熱刺激強度對DNAN基熔鑄炸藥烤燃響應特性的影響

曾 稼，智小琦，于永利，高 峰，趙 亮

(1.中北大學地下目標毀傷技術國防重點實驗室，山西 太原 030051;2.吉林江機特種工業有限公司，吉林 吉林 132021;3.內蒙古北方重工業集團有限公司，內蒙古 包頭 014033)

引 言

DNAN作為一種新的熔鑄載體炸藥，與TNT相比具有較低的沖擊波感度，在熱安全性方面更鈍感。國外對DNAN研究較早，主要集中在具有不敏感特性的炸藥配方方面[1]。近年來，我國對DNAN也開展了較多研究。王紅星等[2]對DNAN自身的熱特性進行了分析，得到其自發火溫度、熱爆炸延滯期和熱爆炸臨界溫度；張光全等[3]介紹了DNAN基熔鑄炸藥的研究進展，詳細綜述了其合成現狀、物理性能、熱性能和相容性等，以及DNAN基熔鑄炸藥配方的研制及相關性能的研究進展；高杰等[4]測試了DNAN基熔鑄混合炸藥的爆速和爆壓及空中爆炸沖擊波參數；陳朗等[5]對DNAN炸藥的烤燃特性進行了研究，分析了炸藥熔化和反應情況。結果表明，在熔鑄炸藥烤燃中，加熱速率對炸藥點火前的狀態影響很大，從而會影響炸藥反應的激烈程度；王親會[6]分析了DNAN作為載體炸藥所存在的優缺點并提出了改進途徑。

牛國濤等[7]的理論分析認為，DNAN在94～96℃時會發生相變。炸藥內部溫度呈非線性變化，然而在實際升溫過程中，DNAN熔鑄炸藥發生相變時的溫度隨升溫速率的不同會發生變化，因而受不同熱刺激強度作用發生點火時，炸藥的相變溫度、點火位置和點火溫度都將受到影響。因此，對熔鑄炸藥烤燃試驗響應特性的研究，可以對炸藥熱安全性進行更準確的評價。

本實驗利用自行設計的烤燃試驗裝置，采用多點測溫烤燃試驗方法，對DNAN基熔鑄炸藥在升溫速率0.055、1.0、2.0K/min下進行了烤燃試驗，并利用Fluent軟件對升溫速率0.055、0.5、1.0、2.0、3.0、5.0K/min下的烤燃試驗進行模擬，以期研究熱刺激強度對熔鑄混合炸藥相變溫度、點火溫度及點火位置的影響，全面了解DNAN基熔鑄炸藥的熱安全性能。

1 實 驗

1.1 實驗裝置及材料

烤燃彈由殼體、藥柱和上下端蓋3部分組成，端蓋與殼體之間用螺紋連接，殼體材料為45號鋼，內部尺寸為Φ19mm×38mm、壁厚3mm、端蓋厚1mm。烤燃彈藥柱為DNAN基混合炸藥，配方(質量分數)為：31.6%DNAN、25%Al、41%RDX和2.4%添加劑。藥柱尺寸為Φ19mm×38mm，藥柱密度為1.80g/cm3，采用鑄裝工藝。

烤燃試驗裝置主要由計算機、MR13溫控儀(調節精度0.1℃) 、烤燃爐、烤燃彈及鎳鎘/鎳硅熱電偶(1級精度)組成。溫控儀通過熱電偶對溫度自動進行采樣和控制，保證殼體外壁以一定的升溫速率升溫。利用自行設計的SFO計算機軟件實時采集烤燃試驗過程中溫度-時間歷程曲線。

1.2 烤燃試驗

為了解炸藥內部各部分的溫度變化情況，每發烤燃彈在烤燃過程中用3支型號為WRN-010的K類微型熱電偶監測3點的溫度變化情況。其中監測點1為烤燃彈外壁圓柱部中點的溫度(T1)；監測點2為藥柱幾何中心點的溫度(T2)；監測點3為與監測點2處于同一水平位置，并與監測點2距離為6mm處的溫度(T3)。為保證試驗結果的可靠性，每種溫度下做兩發平行試驗。烤燃彈示意圖見圖1。

