王 帥，智小琦，賈秋琳，王 雪，周 捷

(中北大學(xué) a.機(jī)電工程學(xué)院; b.大數(shù)據(jù)學(xué)院， 太原 030051)

彈藥的烤燃試驗(yàn)可以分為快烤試驗(yàn)和慢烤試驗(yàn)，用諸如航空煤油等有機(jī)燃料直接對(duì)彈藥進(jìn)行的火燒試驗(yàn)屬于快烤試驗(yàn)[1-2]。炸藥火燒試驗(yàn)作為不敏感彈藥危險(xiǎn)性評(píng)估的重要方法，近年來國內(nèi)外學(xué)者對(duì)其做了相應(yīng)的研究。

Rooijers等[3]把彈藥試件懸掛在火焰上進(jìn)行火燒，觀察炸藥受熱后的響應(yīng)狀態(tài)。試驗(yàn)結(jié)果表明：火燒試驗(yàn)可以在很短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到很高的加熱溫度，但是由于受到風(fēng)等氣候因素的影響較大，試驗(yàn)的重復(fù)性較差；Nakost J T等[4]在封閉和開放池火條件下對(duì)彈藥進(jìn)行了火燒試驗(yàn)研究，該試驗(yàn)測(cè)量了兩種不同條件下彈藥表面溫度和熱通量。試驗(yàn)結(jié)果表明：使用開放池火進(jìn)行火燒試驗(yàn)非常有必要，因?yàn)檫@樣的試驗(yàn)條件更接近于實(shí)際環(huán)境條件；Sumrall等[5]對(duì)鈍感炸藥TE-T7005(質(zhì)量分?jǐn)?shù)配比為70%硝酸鉛和30%TNT)進(jìn)行了火燒試驗(yàn)研究，試驗(yàn)樣品藥量達(dá)17 kg，試驗(yàn)結(jié)果表明：TE-T7005炸藥火燒試驗(yàn)響應(yīng)結(jié)果為燃燒反應(yīng)。

任艷對(duì)JB-9014炸藥用推進(jìn)劑作為燃料進(jìn)行了火燒試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：推進(jìn)劑作為燃料的火焰穩(wěn)定性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于以燃油為燃料的火燒試驗(yàn)，試驗(yàn)的重復(fù)性較好[6]；陳朗等[7]對(duì)固黑鋁炸藥進(jìn)行了火燒試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明固黑鋁炸藥發(fā)生完全燃燒。接著對(duì)固黑鋁炸藥的火燒試驗(yàn)進(jìn)行了數(shù)值仿真，結(jié)果表明固黑鋁炸藥的點(diǎn)火位置在靠近藥柱兩端面最下部位置，點(diǎn)火時(shí)間為43 s，點(diǎn)火溫度為576 K；智小琦等[8]對(duì)鈍化RDX傳爆藥進(jìn)行了火燒試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：隨著密封條件的加強(qiáng)，鈍化RDX傳爆藥響應(yīng)烈度增大，采用一定的泄露小孔能夠降低傳爆藥的火烤的烈度。

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)炸藥火燒試驗(yàn)的研究主要集中在試驗(yàn)裝置、炸藥鈍感性能及試驗(yàn)方法方面，而關(guān)于熱輸運(yùn)對(duì)火烤的影響及火烤失效機(jī)理方面的研究鮮有報(bào)道。本研究在裝填RBOE炸藥的某型155 mm戰(zhàn)斗部火燒試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用數(shù)值仿真方法研究輸運(yùn)熱對(duì)火燒彈藥響應(yīng)特性的影響以及對(duì)火燒失效機(jī)理進(jìn)行研究，以期對(duì)炸藥的在大火中的安全性分析提供一定的技術(shù)支持。

1 炸藥火燒實(shí)驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)裝置及原理

火燒試驗(yàn)裝置由油池(長(zhǎng)2 000 mm、寬1 500 m、高180 mm)、彈體支架、電子點(diǎn)火頭、見證板、溫度補(bǔ)償線、熱電偶(K型、精度0.004 K)、福祿克1586A多路測(cè)溫儀和烤燃樣品組成。采用航空煤油JP-8做燃料，試驗(yàn)時(shí)將戰(zhàn)斗部固定在支架上距液面400 mm處，在油池中倒入100 mm深的水和20 mm深的航空煤油，分布在油池的多個(gè)點(diǎn)火頭同時(shí)點(diǎn)燃油面，測(cè)量烤燃樣品下方火焰溫度?；馃囼?yàn)裝置簡(jiǎn)圖如圖1。

