聚奧-9C裝藥的引信傳爆管快速烤燃實(shí)驗(yàn)及數(shù)值模擬

唐 鑫，袁俊明，劉玉存，彭 帥，李 碩

(中北大學(xué)化工與環(huán)境學(xué)院，山西 太原 030051)

聚奧-9C裝藥的引信傳爆管快速烤燃實(shí)驗(yàn)及數(shù)值模擬

唐 鑫，袁俊明，劉玉存，彭 帥，李 碩

(中北大學(xué)化工與環(huán)境學(xué)院，山西 太原 030051)

為研究引信傳爆管在快速烤燃作用下的熱響應(yīng)規(guī)律，對(duì)考慮導(dǎo)爆藥柱作用的聚奧-9C(JO-9C)裝藥的引信傳爆管進(jìn)行了快速烤燃實(shí)驗(yàn)。利用Fluent對(duì)引信傳爆管在60 K/min升溫速率下快速烤燃過(guò)程的熱響應(yīng)規(guī)律進(jìn)行了數(shù)值模擬，并與烤燃實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證，標(biāo)定了JO-9C的活化能與指前因子，分別為1.69×105J/mol與2.1×1015s-1。基于引信傳爆管的快速烤燃實(shí)驗(yàn)和模型參數(shù)，對(duì)15、35、75 K/min三種不同升溫速率下引信傳爆管的快速烤燃過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果表明：在引信傳爆管點(diǎn)火時(shí)，傳爆藥柱先發(fā)生熱反應(yīng)，引起導(dǎo)爆藥柱發(fā)生爆燃；在不同的升溫速率下，點(diǎn)火位置均在傳爆藥柱邊角；隨著升溫速率的增加，點(diǎn)火時(shí)傳爆藥柱邊角處溫度增加。

引信傳爆管； 熱分解動(dòng)力學(xué)； 快速烤燃實(shí)驗(yàn)； 數(shù)值模擬

安全性是引信系統(tǒng)的一個(gè)重要研究?jī)?nèi)容，其中傳爆藥的熱安全性是保證引信系統(tǒng)安全的關(guān)鍵。對(duì)于傳爆藥的快速烤燃特性，目前國(guó)內(nèi)外主要是通過(guò)烤燃實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬來(lái)進(jìn)行分析。文獻(xiàn)[1-4]作者通過(guò)對(duì)烤燃實(shí)驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行分步數(shù)值模擬，分析了RDX基混合炸藥和B炸藥等常用炸藥在熱作用下的響應(yīng)規(guī)律；安強(qiáng)等[5]研究了裝藥密度對(duì)鈍化黑索今快速烤燃特性的影響；GROSS等[6]研究了藥柱約束對(duì)準(zhǔn)確模擬炸藥快速烤燃過(guò)程的影響；張旭等[7]通過(guò)快速烤燃實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬研究了帶約束鋼殼的TATB基PBX固體推進(jìn)劑在較大熱通量作用下的點(diǎn)火時(shí)間；徐雙培等[8]研究了殼體密封性對(duì)炸藥快速烤燃響應(yīng)規(guī)律的影響；孫培培等[9]研究了不同殼體直徑與不同殼體約束對(duì)炸藥快速烤燃響應(yīng)的影響。以上研究主要側(cè)重于炸藥在快速烤燃作用下的熱響應(yīng)規(guī)律，對(duì)實(shí)際裝藥結(jié)構(gòu)下的引信傳爆裝置在快速升溫速率下的反應(yīng)特性研究較少。為此，筆者對(duì)聚奧-9C(JO-9C)裝藥的引信傳爆管進(jìn)行快速烤燃實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬，并考慮導(dǎo)爆藥柱作用。通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，并對(duì)引信傳爆管在不同快速升溫速率下的加熱過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，分析其在快速烤燃條件下的熱響應(yīng)規(guī)律。

1 烤燃實(shí)驗(yàn)

基于中口徑榴彈的引信結(jié)構(gòu)，對(duì)傳爆管進(jìn)行結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化[10-11]，并考慮導(dǎo)爆藥柱作用，對(duì)其進(jìn)行加熱速率為60 K/min小尺寸快速烤燃實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。其中：鋁套筒內(nèi)徑為Φ22 mm×72 mm；鋼套筒內(nèi)徑為Φ16 mm×64 mm；導(dǎo)爆藥柱尺寸為Φ5 mm×6 mm；傳爆藥柱尺寸為Φ15 mm×12 mm。導(dǎo)爆藥柱與傳爆管所用傳爆藥JO-9C炸藥配方為95%HMX、5%氟橡膠，藥柱平均密度為1.70 g/cm3。