圖1 烤燃彈示意圖Fig.1 Schematic diagram of cook-off bomb

1.3 實驗結果與討論

表1為烤燃試驗相變和響應時的結果。

表1 烤燃試驗響應結果Table 1 The respose results of cook-off experiment

由表1可見，隨著升溫速率的增大，炸藥發生相變時外壁的溫度呈升高趨勢，而藥柱中心及6mm處的溫度則不斷降低。這是由于烤燃彈外部熱量傳遞到藥柱內部需要一定的時間，升溫速率較大時，藥柱內部溫度梯度較大，熱量來不及傳遞到藥柱內部，離殼體最近的部分已經發生相變。而當升溫速率較小時，熱量有較多時間傳遞到藥柱內部，藥柱內部溫度更加均勻，因此藥柱內部兩個監測點的溫度隨升溫速率的增大不斷降低。炸藥響應時，3個監測點的溫度都呈增加趨勢。說明加熱方式在一定程度上會影響炸藥的化學變化特性。

圖2 烤燃試驗后烤燃彈狀態Fig.2 Status of cook-off bomb after cook-off test

圖2為3種升溫速率下烤燃彈反應后的照片。由圖2可以看出，3種升溫速率下，炸藥都發生了燃燒反應。

圖3為3種升溫速率下炸藥各測點的溫度-時間曲線。

圖3 不同升溫速率下炸藥各測點的溫度-時間曲線Fig.3 Temperature-time curves of each measuring point at different heating rates

由圖3可以看到，由于炸藥相變吸熱，曲線出現吸熱峰，由吸熱峰處的曲線可以看出，監測點3處先于藥柱中心開始熔化，熔化完成后，溫度出現短暫的快速上升。

通過對比3種不同升溫速率下溫度-時間曲線發現，在曲線前半段，藥柱中心的溫度最低，外壁最高；炸藥發生自熱反應后，監測點2的溫度逐漸超過監測點3的溫度，直到炸藥發生響應，且隨著升溫速率的增加，3個監測點間的溫差趨于增大。

2 數值模擬

采用流體力學計算軟件Fluent對升溫速率分別為0.055、0.5、1.0、2.0、3.0、5.0K/min下的烤燃模型進行數值模擬計算。為確定響應時藥柱內部的溫度分布，除了實驗的3個監測點，在距藥柱幾何中心正上方和正下方各9mm處增加兩個監測點，分別為監測點4和監測點5，在藥柱外壁增加1個監測點，監測點溫度分別用T4、T5、T6表示，見圖1。

2.1 數值模型的建立

根據烤燃試驗，建立炸藥烤燃三維數值模型。應用組分輸運模型，混合炸藥各組分質量和自熱源項按照各自的比例加入到模型中，并考慮重力以及自然對流對混合炸藥熱反應過程的影響。為了簡化計算，對模型進行如下假設：(1)藥柱與殼體之間無間隙；(2)炸藥熔化后的流體為牛頓流體；(3)忽略材料相變的體積變化；(4)自熱反應遵循阿倫尼烏斯定律。簡化后，質量、動量、能量的輸運方程[8]都可以用以下通用形式表示：

(1)

式中：Φ為通用的變量，代表質量、動量、能量等；ρ為流體密度，kg/m3；Γ為通用的擴散系數；t為時間；Xi為坐標系中x、y和z的方向；Ui為速度矢量在x、y和z方向的分量；S為炸藥自熱反應源項，遵循Arrhenius反應定律。其中，炸藥的自熱反應源項S可以用下式計算：

S=ρZQexp(-E/RT)

(2)

式中：ρ為炸藥密度，kg/m3；Z為指前因子，s-1；Q為反應熱，J/kg，E為活化能，J/mol；R為普適氣體常數，J/(mol·K)；T為溫度，K。

對于炸藥的熔化相變，采用融化凝固模型。它所設定的相變溫度可以是一個溫度區間，適用于DNAN的熔化。Fluent中的相變過程引入液相率的概念[9]，它可以間接表示固液相界面的位置。液相率可表示為：

(3)

式中：Ts和Tl分別為材料的凝固溫度和熔化溫度，Ts=Tl時，相變過程只有液相和固相之分。0<βl<1時，認為相變材料處于固液糊狀區，按多孔介質來處理。炸藥液相率的計算基于焓的平衡來求解。

殼體邊界條件和炸藥自熱反應源項通過C語言編寫的用戶自定義函數加載到Fluent計算軟件中。計算的初始溫度為293.15K，DNAN的熔化熱為175kJ/kg。考慮到炸藥在實驗中會發生相變，炸藥的密度設置為隨溫度變化。同時，由于炸藥的化學反應動力學參數會隨反應進度而發生變化，因此，通過大量數值模擬研究后，對文獻[5,10]中DNAN和RDX的數據進行適當修正，修正后的參數如表2和表3所示。