火燒試驗(yàn)裝置實(shí)物圖如圖2。試驗(yàn)所用樣品為某型155 mm戰(zhàn)斗部，由殼體、炸藥和端蓋3部分組成，端蓋與殼體之間用螺紋連接，殼體材料為45#鋼。樣品裝填炸藥為RBOE，成分質(zhì)量配比為54%HMX、20%NTO、18%DNAN和8%Al粉。裝藥密度1.80 g/cm3，藥量8.44 kg，采用鑄裝工藝制備。烤燃樣品如圖3所示。

圖1 試驗(yàn)裝置簡(jiǎn)圖

圖2 試驗(yàn)裝置實(shí)物圖

圖3 烤燃樣品示意圖

1.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

采集火燒試驗(yàn)過程中監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度-時(shí)間歷程曲線，直至試驗(yàn)樣品發(fā)生響應(yīng)。回收破片并通過炸藥響應(yīng)后殼體的破壞程度來確定響應(yīng)等級(jí)，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度-時(shí)間歷程曲線如圖4所示。

表1 試驗(yàn)結(jié)果

圖4 溫度-時(shí)間歷程曲線

從圖4可以看出，由于受到自然風(fēng)的影響，溫度-時(shí)間曲線出現(xiàn)一定的起伏波動(dòng)，在110 s之前，火焰處于成長(zhǎng)階段，近似為線性升溫。在110 s之后火焰基本穩(wěn)定，彈體下方的火焰溫度主要在800～900 ℃浮動(dòng)，結(jié)合圖像可以近似認(rèn)為穩(wěn)定后的火焰平均溫度為850 ℃。

點(diǎn)燃油池230 s時(shí)聽到一聲巨響，此時(shí)熱電偶失效，溫度采集中斷，判斷此時(shí)炸藥發(fā)生響應(yīng)。

火燒試驗(yàn)過程中火焰狀態(tài)如圖5所示。

炸藥響應(yīng)后的殼體破壞狀態(tài)如圖6所示。

圖5 火焰狀態(tài)

圖6 響應(yīng)后的殼體破壞狀態(tài)

從圖6可以看出，試驗(yàn)后火燒試驗(yàn)裝置損毀嚴(yán)重，烤燃樣品殼體破裂為若干較小破片，油池在焊接處出現(xiàn)拉伸破壞，池底被破片擊穿十多個(gè)不同的孔洞，整個(gè)油池嚴(yán)重變形。彈體支架嚴(yán)重扭曲并被破壞成兩部分，飛至距試驗(yàn)30 m處。由此判斷在火燒試驗(yàn)中烤燃樣品發(fā)生了爆轟反應(yīng)。

由于試驗(yàn)條件的限制，試驗(yàn)過程中只能通過溫度-時(shí)間歷程曲線得到烤燃樣品下方的火焰溫度和響應(yīng)時(shí)間；通過殼體、油池和彈體支架的破壞程度判斷響應(yīng)等級(jí)，而無法觀察烤燃樣品火燒試驗(yàn)過程中裝藥內(nèi)部的溫度分布情況、點(diǎn)火點(diǎn)位置及點(diǎn)火溫度等信息。為獲得這些關(guān)鍵信息，下面采用FLUENT軟件進(jìn)行數(shù)值仿真。

2 數(shù)值仿真計(jì)算

2.1 數(shù)學(xué)模型的建立

RBOE炸藥火燒試驗(yàn)質(zhì)量、動(dòng)量、能量的輸運(yùn)方程都可以用下面的通用形式表示[9]：

(1)

式中：φ為通用變量，代表質(zhì)量、動(dòng)量、能量等；ρ為流體密度；Γ為廣義擴(kuò)散系數(shù)；t為時(shí)間；S為炸藥自熱反應(yīng)源項(xiàng)。

RBOE炸藥火燒試驗(yàn)自熱反應(yīng)遵循Arrhenius定律[10]，其自熱反應(yīng)源項(xiàng)為：

S=ρ·Q·A·exp(-E/RT)·f(α)

(2)

RBOE炸藥火燒試驗(yàn)Frank-Kamenetski零級(jí)反應(yīng)方程為：

(3)

