程揚帆,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)的沖擊波動壓減敏實驗原理圖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對后爆的乳化炸藥產(chǎn)生動壓載荷，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。乳化炸藥的動壓減敏不僅影響爆破效果，而且在處理盲炮時容易引發(fā)安全事故。在實驗室條件下如何合理設(shè)計延遲爆破的模擬實驗，對乳化炸藥的動壓減敏研究至關(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壓減敏的主要方法[4-6]，將引爆的主發(fā)藥作為動壓源，水作為傳壓介質(zhì)，乳化炸藥因受到?jīng)_擊波的動壓作用而發(fā)生減敏，實驗裝置如圖1所示。然而，隨著研究的深入，傳統(tǒng)的乳化炸藥動壓減敏裝置已不能很好地滿足現(xiàn)有實驗的要求。在我們的前期研究中，通過對傳統(tǒng)動壓減敏裝置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，得到一種新型動壓減敏裝置(見圖2)，使單個主發(fā)藥能夠同時獲得多個受壓的乳化炸藥樣品，不僅節(jié)約了實驗成本，而且保證實驗條件的均一性，減小了實驗誤差；該新型裝置已廣泛應(yīng)用于乳化炸藥的動壓減敏研究中，取得了很好的實驗效果[7-10]。然而，在水下爆炸實驗中，該新型乳化炸藥動壓減敏裝置中的流場分布特征及其對實驗結(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，研究該裝置在實驗過程中的流場分布情況以及流場分布對實驗結(jié)果的影響，為后續(xù)實驗裝置的優(yōu)化和乳化炸藥動壓減敏實驗的開展提供指導(dǎo)。

圖2 改進(jìn)后的沖擊波動壓減敏實驗原理圖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，對不同距離的乳化炸藥樣品進(jìn)行不同強(qiáng)度的動壓加載，從而模擬延遲爆破中乳化炸藥的動壓減敏現(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壓減敏實驗中，除最靠近中心主發(fā)藥(第一排)的兩個乳化炸藥樣品外，其余乳化炸藥樣品受到的沖擊波加載勢必會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后方乳化炸藥的沖擊波動壓加載的影響不可忽視。因此，有必要對該新型動壓減敏裝置的沖擊波流場特征進(jìn)行研究，分析流場分布對實驗結(jié)果的影響，以期通過裝置的優(yōu)化設(shè)計將縱向比較研究中的實驗誤差減小到最低。

3 數(shù)值模擬研究

3.1 計算模型

圖3 三維計算模型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動力學(xué)有限元軟件進(jìn)行計算。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為實驗擬合系數(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]中的實驗結(jié)果一致，從而確定最終的計算模型。

3.2 沖擊波流場的分布特征

圖4是新型動壓減敏裝置在不同時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，勢必對沖擊波的強(qiáng)度造成一定影響。為了研究前排乳化炸藥對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應(yīng)的沖擊波壓力時程，并與未受乳化炸藥阻擋的情況進(jìn)行對比。

圖4 不同時刻(t)新型動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，其壓力時程曲線與相應(yīng)的無乳化炸藥阻擋情況的對比，表2是與圖5相對應(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，乳化炸藥的阻擋對沖擊波的強(qiáng)度沒有影響；當(dāng)沖擊波剛好繞過乳化炸藥時，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，由于沖擊波的重新匯聚，使乳化炸藥的阻擋對該處沖擊波強(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對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，單次實驗得到不同距離處的受壓乳化炸藥越多越好，而新型動壓減敏裝置的尺寸受到限制，因此，在不影響實驗精度的情況下，應(yīng)盡量減小乳化炸藥之間的排距。最小排距是指動壓減敏實驗中當(dāng)前排乳化炸藥的阻擋對沖擊波影響最小時，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沖擊波的影響程度。

由表3可知，當(dāng)排距為10 cm時，前排乳化炸藥對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，該影響程度降低到0.6%；而當(dāng)排距超過20 cm時，其影響程度降低到0.4%。綜合考慮實驗設(shè)備的尺寸和實驗精度，將本實驗條件(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)乳化炸藥后會發(fā)生繞射、反射和透射現(xiàn)象。前排乳化炸藥對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)行動壓減敏實驗之前，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，新型乳化炸藥動壓減敏裝置中，前排乳化炸藥對后排乳化炸藥的阻擋會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，要使前排乳化炸藥對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)行乳化炸藥動壓減敏實驗之前，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驗精度。

[1] 王尹軍,呂慶山,汪旭光.沖擊波對含水炸藥減敏作用的實驗研究 [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,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態(tài)壓力下減敏的研究 [J].安徽理工大學(xué)學(xué)報(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.動壓作用下乳化劑含量對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.動態(tài)壓力作用下乳化炸藥減敏的實驗研究 [J].安徽理工大學(xué)學(xué)報(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] 程揚帆,馬宏昊,沈兆武.MgH2對乳化炸藥壓力減敏影響的實驗研究 [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] 程揚帆,劉 蓉,馬宏昊,等.新型敏化氣泡載體對乳化炸藥爆炸威力及減敏性的影響 [J].煤炭學(xué)報,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.