圖1 烤燃實(shí)驗(yàn)裝置

為使傳爆管與導(dǎo)爆藥柱位于烤燃裝置的中心，確保熱傳感器與傳爆管中部對(duì)齊，在其上下兩端設(shè)計(jì)了2個(gè)鋼柱，這樣還可減少空氣域的傳熱影響，降低空氣對(duì)流帶來(lái)的實(shí)驗(yàn)誤差。烤燃裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 烤燃裝置結(jié)構(gòu)

2 數(shù)值模擬

藥柱的熱反應(yīng)及熱傳導(dǎo)遵循Frank-Kamenetskii方程[12]：

(1)

式中：ρ為反應(yīng)物的密度;cV為反應(yīng)物的比熱容;λ為熱導(dǎo)率；S為炸藥反應(yīng)源項(xiàng)。

在柱坐標(biāo)系(r,φ,z)下，溫度場(chǎng)的控制方程可表示為

(2)

其中S用Arrhenius方程[13]表示為

(3)

式中：a為反應(yīng)物的反應(yīng)分?jǐn)?shù)；Q為反應(yīng)物的反應(yīng)熱；A為指前因子；E為活化能；R為氣體常數(shù)。

圖3為烤燃裝置有限元模型，圖4為溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布。表1為JO-9C反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)，表2為計(jì)算模型材料參數(shù)，其中JO-9C的比熱容與熱導(dǎo)率以及反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)源于文獻(xiàn)[14-15]。

圖3 有限元模型

圖4 溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布

傳爆藥活化能/(J·mol-1)指前因子/s-1反應(yīng)熱/(J·kg-1)JO-9C1.69×1052.1×10153.2×103

表2 計(jì)算模型材料參數(shù)

3 結(jié)果與討論

3.1 烤燃實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

烤燃裝置初始溫度為300 K，加熱速率為60 K/min，加熱前期，導(dǎo)爆藥柱與傳爆管內(nèi)部溫度積累主要靠外部加熱裝置，加熱累積。隨著溫度的增加，當(dāng)溫度達(dá)到JO-9C的自反應(yīng)放熱溫度553 K時(shí)，JO-9C開始分解放熱，直至爆炸，圖5為烤燃實(shí)驗(yàn)碎片。爆炸時(shí)間為288 s，爆炸時(shí)殼體溫度為576.9 K。

圖5 烤燃實(shí)驗(yàn)碎片

從圖5可以看出:烤燃裝置的加熱體約束斷裂變形，鋁質(zhì)、鋼質(zhì)約束套筒變形小且整體完好無(wú)損，外約束上蓋有變形，呈鼓包狀，4根鋼質(zhì)約束柱擰螺帽處變形；導(dǎo)爆藥柱管殼底部完全擊穿，且出現(xiàn)由下向上擊穿變形的痕跡，導(dǎo)爆藥柱的約束管殼基本完好，內(nèi)有反應(yīng)灼燒痕跡，因此導(dǎo)爆藥柱被引爆后為爆燃狀態(tài)；傳爆管殼基本完好，但底部破裂，與之接觸的下鋼柱變形不明顯，說(shuō)明傳爆藥柱發(fā)生了爆燃現(xiàn)象，上鋼柱底部有明顯內(nèi)凹形變，說(shuō)明傳爆藥柱的爆燃波經(jīng)管殼衰減后使導(dǎo)爆藥柱發(fā)生爆燃。

綜上所述，在烤燃裝置點(diǎn)火響應(yīng)時(shí)，在傳爆藥柱內(nèi)部點(diǎn)火，爆燃波從傳爆藥柱向?qū)П幹鶄鞑ィ⑹蛊浒l(fā)生爆燃。

3.2 烤燃實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬對(duì)比

基于文獻(xiàn)[15]中活化能與指前因子，當(dāng)JO-9C的活化能為1.69×105J/mol，指前因子為2.1×1015s-1時(shí)，烤燃實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬得到的殼體溫度-時(shí)間曲線基本吻合，如圖6所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比如表3所示。

圖6 實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬殼體溫度-時(shí)間曲線對(duì)比

參數(shù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)值模擬結(jié)果誤差/%點(diǎn)火時(shí)間/s2882735.3殼體溫度/K576.9550.14.6

由表3可知：數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果之間的誤差很小，表明數(shù)值模擬結(jié)果準(zhǔn)確可用。因此，JO-9C的活化能1.69×105J/mol與指前因子2.1×1015s-1可用于快速烤燃數(shù)值模擬。

3.3 不同升溫速率下數(shù)值模擬結(jié)果分析

基于烤燃模型和確定的JO-9C熱分解參數(shù)，在不同升溫速率(15、35、60、75 K/min)下進(jìn)行快速烤燃數(shù)值模擬。圖7為升溫速率為60 K/min時(shí)不同測(cè)溫點(diǎn)的數(shù)值模擬溫度-時(shí)間曲線。可以看出：傳爆藥柱比導(dǎo)爆藥柱距離熱源近，熱量首先傳遞到傳爆藥柱邊角，使傳爆藥柱邊角比導(dǎo)爆藥柱邊角溫度先上升；在260 s時(shí)，傳爆藥柱邊角先達(dá)到自反應(yīng)放熱溫度553 K，自分解反應(yīng)放出的熱量開始積累，各個(gè)點(diǎn)的斜率開始發(fā)生變化；在273 s時(shí)，傳爆藥柱中心點(diǎn)附近溫度最高，達(dá)到點(diǎn)火溫度572.4 K，發(fā)生爆炸，此時(shí)，導(dǎo)爆藥柱邊角溫度為543.9 K，還未達(dá)到自反應(yīng)放熱溫度。

