新型炸药ANPyO热刺激响应仿真研究

罗 丹,郑 宇,刘晓军,王 勇,刘 俊

(1 南京理工大学机械工程学院,南京 210094;2 辽沈工业集团有限公司,沈阳 110045;3 北京矿冶研究总院,北京 100015)



新型炸药ANPyO热刺激响应仿真研究

罗 丹1,郑 宇1,刘晓军2,王 勇3,刘 俊1

(1 南京理工大学机械工程学院,南京 210094;2 辽沈工业集团有限公司,沈阳 110045;3 北京矿冶研究总院,北京 100015)

为分析新型钝感炸药2,6-二氨基-3,5-二硝基吡啶-1-氧化物(ANPyO)的热响应规律,利用Fluent软件建立了带壳炸药烤燃模型,对ANPyO在不同升温速率下(1 ℃/min、2 ℃/min、10 ℃/min、20 ℃/min、80 ℃/min、140 ℃/min)的烤燃情况进行了数值仿真模拟,并与钝化黑索今(RDX)进行了比较。结果表明:随着升温速率增大,炸药点火时间缩短;在同一个升温速率下,ANPyO的点火时间是钝化RDX的1.6倍左右,点火温度比钝化RDX高出145 ℃左右,可见ANPyO热刺激钝感于钝化RDX。

钝感炸药;ANPyO炸药;烤燃;点火时间;数值仿真

0 引言

在意外火灾等异常热环境下,炸药可能发生燃烧、爆炸等重大事故,从而造成不可挽回的重大损失。为模拟炸药在热环境下的安全性能,国内外开展了大量研究工作,如智小琦等[1]设计了密封状态不同的多种烤燃弹结构,用快速烤燃实验方法,研究了壳体密封条件对RDX基传爆药的烤燃响应特性。在进行试验研究的同时,使用数值模拟方法评估含能材料的热安全性已成为新的研究途径,如Victor等[2]对烤燃试验进行了数值模拟,认为含能材料热分解和热传递符合Frank-Kamenetskii方程。

近年,新型钝感炸药ANPyO因其具有起爆感度低、耐高温的优点受到国内外广泛关注[3-5],成健等[6-7]研究了ANPyO炸药的合成新方法与性能。何志伟等[8]提出了ANPyO炸药的精制工艺方法,研究了包覆对ANPyO炸药的降感作用。刘华宁等[9]分析了ANPyO的射流冲击感度,程波等[10]研究了约束条件对ANPyO快烤响应的影响,对5种不同约束强度下的ANPyO烤燃弹进行了外部火烧试验研究。

文中通过烤燃数值仿真评估其在不同升温速率下的响应规律,对于分析带壳ANPyO炸药在热刺激不敏感度上的优势与应用前景均具有重要意义。

1 理论分析

环境中热量传入反应系统,炸药发生自热反应分解放热,当反应系统产生的热量不能及时散失,系统温度上升,使炸药分解加速,系统形成自热,温度更快的上升,最终导致燃烧或爆炸。用于研究炸药热反应的经典模型主要是Semenov模型和Frank-Kamenetskii模型,前者主要用于描述均温系统,后者则描述非均温系统,他们构成了炸药热反应理论的基础[11]。

1.2 数值仿真理论方程

为降低战斗部热易损性提供可靠的技术支持,建立烤燃过程的物理模型来研究战斗部在热刺激作用下的响应机制成为必不可少的环节。考虑到项目研究内容多,试验成本较高,因此通过数值仿真研究炸药的烤燃响应规律也是一种重要途径。利用计算流体力学软件Fluent对ANPyO和钝化RDX炸药进行了烤燃数值模拟研究,计算时,对炸药的烤燃过程作如下假设[12]:

1)炸药为均质固相,化学反应是零级放热反应,炸药不发生相变,反应物没有消耗;

2)炸药和弹体间无空隙,反应区内仅有热传导,反应物质无运动,因此无对流传热;

3)炸药的自热反应遵循Arrhenius方程;

4)炸药和钢壳的物理化学参数为常数的,在反应过程中保持不变。

采用SPSS21.0软件处理数据，计数资料用率表示，比较采用χ2检验，计量资料采用（± s）形式表示，对术后患者尿潴留与独立变量之间的相关性采用多因素回归分析模型进行研究，P＜0.05，差异具有统计学意义。