2.2 物理模型的建立

以火燒試驗(yàn)裝置實(shí)物圖為基礎(chǔ)，建立包括烤燃樣品、空氣域、熱質(zhì)量通量入口和出口的物理模型?？救紭悠窔んw和端蓋視為一體。建立六面體空氣域，為了使火焰充分發(fā)展，空氣域的尺寸取長(zhǎng)4 000 mm×寬4 000 mm×高3 000 mm，燃料入口尺寸為1 000 mm×1 000 mm?？紤]到試驗(yàn)?zāi)Ｐ徒Y(jié)構(gòu)的對(duì)稱性和節(jié)約計(jì)算機(jī)的計(jì)算時(shí)間，建立二分之一模型。為提高網(wǎng)格質(zhì)量，增加計(jì)算精度，采用六面體映射網(wǎng)格，由于烤燃樣品是計(jì)算的重點(diǎn)區(qū)域，故對(duì)烤燃樣品和周圍空氣域進(jìn)行局部加密處理。同時(shí)監(jiān)測(cè)和試驗(yàn)中相同位置處的火焰溫度和藥柱點(diǎn)火位置處的溫度。幾何模型如圖7所示。有限元模型如圖8所示。

圖7 幾何模型示意圖

圖8 有限元模型示意圖

數(shù)值仿真計(jì)算過程中將空氣域邊界設(shè)為壁面邊界條件，烤燃樣品殼體與空氣的邊界以及烤燃樣品殼體與炸藥的邊界設(shè)為耦合邊界條件。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，采用C語言程序編寫UDF質(zhì)量通量函數(shù)(mass_flux)和溫度-時(shí)間歷程曲線函數(shù)(temperature_time)，采用質(zhì)量入口邊界條件把編寫的質(zhì)量通量函數(shù)和溫度-時(shí)間歷程曲線函數(shù)施加在燃料入口。藥柱區(qū)域按自熱反應(yīng)函數(shù)規(guī)律進(jìn)行反應(yīng)，采用C語言程序編寫UDF自熱反應(yīng)函數(shù)(cell_source_new)，并施加在藥柱區(qū)域。燃料出口設(shè)置為出口邊界條件[11]。

RBOE炸藥、烤燃樣品殼體和空氣物性參數(shù)如表2所示。

表2 物性參數(shù)

參照文獻(xiàn)[12-13]，以試驗(yàn)所得監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度為依據(jù)，調(diào)整材料參數(shù)，直至試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值仿真計(jì)算結(jié)果基本吻合。調(diào)整后的RBOE炸藥的動(dòng)力學(xué)參數(shù)如表3所示。

表3 動(dòng)力學(xué)參數(shù)

2.3 數(shù)值仿真結(jié)果及分析

2.3.1基于試驗(yàn)的數(shù)值仿真及炸藥失效機(jī)理分析

數(shù)值仿真中在質(zhì)量入口處輸運(yùn)1.6 kg/(m2·s)熱質(zhì)量通量且火焰溫度按試驗(yàn)火焰溫度曲線升溫時(shí)，數(shù)值仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本吻合。

圖9為試驗(yàn)與數(shù)值仿真溫度-時(shí)間曲線。

圖9 試驗(yàn)與仿真溫度-時(shí)間曲線

由圖9可以看出：輸運(yùn)的熱質(zhì)量通量為1.6 kg/(m2·s)時(shí)，對(duì)于烤燃彈正下方的火焰溫度曲線，在溫度上升階段以及在溫度穩(wěn)定階段，計(jì)算溫度和試驗(yàn)實(shí)測(cè)的溫度基本一致。炸藥在231 s發(fā)生響應(yīng)，與試驗(yàn)響應(yīng)時(shí)間230 s相對(duì)誤差僅為0.43%，表明1.6 kg/(m2·s)的熱質(zhì)量通量可以描述炸藥為RBOE的某型155 mm戰(zhàn)斗部的火燒試驗(yàn)，此時(shí)的響應(yīng)溫度為280.2 ℃。數(shù)值仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的吻合表明輸運(yùn)熱質(zhì)量通量對(duì)戰(zhàn)斗部進(jìn)行加熱能夠準(zhǔn)確描述彈藥的火燒試驗(yàn)過程。可見數(shù)值仿真模型和參數(shù)真實(shí)可信。