圖7 升溫速率為60 K/min時(shí)不同測(cè)溫點(diǎn)的數(shù)值模擬溫度-時(shí)間曲線

圖8為升溫速率為60 K/min時(shí)不同時(shí)刻的溫度分布。可以看出：在140 s和210 s時(shí)，只受外源溫度加熱作用，溫度梯度明顯，JO-9C還未發(fā)生熱分解，熱量向內(nèi)部傳遞，傳爆管溫度比周圍溫度低，其中傳爆藥柱中心點(diǎn)附近溫度最低；在270 s時(shí)，傳爆藥柱邊角開始放熱，熱量急劇增加；在273 s時(shí)，炸藥高溫區(qū)域集中在傳爆藥柱邊角，這一區(qū)域?yàn)檎ㄋ廃c(diǎn)火區(qū)域，點(diǎn)火時(shí)溫度為572.4 K。

圖8 升溫速率為60 K/min時(shí)不同時(shí)刻的溫度分布

表4為不同升溫速率下的熱響應(yīng)結(jié)果。可以看出：隨著快速烤燃升溫速率的增加，點(diǎn)火時(shí)間逐漸縮短，鋁殼體、導(dǎo)爆藥柱邊角、傳爆藥柱邊角的溫度逐漸增加；在4種升溫速率下，傳爆藥柱邊角處積累的熱量最多，溫度最高；在升溫速率由15 K/min上升至75 K/min的過(guò)程中，導(dǎo)爆藥柱邊角溫度最高為547.1 K，最低為527.6 K，均未達(dá)到JO-9C自反應(yīng)放熱溫度553 K。在4種升溫速率下，快速烤燃的點(diǎn)火位置都在傳爆藥柱邊角，點(diǎn)火時(shí)溫度分布如圖9所示。

表4 不同升溫速率下的熱響應(yīng)結(jié)果

圖9 不同升溫速率下點(diǎn)火時(shí)溫度分布

4 結(jié)論

筆者利用Fluent軟件對(duì)引信傳爆管在快速升溫速率下烤燃過(guò)程的熱響應(yīng)規(guī)律進(jìn)行了數(shù)值模擬，并通過(guò)快速烤燃實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證，結(jié)果表明：數(shù)值模擬結(jié)果與烤燃實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合。數(shù)值模擬中用到的模型與參數(shù)可用于引信的快速烤燃數(shù)值模擬，能提高引信的熱安全性研究效率并降低成本。然而，本文中炸藥的熱反應(yīng)沒(méi)有考慮相變過(guò)程，沒(méi)有分步模擬炸藥相變過(guò)程的反應(yīng)規(guī)律，因此下一階段的烤燃熱響應(yīng)特性研究應(yīng)考慮炸藥的相變過(guò)程。

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(責(zé)任編輯: 尚彩娟)

Fast Cook-off Test and Numerical Simulation of JO-9C Charge of Fuse Booster

TANG-Xin,YUAN Jun-ming,LIU Yu-cun,PENG Shuai,LI Shuo

(College of Chemical Engineering and Environment,North University of China,Taiyuan 030051,China)

To study the thermal response law of fuse booster under fast cook-off action,the fast cook-off test of JO-9C charge of fuse booster is conducted under the action of detonating explosives.The thermal responses of the fast cook-off model are calculated by the finite element program Fluent at the heating rate of 60 K/min.The simulation results are verified by experiments.In addition,the decomposition activation energies and the frequency factor of the reaction of JO-9C are determined to be 1.69×105J/mol and 2.1×1015s-1respectively.Based on the fast cook-off test and the model parameters,the calculations are conducted to simulate the fast cook-off tests at three different heating rates: 15,35 and 75 K/min.The results show that when the fuse booster is ignited,the thermal reaction of booster charge results in the explosion of detonating explosive; the ignition location is all on the corner of the booster charge at different heating rates; the temperature of the corner of the booster charge will rise with the increase of the heating rate.

fuse booster; thermal decomposition kinetics; fast cook-off test; numerical simulation

1672-1497(2017)01-0061-05

2016-11-16

中物院安全彈藥研發(fā)中心開放基金資助項(xiàng)目(RMC2014B03)

唐 鑫(1991-)，男，碩士研究生。

TJ430.6+3

A

10.3969/j.issn.1672-1497.2017.01.013