

圖5 測(cè)點(diǎn)1、2、3的壓力歷程

由圖5可見，約0.17ms時(shí)刻，沖擊波達(dá)到測(cè)點(diǎn)3，由于凸臺(tái)反射沖擊波的疊加和側(cè)壁的反射作用，沖擊波得到大幅度增強(qiáng)，起爆2ms之后3個(gè)測(cè)點(diǎn)的壓力基本一致，說明爆炸罐內(nèi)部的壓力已經(jīng)勻化，此時(shí)容器內(nèi)部的壓力可以用準(zhǔn)靜壓表示。測(cè)點(diǎn)3、4、5分別對(duì)應(yīng)于和炸藥爆心、下端面和上端面平行的測(cè)點(diǎn)，試驗(yàn)過程中由于傳感器安裝孔的位置不同，測(cè)點(diǎn)位置會(huì)有略微的差異，為了考察這種差異對(duì)沖擊波壓力測(cè)量的影響，將測(cè)點(diǎn)3、4、5的壓力歷程曲線繪制于圖6中。

由圖6可見，3個(gè)測(cè)點(diǎn)的沖擊波峰值壓力和準(zhǔn)靜壓基本一致，讀取數(shù)據(jù)可得沖擊波峰值超壓和準(zhǔn)靜壓分別為13.0 MPa和0.51MPa，說明本工況下，測(cè)點(diǎn)位置的微小變化對(duì)于測(cè)試結(jié)果基本沒有影響。

圖6 測(cè)點(diǎn)3、4、5的壓力歷程

4.2 局部結(jié)構(gòu)特性對(duì)沖擊峰值壓力和準(zhǔn)靜壓的影響

實(shí)際測(cè)量中轉(zhuǎn)接塊和傳感器的對(duì)接部分存在約1cm的凸起結(jié)構(gòu)，如圖7所示。

圖7 數(shù)值計(jì)算模型（含1cm凹坑）

為了考察這種微小結(jié)構(gòu)對(duì)沖擊峰值超壓和準(zhǔn)靜壓的影響，利用相同的算法，建立了圖7所示的數(shù)值計(jì)算模型，炸藥側(cè)壁正對(duì)位置處設(shè)置了高2.5cm、深1cm的凹坑，模擬轉(zhuǎn)接塊和傳感器連接位置處的凹凸結(jié)構(gòu)。測(cè)點(diǎn)1和測(cè)點(diǎn)2分別對(duì)應(yīng)于結(jié)構(gòu)的上端點(diǎn)和下端點(diǎn)。計(jì)算結(jié)果如圖8所示。

圖8 測(cè)點(diǎn)1和2的壓力歷程曲線

由圖8可見，測(cè)點(diǎn)1和測(cè)點(diǎn)2的沖擊波超壓分別為11.2MPa和9.2MPa，說明凹凸結(jié)構(gòu)對(duì)沖擊波峰值壓力產(chǎn)生了顯著影響，而對(duì)準(zhǔn)靜壓基本無影響，實(shí)際測(cè)量中應(yīng)該對(duì)微小結(jié)構(gòu)引起重視，這也可能是導(dǎo)致試驗(yàn)中沖擊波超壓測(cè)試重復(fù)性較差的原因之一。

5 結(jié)論

（1）內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜的密閉容器中，炸藥爆炸沖擊波超壓通常難以預(yù)估，本試驗(yàn)條件下在對(duì)比距離為0.91m·kg-1/3的測(cè)點(diǎn)處，沖擊波超壓達(dá)到了14.0MPa的超高值，數(shù)值模擬結(jié)果表明，這是由于沖擊波被炸藥底部凸臺(tái)反射增強(qiáng)，并和側(cè)向初始沖擊波發(fā)生正向疊加所致；

（2）數(shù)值模擬結(jié)果表明，傳感器附近的微小結(jié)構(gòu)對(duì)沖擊波超壓測(cè)試有顯著影響，兩個(gè)相距25mm的測(cè)點(diǎn)，沖擊波超壓相差2.0MPa，這可能是導(dǎo)致沖擊波超壓測(cè)量結(jié)果重復(fù)性差的原因之一，試驗(yàn)過程中應(yīng)該引起重視。

[1] 饒國(guó)寧,陳網(wǎng)樺,梁德山,等.密閉空間內(nèi)不同炸藥爆源的能量輸出結(jié)構(gòu)及與目標(biāo)作用研究[J].爆炸與沖擊,2007,27(5):335- 450.

[2] 李鴻賓,金朋剛,嚴(yán)家佳,等.炸藥在密閉空間中爆炸準(zhǔn)靜壓的計(jì)算方法[J].火工品,2014(1):45-48.

[3] F.Togashi,J.D.Baum,O.A.Soto.numerical simulation of tnt-al explosives in explosion chamber [C]//Seventh International Conference on Computational Fluid Dynamics (ICCFD7). Hawaii, 2012.

[4] 陳昊,陶鋼,蒲元.溫壓藥在有限空間內(nèi)爆炸沖擊波的實(shí)驗(yàn)研究及數(shù)值模擬[J].火炸藥學(xué)報(bào),2009,32(5):45-57.

[5] 曹玉忠,盧澤生,管懷安,等.抗爆容器內(nèi)爆炸流場(chǎng)數(shù)值模擬[J].高壓物理學(xué)報(bào),2001,15(2):127-133.

[6] 辛春亮,徐更光,劉科種,等.考慮后燃燒效應(yīng)的TNT空氣中爆炸的數(shù)值模擬[J].含能材料,2008,16(2):160-163.

[7] ANSYS AUTODYN Manuals Version 11.0[M]. ANSYS,2007.

Test and Simulation Research of Explosives Detonation in Confined Chamber

JIN Peng-gang, LI Hong-bin, JIA Xian-zhen

（Xi’an Modern Chemistry Research Institute, Xi’an, 710065）

In order to know the spreading rule of shock wave in confined chamber, the overpressure and quasi-static pressure of TNT explosion in a 500L chamber were tested, the 2D simulation model was built by AUTODYN, meanwhile, the spreading law of shock wave and detonation products in the chamber were obtained. The influence of structure near sensors was considered, the simulation and testing result were compared, which shows that simulation accords with the testing result, accented structure near the sensors influence shock wave seriously, while has no effect on the quasi-static pressure.

Explosives；Shockwave；Quasi-static pressure；Simulation；Confined chamber；Afterburning

1003-1480（2019）02-0031-04

TQ560.72

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2019.02.008

2018-10-11

金朋剛（1978 -），男，副研究員，主要從事炸藥及裝藥爆炸與安全特種評(píng)估技術(shù)。