圖10為即將響應(yīng)和響應(yīng)時(shí)的炸藥的溫度云圖。

圖10 炸藥溫度云圖

圖11為數(shù)值仿真中監(jiān)測(cè)點(diǎn)火焰、點(diǎn)火位置和藥柱中心的溫度-時(shí)間曲線。

圖11 監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度-時(shí)間曲線

由圖10可以看出：在229 s時(shí)，藥柱表面溫度明顯高于藥柱內(nèi)部溫度，且在藥柱左端部殼體下方最薄處出現(xiàn)了一塊扁圓形高溫區(qū)域，該區(qū)域溫度高于藥柱表面其他區(qū)域的溫度；在230 s時(shí)，藥柱表面溫度仍然明顯高于藥柱內(nèi)部溫度，藥柱左端部殼體下方最薄處的扁圓形高溫區(qū)域逐漸擴(kuò)大到藥柱表面的大部分區(qū)域，只有藥柱右端部溫度較低；在231 s時(shí)，炸藥在表面發(fā)生點(diǎn)火并迅速蔓延至整個(gè)藥柱區(qū)域。從圖10中還可以看出由于裝有RBOE炸藥的某型155 mm戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)的特性，且左端蓋有最薄的壁厚，導(dǎo)致了該處成為點(diǎn)火的引發(fā)區(qū)域。

從圖11可以看出：火焰溫度在經(jīng)過線性增長(zhǎng)以后，很快達(dá)到850 ℃并穩(wěn)定，藥柱點(diǎn)火位置溫度的升溫速率和藥柱中心溫度的升溫速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于火焰溫度的升溫速率，且藥柱中心溫度的升溫速率較藥柱點(diǎn)火位置溫度的升溫速率慢許多。

美軍標(biāo)2015-D中對(duì)彈藥火燒試驗(yàn)的火焰要求是從點(diǎn)火開始30 s內(nèi)火焰溫度要迅速升高到550 ℃，然后在很短的時(shí)間內(nèi)升高到至少平均800 ℃并趨于穩(wěn)定。而試驗(yàn)中由于受到較強(qiáng)自然風(fēng)的影響，且沒有采取合理的措施，火焰溫度達(dá)到550 ℃時(shí)用了80 s，沒有達(dá)到美軍標(biāo)2105-D的要求。為此，按照美軍標(biāo)2105-D 要求對(duì)155 mm戰(zhàn)斗部進(jìn)行數(shù)值仿真。

數(shù)值仿真中在質(zhì)量入口處輸運(yùn)1.9 kg/(m2·s)熱質(zhì)量通量時(shí)且火焰溫度按圖12中曲線升溫時(shí)火焰可以滿足美軍標(biāo)2105-D中火烤的要求，其他數(shù)值仿真條件與2.2節(jié)相同。

圖13為即將響應(yīng)和響應(yīng)時(shí)的炸藥的溫度云圖。表4為數(shù)值仿真結(jié)果。

圖12 監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度-時(shí)間曲線

圖13 炸藥溫度云圖

表4 數(shù)值仿真結(jié)果

由圖12可以看出：采用美軍標(biāo)2105-D要求時(shí)，藥柱中心溫度始終為25 ℃，沒有發(fā)生變化。采用試驗(yàn)中火焰溫度時(shí)藥柱中心溫度在響應(yīng)時(shí)升高到152.6 ℃，兩者差異較大。由表5可以看出采用美軍標(biāo)2105-D要求火烤時(shí)間比實(shí)際試驗(yàn)縮短23 s，響應(yīng)溫度降低10.8 ℃。

由圖13可以看出：采用美軍標(biāo)2105-D 中火燒試驗(yàn)的要求，則點(diǎn)火位置在藥柱左端部殼體下方最薄處的扁圓形高溫區(qū)域，并沒有擴(kuò)大到藥柱表面的大部分區(qū)域。由此可見，點(diǎn)火區(qū)域隨著熱質(zhì)量通量的增大有縮小的趨勢(shì)，這是因?yàn)檩斶\(yùn)的熱質(zhì)量通量較大且火焰溫度升溫速率較快，表面局部溫度達(dá)到了點(diǎn)火溫度，故高溫區(qū)來不及擴(kuò)大就已經(jīng)發(fā)生了點(diǎn)火。無論采用試驗(yàn)火焰條件還是美軍標(biāo)2105-D中的火焰條件，點(diǎn)火位置均在戰(zhàn)斗部左側(cè)殼體最薄處的藥柱表面，區(qū)別僅是點(diǎn)火區(qū)域面積的差異。