对于非均温系统,计算中药柱的热反应及热传导遵循Frank-Kamenetskii方程[13]:

(1)

上式的物理含义为:左边是单位体积炸药在单位时间内升高温度所要求的热量,右边第一项为由热传导流入或流出的热量,第二项为单位体积内、单位时间内炸药热分解释放的能量,即炸药自热反应源项S,用Arrhenius方程表述为:

(2)

上两式中:ρ为反应物的密度(kg/m3);cv为比热容(J/(kg·K));λ为热导率(J/(m·K·s));a为反应分数;Q为反应热(J/kg);A为指前因子(1/s);E为活化能(J/mol);R为气体常数(J/(mol·K))。

2 数值仿真及结果分析

2.1 模型建立

烤燃物理模型如图1所示,45#钢壳体圆柱部、上下底端厚度均为3 mm,药柱直径30 mm,长120 mm,因为药柱为圆柱型,为减少计算量,采用二分之一模型计算。由于仿真参数时间步长设定为1 s,模型在1 s内温度有一定变化,所得点火时对称面温度等高线图与实际点火时模型温度有一定误差,但规律一致。

仿真计算中,采用Tet/Hybrid网格划分,炸药划分Spacing设置为1.5,壳体划分Spacing设置为2,设壳体外壁为加热边界,壳体与炸药接触热条件为Coupled,壳体升温速率设置和炸药自热反应源项S通过C语言编写为UDF子程序加载到Fluent软件中进行计算。计算的初始温度为293 K(20 ℃)。采用压力基隐式求解器及非定常流动计算,选择标准k-epsilon湍流模型,并启动能量方程。

图1 烤燃物理模型图

2.2 材料参数

ANPyO高聚物粘结炸药,其粘结剂氟橡胶F2311的含量为5%,数值仿真计算参数如表1所示。

表1 材料计算参数

2.3 不同升温速率下ANPyO的响应规律

模拟计算得到ANPyO在6种不同升温速率下炸药的热响应规律,点火时模型的对称面温度等高线见图2所示。

由图2可见,随着升温速率增大,炸药的点火时间缩短,炸药点火位置由药柱中心移向药柱边缘。

ANPyO在不同升温速率下炸药的点火温度Ti和点火时药柱的中心温度Tc,以及由点火时间和升温速率计算出来得到的壳体温度Ts,也就是点火时的环境温度,这3种温度的变化趋势见图3所示。

由图3可见,升温速率对Ti影响不大;随着升温速率的增加,Ts升高,也就是点火环境温度升高,说明在慢烤条件下炸药点火时的环境温度低,危险性更大;随着升温速率的增加,Tc降低,且降低的趋势变平缓,这是因为在升温速率较大的情况下,药柱温度来不及传到中心已经达到点火温度,此时点火位置在药柱边缘,而药柱中心温度升高的热量基本上都来自于热传导项,升温不明显。

图2 ANPyO点火时模型截面温度分布图

图3 温度Ti、Ts和Tc随升温速率变化曲线

2.4 与钝化RDX热响应规律的比较

通过数值模拟计算得到钝化RDX在6种不同升温速率下的热响应规律,在同一升温速率下,ANPyO的点火时间是钝化RDX的1.6倍左右,如表2所示,且升温速率越低,点火时间比值越大,说明ANPyO在慢速烤燃情况下热不敏感性更好。

表2 不同升温速率下两种炸药点火时间比较

随着升温速率的增加,钝化RDX点火时间的变化规律与ANPyO一致,两者变化曲线见图4所示,可见在慢速烤燃情况下,炸药点火时间曲线变化剧烈,随升温速率增加趋于平缓,这是因为壳体在缓慢升温条件下以传导传热和辐射传热的方式将热量传给药柱,药柱以传导传热的方式将表层的热量传递到药柱内部,同时药柱发生自热反应生热,自热源项S随温度T呈指数上升,在缓慢升温情况下,反应生热少,壳体传热慢,于是药柱中心热量积累过程长,点火时间长。升温速率稍微增大时,壳体热传导量增大,炸药自热反应源项S明显增大,整个热积累过程会明显缩短,从而点火时间明显缩短,而在快速升温速率条件下,药柱边缘很快达到点火温度,相应点火时间很短。

