炸藥爆轟驅動水的初期過程*

龍新平,韓 勇,蔣治海,黃 輝,黃毅民,洪 滔

（1.中國工程物理研究院,四川 綿陽 621900;

2.中國工程物理研究院化工材料研究所,四川綿陽 621900;

3.北京應用物理與計算數學研究所,北京 100088）

1 引 言

液體在炸藥爆轟的驅動下變形、破碎及霧化過程是流體動力學具有廣泛應用背景的領域。在民用建筑拆除方面,在爆破拆除的同時,通過炸藥爆炸拋撒形成一定空間的氣溶膠云團,達到抑制粉塵的目的[1]。在軍事應用中,云爆武器是典型的應用范例,原理是在戰斗部里裝填燃料,作用時通過爆炸拋撒將燃料分散在空氣中形成可爆炸性的燃料-空氣氣溶膠云團,在一定條件下引爆,氣溶膠云團發生爆炸,產生高溫高壓,從而對爆炸覆蓋區域及以外一定距離的物體造成不同程度的破壞[2-4]。這需要對炸藥爆轟驅動液體力學過程的深入了解。

液體爆炸拋撒主要包括以下幾個過程[5-8]:首先是早期的驅動階段,從爆炸產物沖擊波在液體介質中的傳播及其對液體介質的作用,到流體團塊的沖出;其次是近場流體團塊或由流體團塊形成連貫的流體環的失穩和破碎、整個流體界面形成湍流混合,到流體團塊破碎成液滴顆粒;然后是遠場液滴顆粒與氣流的混合過程,在此過程中液滴顆粒之間發生碰撞、二次破碎、聚合、凝并、汽化或蒸發等,以及顆粒、顆粒群與湍流氣流的相互作用現象,最終形成氣溶膠云團。針對液體爆炸拋撒過程已進行了大量的工程及基礎研究工作,但對炸藥爆轟產物驅動液體的初期過程少有文獻報道。通過對爆轟產物驅動液體內界面的初期過程進行實驗和數值模擬研究,能夠獲得液體內界面膨脹過程的物理特性和變化規律、液體中沖擊波的傳播規律,為爆炸拋撒液體外界面的運動規律和失穩過程、液體初級破碎形成液滴的研究提供指導,并為后期液體拋撒過程的數值模型和模擬特性參數的選擇奠定基礎。因此,對爆轟產物驅動液體內界面的初期過程進行實驗和數值模擬研究顯得非常重要。

本文中,借助于高速分幅相機FJZ-250,利用陰影照相技術研究炸藥爆轟產物驅動液體——水的初期過程,并利用LS-DYNA程序對實驗進行數值模擬。

2 實驗介紹及結果分析

圖1 實驗測試系統示意圖Fig.1 Sketch of experimental arrangement

實驗測試系統如圖1所示,其中水置于邊長為300 mm的正方體玻璃容器內,PBX-01炸藥尺寸為?10 mm×30 mm,炸藥及氬氣彈均由延時同步起爆裝置控制起爆時間。采用陰影照相技術記錄炸藥爆轟產物驅動水介質界面的運動軌跡。轉鏡式高速分幅相機的攝影頻率為 0.5 μs-1。

圖2 炸藥爆轟產物驅動水介質不同時刻照片Fig.2 Photos of water expansion driven by detonation product at different times

由圖2,當t=0時,爆轟波在鉛導爆索中傳播,即將進入PBX-01炸藥,可清晰地分辨出沖擊波在水中的跡線;當t=4 μs時,爆轟波在 PBX-01炸藥中傳播,未反應炸藥陰影保持原來形態,已反應炸藥爆轟產物則在水中膨脹形成鼓包,水中沖擊波跡線進一步擴大。當t=8 μs時,PBX-01炸藥已全部變為爆轟產物,根據PBX-01藥柱的長度和爆速,也可得出此時炸藥已完成爆炸,這與觀察到的實驗現象一致,這時水中的沖擊波跡線與爆轟產物的形態較為相似。當t=12,16,20,24,28 μs時 ,由 PBX-01炸藥爆轟產物在水中的膨脹,以及水中的沖擊波跡線發展過程,通過每幅圖中PBX-01炸藥柱的初始靜止像,可精確確定不同時刻炸藥爆轟產物的膨脹位置,如圖3所示。此外,由圖2,沖擊波跡線的輪廓由圓錐狀較快地演變為類似球形,后期與炸藥爆轟產物的形態基本無關,這也可以通過后面不同時刻沖擊波跡線示意圖形象地表示。實驗過程中,爆轟產物和水介質2種不相混的流體之間交界面的不穩定性主要是Rayleigh-Taylor不穩定性,在實驗觀察的時間范圍內（約40 μs）,爆轟產物與水介質的接觸面軌跡光滑,沒有尖釘出現,說明界面沒有發生明顯的失穩現象。