表2 材料物性參數Table 2 Physical property parameters of materials

表3 材料化學反應動力學參數Table 3 Kinetic parameters of the chemical reaction of materials

2.2 結果分析

2.2.1 模擬與實驗結果對比

表4為升溫速率1.0K/min時DNAN基熔鑄炸藥響應溫度的實驗和模擬結果對比。

表4 升溫速率為1.0K/min時不同監測點實驗和計算的響應溫度Table 4 Experimental and calculated response temperature of different measuring points at a heating rate of 1.0K/min

從表4可以看出，炸藥發生相變及響應時，3個監測點的溫度誤差都在1%以內，表明計算模型和相關參數能夠描述該炸藥的相變和自熱反應。

圖4為炸藥各監測點實驗和計算溫度-時間曲線對比。由圖4可以看出，計算曲線和實驗曲線可以很好地擬合。實驗得到的曲線中，炸藥發生響應時會有明顯的拐點，即炸藥開始發生劇烈的熱分解反應。在模擬計算時，只要時間-溫度曲線拐點出現，即可認為炸藥已經發生點火反應。

圖4 炸藥各監測點實驗和計算溫度-時間曲線Fig.4 The temperature-time curves obtained by experiment and calculation at each monitoring point

2.2.2 熱刺激強度對相變溫度的影響

表5為不同升溫速率下炸藥相變各測點溫度的模擬結果。其中T6為藥柱外壁監測點溫度。由于藥柱外壁直接與殼體接觸，因此，實驗過程中，當熱量由外部向炸藥內部傳遞時，外部熱量最先到達藥柱外壁，炸藥相變首先在此處發生，因此可以看作炸藥相變時的溫度。由表5可見，隨著升溫速率的升高，炸藥發生相變時的溫度也越來越高，即DNAN的熔化存在過熱現象。

表5 不同升溫速率下炸藥相變各測點溫度模擬結果Table 5 Simulation results of each measuring point temper-ature of phase change of explosive at different heating rates

本實驗中炸藥是混合物，低熔點的DNAN被熔點較高的RDX和鋁包裹，導致過熱的發生，減少了液相成核的可能。隨著升溫速率的升高，炸藥晶體內部的混亂度增加、無規則運動加劇，這都導致系統能量增加，從而降低了炸藥發生相變時所需的能量，使得由升溫速率引起的過熱現象存在動力學穩定極限溫度，即隨著升溫速率的升高，相變時溫度的變化會越來越小，存在一個最高的相變溫度。

圖5為炸藥發生相變時監測點6的溫度隨升溫速率的變化曲線。由圖5可以看出，監測點6相變溫度隨升溫速率呈對數變化。升溫速率小于2.0K/min時，相變溫度變化較大，之后變化逐漸減小，相變溫度趨于定值。

圖5 炸藥的相變溫度隨升溫速率的變化曲線Fig.5 The change curve of phase change temperature with heating rate

2.2.3 熱刺激強度對點火溫度的影響

表6為炸藥發生響應時各測點的溫度。

表6 不同升溫速率下炸藥響應時測點溫度的模擬結果Table 6 Simulation results of measuring point temperature of explosive response at different heating rates

從表6可以看出，隨升溫速率的增大，炸藥發生響應時外界環境溫度呈升高趨勢。當升溫速率小于5.0K/min時，其余4個監測點處溫度也呈升高趨勢。5.0K/min時，4個監測點的溫度都明顯降低，這是由于5.0K/min時點火位置由藥柱中心移到藥柱上下兩端環狀區域，因此炸藥響應時內部溫度較低。

2.2.4 熱刺激強度對點火位置的影響

圖6為不同升溫速率下炸藥點火時刻的溫度分布云圖。

由圖6可見，藥柱發生點火時，在升溫速率不大于3.0K/min時，藥柱內部溫度等值線呈橢圓形分布，熱量由藥柱中心向外傳遞，響應位置均位于藥柱中心，但升溫速率為2.0和3.0K/min時，炸藥響應時點火區域較大，0.055、0.5和1.0K/min時較小。這是因為5種升溫速率下，炸藥發生響應時，炸藥中心熱量基本來源于其自熱反應放出的熱量，并且熱量傳遞方向為炸藥內部向外部傳遞。當升溫速率較大時，彈體的外部溫度較高，導致炸藥自熱反應產生的熱量傳遞到彈體外部較慢，因而，炸藥的熱積累速度增大，點火區域也相應變大。

