姚藝龍王 晶吳立志成 波沈瑞琪葉迎華胡 艷朱 朋張 偉南京理工大學(xué)化工學(xué)院（江蘇南京，210094）湖北三江航天紅林探控有限公司（湖北孝感，432100）

CL-20含能墨水噴射速度仿真?

姚藝龍①王 晶②吳立志①成 波①沈瑞琪①葉迎華①胡 艷①朱 朋①張 偉①
①南京理工大學(xué)化工學(xué)院（江蘇南京，210094）
②湖北三江航天紅林探控有限公司（湖北孝感，432100）

含能材料直寫技術(shù)可以解決MEMS微起爆器中微型炸藥序列的裝藥問題?；贔luent有限元軟件，建立了CL-20含能墨水直寫噴射模型，分別模擬了直寫壓力、針頭直徑和墨水黏度等因素對(duì)CL-20含能墨水噴射速度的影響。模擬結(jié)果表明:隨著黏度增大，噴頭中流體流動(dòng)速度降低，同時(shí)，速度降低的幅度變小；壓力增大，噴頭中流體流動(dòng)速度增大，且壓力與速度變化的關(guān)系為正比關(guān)系；噴頭直徑增大，墨水流動(dòng)速度增大，且隨著噴頭直徑的增大，墨水流動(dòng)速度增幅變大。

含能墨水；直寫技術(shù)；MEMS微起爆器；微尺度裝藥；噴射速度

引言

在毫米量級(jí)乃至更小尺寸的應(yīng)用環(huán)境下，如何實(shí)現(xiàn)MEMS（micro-electro-mechanical system）微起爆器中傳爆藥柱微量炸藥的精確裝藥，并保證炸藥具有正常的起爆傳爆功能，成為制約微起爆器發(fā)展的一個(gè)難題［1-5］。含能墨水直寫技術(shù)利用氣壓或液壓作用，將流動(dòng)性能良好的含能墨水經(jīng)微型噴嘴或微筆筆嘴按預(yù)先設(shè)計(jì)的模型噴射至基板表面，并通過固化或熱處理等，實(shí)現(xiàn)含能材料的圖形化沉積，獲得能穩(wěn)定傳爆的含能膜［6-8］。將基于直寫技術(shù)的CL-20炸藥含能墨水技術(shù)應(yīng)用于MEMS微起爆器的微尺度裝藥，有望解決微尺度下裝藥的難題［9］。

直寫過程是噴管中的墨水在壓力驅(qū)動(dòng)下流動(dòng)和快速固化過程［10］。直寫壓力、噴頭直徑和墨水黏度等因素對(duì)直寫過程都有較大的影響。直寫噴墨速度過快，則墨水不能及時(shí)固化，墨水線寬較大，溶劑不能及時(shí)揮發(fā)；墨水噴射速度較慢，則墨水線寬較小，難以形成爆轟，且效率較低，裝藥時(shí)間較長(zhǎng)；穩(wěn)定的噴墨速率為均勻線條的沉積提供保障，進(jìn)而確保穩(wěn)定的爆轟效果。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)含能墨水配方有較多的研究和報(bào)道，但是并沒有對(duì)含能墨水直寫過程中墨水噴射流動(dòng)的規(guī)律進(jìn)行研究和模擬仿真。含能墨水直寫沉積裝藥的均勻性決定爆轟效果，為了獲得穩(wěn)定的直寫裝藥及最佳的墨水噴射條件，根據(jù)CL-20含能墨水直寫裝藥參數(shù)，運(yùn)用Gambit軟件進(jìn)行前處理，建立直寫針管模型并進(jìn)行網(wǎng)格劃分；使用Fluent軟件分別模擬了直寫壓力、針頭直徑和墨水黏度對(duì)直寫過程墨水流動(dòng)速度影響規(guī)律，為含能墨水直寫裝藥過程提供理論指導(dǎo)。

1 噴射流動(dòng)理論分析和網(wǎng)格模型

為更加深入、直觀地了解微尺度下含能墨水在針管及針頭中的流動(dòng)、噴射過程及流速分布，使用Fluent軟件建模并進(jìn)行數(shù)值模擬。

在宏觀流體力學(xué)中涉及到3個(gè)守恒方程［11-12］。

1）連續(xù)性方程。連續(xù)性方程是質(zhì)量守恒原理在流體力學(xué)中的表現(xiàn)形式。微分形式的歐拉型連續(xù)方程為:

含能墨水為不可壓縮流體［11］，故dρ/dt=0，從而含能墨水的連續(xù)性方程可寫為:

由于ρ=0，含能墨水連續(xù)性方程還可以寫為:

2）動(dòng)量方程。動(dòng)量方程是在流體運(yùn)動(dòng)中各部分流體微元的動(dòng)量保持守恒。微分形式的歐動(dòng)量方程為:

式中:ρ為流體的密度；t為時(shí)間；u為速度向量；f為單位質(zhì)量力。

3）能量方程。能量方程是能量守恒原理在流體力學(xué)中的體現(xiàn)。忽略體積力，能量方程為:

在上述3個(gè)方程的基礎(chǔ)上，對(duì)含能墨水噴射流動(dòng)模型進(jìn)行必要的假定，并在Fluent中選擇相應(yīng)的基本選項(xiàng)，建立所需的數(shù)值模型。主要假定有［13］:

1）無壓縮牛頓流體，不考慮重力作用；

2）由于含能墨水為軸對(duì)稱流動(dòng)，以二維流動(dòng)模型代替空間模型；

3）使用絕對(duì)速度方程；

4）梯度選項(xiàng)基于Green-Gauss Cell；

5）黏度選項(xiàng)選用Laminar模型；

6）動(dòng)量離散形式基于二階迎風(fēng)式（second order upwind），將殘差收斂標(biāo)差標(biāo)準(zhǔn)設(shè)為1×10-6。

運(yùn)用Gambit軟件，根據(jù)實(shí)際針筒和噴頭尺寸建立二維針筒和噴頭模型，建立模型時(shí)忽略噴管以及針頭壁厚，并選擇面網(wǎng)格中的四邊形網(wǎng)格形式對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對(duì)模型進(jìn)行邊界條件設(shè)定。噴管和噴管網(wǎng)格模型見圖1。

2 結(jié)果與分析

2.1直寫墨水黏度對(duì)流動(dòng)特性影響

CL-20炸藥含能墨水由CL-20炸藥（d50約300 nm）、黏結(jié)劑體系（包括黏結(jié)劑和溶劑）和其他添加物組成，其中黏結(jié)劑與溶劑的配比、CL-20炸藥含量對(duì)墨水黏度都有較大的影響。為了解黏度不同時(shí)墨水的流動(dòng)情況，選用內(nèi)徑為0.2 mm的噴頭，壓力為100 kPa不變，模擬黏度分別為0.5、1.0、1.5、2.0 Pa·s和2.5 Pa·s時(shí)墨水流動(dòng)的狀況。

圖2分別為1.0、1.5、2.5 Pa·s時(shí)針筒和噴頭中墨水速度分布云圖。讀取5種黏度下所模擬的流體在噴頭中的最大流動(dòng)速度進(jìn)行對(duì)比，并以黏度為橫坐標(biāo)、流體在噴頭中的最大速度為縱坐標(biāo)，得到黏度和速度的關(guān)系曲線，如圖3所示。

由圖3可知，黏度增大，噴頭中流體流動(dòng)速度降低；且黏度較小時(shí)，曲線斜率較大，故黏度越小，速度隨黏度變化得越快。這是由于含能墨水本身具有黏性，墨水流動(dòng)時(shí)因產(chǎn)生內(nèi)摩擦力而消耗能量，同時(shí)針管內(nèi)壁也會(huì)阻礙墨水流動(dòng)。在其他條件一致，改變墨水黏度，隨著黏度增大，墨水流動(dòng)能量損耗增加，墨水流動(dòng)速度降低。

2.2直寫壓力對(duì)墨水流動(dòng)特性影響

含能墨水直寫是利用氣壓（氮?dú)猓┳饔脤姽芮粌?nèi)CL-20墨水?dāng)D出噴頭，以擠壓涂覆的方式在系統(tǒng)控制單元的控制下將墨水直接沉積到基板上。故含能墨水直寫噴管壓力的改變，對(duì)直寫效果有顯著的影響，且調(diào)整直寫噴管壓力達(dá)到直寫要求也是最方便和常用的方法。為了解壓力與直寫線寬的關(guān)系，選用內(nèi)徑為0.2 mm的噴頭，且墨水黏度、密度不變，模擬壓力分別為50、100、150、200、250 kPa時(shí)墨水流動(dòng)的狀況。

圖4分別為100 kPa和200 kPa下針筒和噴頭中墨水速度分布圖。讀取5種壓力下所模擬的流體在噴頭中的最大流動(dòng)速度進(jìn)行對(duì)比，并以壓力為橫坐標(biāo)、流體在噴頭中的最大速度為縱坐標(biāo)繪制壓力和速度關(guān)系曲線，得到圖5。

通過圖5可知，隨著壓力增大，噴頭中流體流動(dòng)速度增大。將5種壓力下所得到的速度點(diǎn)擬合，得到一條直線，故壓力與速度變化的關(guān)系為正比關(guān)系。