图4 不同升温速率下两种炸药的点火时间变化曲线

随着升温速率增大,两种炸药点火位置变化规律一致,炸药点火位置由药柱中心移向药柱边缘,且点火时的壳体温度Ts逐渐接近于点火温度Ti,但两种炸药的温度Ti和Ts相差较大,见图5所示。

由图5可见,在同一升温速率下,ANPyO点火温度Ti比钝化RDX高出145 ℃左右,且ANPyO点火时壳体温度Ts比钝化RDX高出135 ℃左右,即ANPyO点火环境温度较高,说明ANPyO更不容易被点燃,热不敏感性较钝化RDX要好。

图5 两种炸药的温度Ti和Ts随升温速率变化曲线

3 结论

1)升温速率对点火温度影响不大;随着升温速率的增加,炸药点火时间缩短,炸药点火位置由药柱中心移向药柱边缘,炸药点火时的中心温度降低;随着升温速率的增加,壳体温度升高,也就是点火时的环境温度升高,说明在慢速烤燃条件下炸药点火时的环境温度低,危险性更大。

2)在同一升温速率下,ANPyO的点火时间是钝化RDX的1.6倍左右,且升温速率越低,比值越大,说明ANPyO在慢速烤燃情况下热钝感性更好。

3)在同一升温速率下,两种炸药的点火温度和点火时的壳体温度(环境温度)相差较大,ANPyO点火温度比钝化RDX高出145 ℃左右,且ANPyO点火时的壳体温度比钝化RDX高出135 ℃左右,即ANPyO点火环境温度较高,说明ANPyO更不容易被点燃,热不敏感性较钝化RDX要好。

[1] 智小琦, 胡双启, 肖志华, 等. 密闭条件对钝化RDX快速烤燃响应特性的影响 [J]. 火炸药学报, 2010, 33

(1): 31-34.

[2] Victor A C. Simple calculation methods for munitions cook-off times and temperature [J]. Propellant, Explosion, Pyrotechnical, 1995, 20(5): 252-259.

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[6] 成健, 姚其正, 刘祖亮, 等. 2, 6-二氨基-3, 5-二硝基吡啶-1-氧化物的合成与性能 [J]. 含能材料, 2008, 16(6): 672-675.

[7] 成健, 姚其正, 刘祖亮. 2, 6-二氨基-3, 5-二硝基吡啶-1-氧化物的合成新方法 [J]. 含能材料, 2009, 17(2): 166-168.

[8] 何志伟. 多氨基多硝基吡啶氮氧化物及其配方的性能研究 [D]. 南京: 南京理工大学, 2010.

[9] 刘华宁, 郑宇, 邱从礼, 等. 新型炸药2, 6-二氨基-3, 5-二硝基吡啶-1-氧化物的射流冲击感度实验研究 [J]. 含能材料, 2014, 22(3): 337-342.

[10] 程波, 李文彬, 郑宇, 等. 不同约束条件下ANPyO炸药快烤试验研究 [J]. 爆破器材, 2013, 42(5): 53-56.

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The Simulation Research of Thermal Stimulus Response of New Explosive ANPyO

LUO Dan1,ZHENG Yu1,LIU Xiaojun2,WANG Yong3,LIU Jun1

(1 School of Mechanical Engineering, NUST, Nanjing 210094, China; 2 Liaosheg Industries Group Co. Ltd, Shenyang 110045, China; 3 Beijing General Research Institute of Mining and Metallurgy, Beijing 100015, China)

In order to analyze new passive explosive ANPyO’s thermal response regularity, the cook-off model of shelled explosive was established based on software Fluent and it was used for simulating the explosive ANPyO’s cook-off situation at different heating rate (1 ℃/min, 2 ℃/min, 10 ℃/min, 20 ℃/min, 80 ℃/min, 140 ℃/min), and compared with passive RDX. The result shows that:with the heating rate increases, explosive’s ignition time decreases. Under the same heating rate, ANPyO’s ignition time is 1.6 times of passive RDX, and the ignition temperature of ANPyO is higher than passive RDX about 145 ℃. Therefore, ANPyO’s thermal stimulus sensitivity is insensitive to passive RDX.

insensitive explosive; ANPyO explosive; cook-off; ignition time; numerical simulation

2014-12-16

国家自然科学基金(11302108)资助

罗丹(1992-),女,湖南常德人,硕士研究生,研究方向:不敏感弹药技术。

TJ55;O64;O389

A