升溫速率為5.0K/min時，升溫速率較快，炸藥點火位置在藥柱上下兩端環狀區域。這些位置溫度最高，并且從藥柱外壁到中心溫度逐漸降低，熱量從藥柱外部傳遞到內部，屬于快烤。

圖6 不同升溫速率下炸藥點火時刻的溫度分布Fig.6 Temperature distribution at ignition at different heating rates

3 結 論

(1)裝藥尺寸為Φ19mm×38mm、升溫速率為0.055～2.0K/min時，DNAN基熔鑄混合炸藥的響應劇烈程度基本相同，都為燃燒反應。

(2)模擬計算結果表明，熱刺激強度從0.055增至5.0K/min時，炸藥發生相變時的溫度從81.5℃升高到89.5℃，即不同熱刺激強度下，炸藥發生相變時的溫度不同，且隨著升溫速率的增大，炸藥發生相變時的溫度呈對數增大趨勢，最后趨于定值。

(3)熱刺激強度對炸藥的點火溫度及點火位置有較大影響。升溫速率為0.055K/min時，炸藥的響應溫度為199.5℃，隨著升溫速率的增大，炸藥的響應溫度緩慢升高，但點火位置一直位于藥柱中心。升溫速率為5.0K/min時，炸藥的響應溫度升至211.5℃，點火位置則由藥柱中心直接移動到藥柱外壁及藥柱上下兩端環狀區域。

參考文獻:

[1] 王昕.美國不敏感混合炸藥的發展現狀[J].火炸藥學報,2007，30(2):78-80.

WANG Xin.Current situation of study on insensitive composite explosives in USA[J].Chinese Journal of Explosives & Propellants(Huozhayao Xuebao)，2007，30(2):78-80.

[2] 王紅星,王浩,高杰,等.2，4-二硝基苯甲醚應用基礎性能研究[J].科學技術與工程,2014,14(25):184-186.

WANG Hong-xing,WANG Hao,GAO Jie,et al.Application of basic research on 2,4-dinitroanisole[J].Science Technology and Engineering,2014,14(25):72-75.

[3] 張光全,董海山.2 ,4-二硝基苯甲醚為基熔鑄炸藥的研究進展[J].含能材料,2010,18(5):604-609.

ZHANG Guang-quan，DONG Hai-shan.Review on melt-castable explosives based on 2，4-dinitronisole[J].Chinese Journal of Energetic Materials,2010，18(5):604-609.

[4] 高杰,焦建設,王浩,等.DNAN基熔鑄復合炸藥的爆轟性能[J].火炸藥學報,2014，37(3):26-32.

GAO Jie,JIAO Jian-she,WANG Hao,et al.Detonation properities of DNAN based melt-cast composition explosive[J].Chinese Journal of Explosives & Propellants(Huozhayao Xuebao)，2014，37(3):26-32.

[5] 陳朗，李貝貝，馬欣. DNAN炸藥烤燃特征[J].含能材料,2016，24(1)：27-32.

CHEN Lang,LI Bei-bei,MA Xin. Research on the cook-off characteristics of DNAN explosive[J].Chinese Journal of Energetic Materials, 2016，24(1):27-32.

[6] 王親會.熔鑄混合炸藥用載體炸藥評述[J].火炸藥學報,2011, 34(5): 25-28.

WANG Qin-hui.Overview of carrier explosive for melt-cast composite explosive[J].Chinese Journal of Explosives & Propellants(Huozhayao Xuebao)，2011, 34(5): 25-28.

[7] 牛國濤,金大勇,羅一鳴,等.DNAN基熔鑄炸藥工藝特性[J].兵工自動化,2014,33(7):86-88.

NIU Guo-tao,JIN Da-dong,LUO Yi-ming,et al. Process characteristics of DNAN based cast explosive[J]. Ordnance Industry Automation,2014,33(7);86-88.

[8] 馮長根.熱爆炸理論[M].北京：科學出版社,1988.

[9] 王福軍.計算流體動力學分析:CFD軟件原理與應用[M].北京:清華大學出版社,2004.

[10] 王洪偉，智小琦，郝春杰,等.升溫速率對限定條件下烤燃彈熱起爆臨界溫度的影響[J].含能材料,2016，24(4)：380-385.

WANG Hong-wei,ZHI Xiao-qi,HAO Chun-jie,et al. Effect of heating rate on the critical temperature of thermal initiation of cook-off bomb in defined conditions[J].Chinese Journal of Energetic Materials,2016, 24(4):380-385.