2.3不同噴頭直徑下墨水流動(dòng)數(shù)值模擬

噴頭直徑大小對(duì)直寫墨水流動(dòng)有較大的影響，為了解噴頭直徑與墨水流動(dòng)關(guān)系，將壓力固定為100 kPa，墨水黏度、密度不變，模擬噴頭直徑分別為0.05、0.10、0.15、0.20、0.25、0.33、0.41 mm時(shí)墨水流動(dòng)的狀況。

圖6分別為0.25 mm和0.33 mm下針筒和噴頭中墨水速度分布圖。讀取5種噴頭下所模擬的流體在噴頭中的最大流動(dòng)速度進(jìn)行對(duì)比，并以噴頭直徑為橫坐標(biāo)、流體在噴頭中的最大速度為縱坐標(biāo)繪制噴頭直徑和速度關(guān)系曲線，從而了解噴墨打印時(shí)噴頭直徑與速度的關(guān)系，如圖7所示。

由圖7可知，噴頭直徑增大，墨水流動(dòng)速度增大，且隨著噴頭直徑的增大，曲線斜率增大，則墨水流動(dòng)速度變化增大。這是由于墨水存在一定的黏度，噴頭直徑越小，墨水流動(dòng)針管壁面對(duì)流體作用越大。

3 結(jié)論

針對(duì)MEMS微起爆序列，利用Fluent軟件平臺(tái)模擬了含能墨水黏度、直寫壓力、噴頭直徑等因素對(duì)直寫噴射速度的影響，結(jié)果顯示:

1）含能墨水黏度主要由黏結(jié)劑和溶劑的比例決定。黏結(jié)劑比例越高，黏度越大，噴頭中墨水流動(dòng)速度降低，且黏度較大時(shí)，曲線斜率較小；故黏度越大，速度隨黏度變化得越慢。

2）含能墨水直寫是在氮?dú)鈮毫︱?qū)動(dòng)下，使墨水從噴管中流出；增大氮?dú)鈮毫?，噴頭中流體流動(dòng)速度增大，并且壓力與速度變化的關(guān)系為正比關(guān)系。

3）直寫噴管針頭直徑是影響噴射墨水流動(dòng)的重要因素。模擬仿真結(jié)果表明，噴頭直徑增大，墨水流動(dòng)速度增大，且隨著噴頭直徑的增大，曲線斜率增大，則墨水流動(dòng)速度變化增大。

研究結(jié)果對(duì)含能墨水直寫技術(shù)的工藝優(yōu)化具有一定指導(dǎo)意義，對(duì)含能墨水直寫技術(shù)在MEMS微起爆序列中的工程化應(yīng)用起到了積極的推動(dòng)作用。

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Jet Flow Simulation of CL-20 Energetic Ink

YAO Yilong①，WANG Jing②，WU Lizhi①，CHENG Bo①，SHEN Ruiqi①，YE Yinghua①，HU Yan①，ZHU Peng①，ZHANG Wei①
①School of Chemical Engineering，Nanjing University of Science and Technology（Jiangsu Nanjing，210094）
②Honglin Detective&Control Co.，Ltd.，Hubei Sanjiang Space（Hubei Xiaogan，432100）

CL-20 energetic ink basing on direct writing technology was applied for micro-charge of the microdetonation sequence of MEMS micro-initiators.Direct writing of CL-20 energetic ink is the ink flow driven by nozzle pressure and rapid solidification.Direct writing pressure，needle diameter and ink viscosity had great influence on this process.In order to study the effect of these influence factors on jet velocity of CL-20 energetic ink，a simulation model of direct writing jet of CL-20 energetic ink was set up.Fluent，anumerical simulation software was applied to simulate the change of ink jet velocity under the different pressure，needle diameter and ink viscosity.Simulation results show that the fluid velocity in nozzle increased proportionally when the pressure rose.Moreover，the ink viscosity increased while the velocity fell and its range decreased.With the increase of nozzle diameter，the ink velocity rose and its range augmented.

energetic ink；direct writing；MEMS micro-initiators；micro-charge；jet velocity

TJ450

10.3969/j.issn.1001-8352.2016.04.003

2010-01-28

總裝備部預(yù)先研發(fā)項(xiàng)目

姚藝龍（1990-），男，碩士，研究生，主要從事含能墨水直寫的研究。E-mail:741708306@qq.com

吳立志（1982-），男，碩導(dǎo)，講師，主要從事激光與物質(zhì)相互作用機(jī)理、含能材料的快速成型（直寫）技術(shù)和爆炸物理測(cè)試分析技術(shù)的研究。E-mail:wulizhi82@163.com