從以上分析可以看出，火燒試驗(yàn)中炸藥失效機(jī)理為：炸藥在火燒過程中，其外表面相當(dāng)于受到了高溫沖擊，短時(shí)間內(nèi)在炸藥裝藥表面的晶界處、密度間斷處或裝藥有缺陷處達(dá)到點(diǎn)火溫度，發(fā)生點(diǎn)火反應(yīng)。由于炸藥是熱的不良導(dǎo)體，火焰溫度來不及傳到藥柱整個(gè)表面以及裝藥內(nèi)部，因此，藥柱內(nèi)部溫度梯度較大，達(dá)到反應(yīng)能壘的炸藥分子較少，故火燒試驗(yàn)的反應(yīng)烈度較慢烤的烈度要低。當(dāng)裝藥殼體厚度不均勻時(shí)，點(diǎn)火點(diǎn)在殼體薄壁處的裝藥表面發(fā)生。

響應(yīng)烈度是火烤十分關(guān)心的問題，關(guān)于輸運(yùn)不同的熱質(zhì)量通量對(duì)響應(yīng)結(jié)果的影響后續(xù)將作進(jìn)一步研究。

2.3.2輸運(yùn)熱對(duì)炸藥火燒試驗(yàn)響應(yīng)特性的影響分析

圖14為采用試驗(yàn)中升溫方式，輸運(yùn)不同熱質(zhì)量通量時(shí)的點(diǎn)火位置溫度-時(shí)間曲線。

圖14 溫度-時(shí)間曲線

表5為采用試驗(yàn)中升溫方式，輸運(yùn)不同熱質(zhì)量通量時(shí)的數(shù)值仿真結(jié)果。

表5 數(shù)值仿真結(jié)果

圖15為輸運(yùn)不同熱質(zhì)量通量時(shí)的響應(yīng)時(shí)間-熱質(zhì)量通量曲線。

圖16為輸運(yùn)不同熱質(zhì)量通量時(shí)的響應(yīng)溫度-熱質(zhì)量通量曲線。

圖15 響應(yīng)時(shí)間-熱質(zhì)量通量曲線

圖16 響應(yīng)溫度-熱質(zhì)量通量曲線

由圖15可以看出：質(zhì)量流在1～2.2 kg/(m2·s)范圍內(nèi)時(shí)，響應(yīng)時(shí)間隨熱質(zhì)量通量的增加呈非線性減小趨勢(shì)，且減小速率逐漸減緩；由圖16可以看出：質(zhì)量流在1～2.2 kg/(m2·s)范圍內(nèi)時(shí)，響應(yīng)溫度隨熱質(zhì)量通量的增加呈指數(shù)增加趨勢(shì)，且增加速率隨熱質(zhì)量通量的增加逐漸減慢。這是因?yàn)殡S著熱質(zhì)量通量的增加，在相同的時(shí)間內(nèi)有更多的熱質(zhì)量通量進(jìn)入熱質(zhì)量通量入口，導(dǎo)致炸藥熱表面迅速升溫，縮短了響應(yīng)時(shí)間，由于時(shí)間較短炸藥外表面的溫度來不及散失，導(dǎo)致點(diǎn)火溫度上升。

3 結(jié)論

1) 裝有RBOE炸藥的某型155 mm戰(zhàn)斗部火燒試驗(yàn)的響應(yīng)時(shí)間是230 s，響應(yīng)溫度為280.2 ℃，響應(yīng)等級(jí)為爆轟反應(yīng)。

2) 彈藥火燒試驗(yàn)中炸藥失效機(jī)理為：炸藥在火燒過程中，其外表面相當(dāng)于受到了高溫沖擊，在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到點(diǎn)火溫度發(fā)生點(diǎn)火反應(yīng)，而藥柱內(nèi)部溫度很低。計(jì)算表明，藥柱左端部殼體下方最薄處為點(diǎn)火的引發(fā)區(qū)域。

3) 輸運(yùn)熱質(zhì)量通量可以描述戰(zhàn)斗部的火燒試驗(yàn)，且響應(yīng)時(shí)間隨熱質(zhì)量通量的增加而減小且減小速率逐漸下降，響應(yīng)溫度隨熱質(zhì)量通量的增加而上升且上升速率逐漸下降。