圖3 不同時刻炸藥爆轟產物形態示意圖Fig.3 Detonation products shapes at different times

3 數值模擬

采用有限元LS-DYNA程序對PBX-01炸藥爆轟產物驅動水介質內界面的初期發展過程進行了數值模擬。計算模型中,由于炸藥產物和水均有大變形發生,采用多物質ALE單元描述,玻璃屬于比較脆的固體材料,在變形過程中有可能破碎,采用LAGRANGE單元描述,并采用流固耦合方法使流體與固體之間發生相互作用。模型初始網格如圖4所示,模型中加入了軸對稱約束,忽略了鉛導爆索,直接采用PBX-01炸藥上端面中心點起爆方式。節點44 410為炸藥柱一半高度位置處與水接觸的一點,節點44 389為炸藥底部端面中心點。

圖4 計算模型Fig.4 A lattice model for numerical simulation

PBX-01炸藥采用高能炸藥燃燒模型,爆轟產物狀態方程為JWL形式

參數采用VLW熱力學程序計算獲得[9],密度ρ=1.86 g/cm3,爆壓P=37.0 GPa,爆速U=8.8 km/s,A=304.30 GPa,B=11.05 GPa,R1=3.5,R2=1.14,w=0.50,E0=0.012 7。

水采用Gruneisen狀態方程[10]

式中:c=1.46 km/s,s1=2.24,s2=-0.278 s/km,s3=0.033 6 s2/km2,γ0=0.5[11]。玻璃采用理想彈塑性材料,ρ0=2.3 g/cm3,剪切模量為4 GPa,屈服強度為0.12 GPa[12]。

圖5為12 μs后沖擊波陣面示意圖。由圖可見,沖擊波陣面的實驗結果與模擬結果基本一致。

圖5 沖擊波陣面Fig.5 Front of shock wave

沿徑向距節點44 410分別為0、10、20、30、40和50 mm等單元的數值模擬壓力歷程如圖6所示,各單元的峰值壓力分別為3.01、1.27、0.72、0.43、0.29和0.20 GPa。根據J.M.Walsh等[13]估算溫度的方法,在壓力為3 GPa時,水的溫度約342 K。由于水在常壓條件下的相變溫度為373 K,根據文獻[14]可知,水在2.7 MPa條件下的相變溫度為500 K。隨著壓力的升高,水的相變汽化溫度將增加,在本文中的峰值壓力下,水的相變溫度將遠高于342 K,圖2中未發現與水相變汽化有關的現象。因此,由以上分析可得水在PBX-01炸藥爆轟產物的驅動下,未發生相變汽化。

圖6 壓力歷程Fig.6 Histories of pressure

圖7 軸向速度Fig.7 Axial velocity

根據實驗測得的爆轟產物驅動水介質膨脹的分幅底片,采用大型工具顯微鏡進行判讀,得到不同時刻水界面膨脹軌跡的位移-時間曲線,從而獲得中心點爆轟產物膨脹的軸向速度和徑向速度,其中徑向速度為所選擇的基準點相對于基準像的膨脹速度（忽略了軸向速度的影響）。節點44 389的軸向速度如圖7所示,計算結果與實驗結果基本一致;節點44 410的膨脹徑向速度如圖8所示,計算結果與實驗結果也基本一致。通過沖擊波跡線的發展過程、爆轟產物膨脹的軸向和徑向速度等實驗結果與模擬結果的比較,說明數值計算所選用參數是適宜的。

圖8 徑向速度Fig.8 Radial velocity

4 結 論

（1）采用陰影照相技術能夠可靠獲得炸藥爆轟產物驅動水初期過程的圖像;

（2）在炸藥爆炸初期,水中的沖擊波跡線與爆轟產物的形狀相似,但沖擊波跡線很快演變為類似球形,后期與爆轟產物的形狀基本無關;

（3）通過實驗、數值模擬和理論分析表明,水在爆轟產物作用下的最高瞬間溫度為約342 K,尚未達到水在實驗壓力條件下的相變汽化溫度;

（4）本文中采用的實驗和計算方法也可用于研究炸藥爆轟產物驅動其他液體介質內界面的初期發展過程。

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