DNAN基熔鑄炸藥在不同升溫速率下的熱烤燃研究*

曾 稼,智小琦,郝春杰,于永利

(1 中北大學地下目標毀傷技術(shù)國防重點學科實驗室,太原 030051;2 晉西工業(yè)集團有限責任公司,太原 030027; 3 吉林江機特種工業(yè)有限公司,吉林吉林 132021)

0 引言

2,4-二硝基茴香醚(DNAN)是低成本、低感度、能量接近RDX,安全性優(yōu)于TNT的新型熔鑄炸藥。它能與AP相容,在配方設(shè)計中可以通過AP改善氧平衡以提高能量,是目前不敏感熔鑄炸藥的代表。純DNAN的熔點為95 ℃[1],略微偏高,但它可與其他炸藥形成低共熔物使熔點降低。對DNAN及其混合炸藥進行熱烤研究,可以對其熱安全性有更全面的了解,這對該炸藥在熱環(huán)境中的安全使用具有重要意義。

2002年,McCallen[2]等對TNT慢速烤燃實驗進行了研究,發(fā)現(xiàn)液態(tài)TNT的對流傳熱對炸藥內(nèi)部溫度變化有顯著的影響。2009年,王紅星[3]等對DNAN的熱安全性進行了研究,得到其自發(fā)火溫度、熱爆炸延滯期和熱爆炸臨界溫度,并與傳統(tǒng)熔鑄載體炸藥TNT進行了對比。羅一鳴[4]等研究了DNAN的凝固過程并與TNT做了對比。結(jié)果表明,DNAN的凝固行為不同于TNT,不是逐層凝固,而屬于中間凝固,為DNAN的凝固行為和凝固缺陷的生成機制提供了參考。2009年,陳朗[5]等以TNT為研究對象,根據(jù)已有的TNT炸藥烤燃實驗,對不同加熱速率下TNT炸藥的烤燃過程進行了數(shù)值模擬計算。結(jié)果表明,炸藥相變對炸藥點火溫度、點火時間和點火位置都有影響。目前,國內(nèi)外對DNAN物理化學性質(zhì)的研究已經(jīng)較多,DNAN自身熱特性的研究也有報導,但對DNAN基混合炸藥熱烤試驗的研究卻極少。

文中在前人研究的基礎(chǔ)上,利用自行設(shè)計的烤燃試驗裝置,采用多點測溫的試驗方法,對該炸藥在3.3 K/h、1 K/min、2 K/min三種升溫速率下進行了烤燃試驗。在此基礎(chǔ)上,建立烤燃彈的三維熱響應計算模型,考慮了重力作用、炸藥的相變、液態(tài)炸藥的熱對流,對不同升溫速率下的炸藥的烤燃過程進行數(shù)值模擬。分析不同熱刺激強度下DNAN基熔鑄混合炸藥的熱響應規(guī)律,為全面了解熔鑄混合炸藥的熱安全性能提供參考。

1 實驗

1.1 實驗裝置及材料

烤燃實驗裝置主要由計算機、MR13溫控儀(調(diào)節(jié)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。利用自行設(shè)計的SFO計算機軟件實時采集烤燃實驗過程中溫度-時間歷程曲線。

實驗用烤燃彈由殼體、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#鋼,內(nèi)腔尺寸分別為Φ30mm×60mm壁厚3mm、端蓋厚3mm。烤燃彈藥柱為DNAN基混合炸藥,質(zhì)量配方為31.6%的DNAN、25%的Al、41%的RDX和2.4%的添加劑。藥柱尺寸為Φ30mm×60mm,藥柱密度為1.80g/cm3,采用鑄裝工藝。烤燃彈實物圖如圖1。

1.2 實驗方法

為了解炸藥內(nèi)部各部分的溫度變化情況,每發(fā)烤燃彈在烤燃過程中用2支熱電偶監(jiān)測外壁和藥柱內(nèi)部的溫度變化情況。其中監(jiān)測點1為烤燃彈外壁圓柱部中點的溫度(T1);監(jiān)測點2為藥柱幾何中心的溫度(T2)。實驗時,通過溫控儀控制加熱爐以確定的升溫速率對烤燃彈進行加熱,記錄測點溫度以及炸藥響應時殼體的變形情況,用來判斷炸藥的響應結(jié)果。

1.3 實驗結(jié)果與討論

表1為三種升溫速率下的烤燃實驗結(jié)果。由表1可以發(fā)現(xiàn),隨著升溫速率的增大,炸藥發(fā)生相變時外壁的溫度呈升高趨勢而藥柱中心溫度則不斷降低。可見,升溫速率較大時,藥柱內(nèi)部溫度梯度較大,靠近殼體內(nèi)壁的炸藥首先發(fā)生相變。而當升溫速率較小時,藥柱內(nèi)部溫度更加均勻。炸藥響應時,隨升溫速率的增大,外壁溫度逐漸升高,而藥柱中心溫度則呈降低趨勢。3.3K/h的升溫速率下,炸藥發(fā)生響應時,藥柱中心溫度高于殼體外壁的溫度;1K/min、2K/min時,則是殼體外壁溫度較高,說明點火位置發(fā)生了改變。

表1 烤燃實驗結(jié)果

圖2為三種升溫速率下烤燃彈反應后的狀態(tài)。從圖2可以看出,0.055 K/min時,殼體炸成較大塊的碎片,為爆炸反應;1 K/min和2 K/min時,殼體兩端端蓋都被沖開并且發(fā)生了明顯變形,而圓柱部無明顯變形,為燃燒反應。但1 K/min時,彈體兩端端蓋發(fā)生的變形較大,可見,1 K/min升溫速率下,炸藥的響應較2 K/min時劇烈。

圖3是兩個監(jiān)測點的溫度隨時間的變化曲線。由圖3可以看到,由于炸藥相變吸熱,曲線出現(xiàn)吸熱峰,由吸熱峰處的曲線可以看出,炸藥發(fā)生相變后,藥柱中心溫度在一小段時間內(nèi)保持一定值。熔化完成后,溫度出現(xiàn)短暫的快速上升。通過對三種升溫速率下溫度-時間曲線的觀察對比發(fā)現(xiàn),隨升溫速率的增大,彈體外壁與藥柱中心的溫差越來越大。

2 數(shù)值模擬

2.1 建立仿真模型

根據(jù)烤燃彈實物結(jié)構(gòu),建立炸藥烤燃三維數(shù)值模擬計算模型。模型主要由殼體和藥柱兩部分組成。因為烤燃彈為軸對稱結(jié)構(gòu),為簡化計算,取1/2三維烤燃模型進行數(shù)值計算,忽略端部螺紋連接對計算結(jié)果的影響。計算模型網(wǎng)格圖如圖4所示。網(wǎng)格類型為六面體網(wǎng)格,網(wǎng)格尺寸為1mm。

2.2 計算方法

采用流體力學計算軟件FLUENT對3.3K/h、0.5K/min、1K/min、2K/min、3K/min、5K/min6種升溫速率下的烤燃模型進行數(shù)值模擬計算。為確定響應時藥柱內(nèi)部溫度分布,除實驗的2個監(jiān)測點外,在與監(jiān)測點2處于同一水平位置、距離監(jiān)測點2分別為7.5mm以及藥柱外表面中點處分別增加2個監(jiān)測點3和4,分別用T3和T4表示。示意圖如圖5所示。

應用組分輸運模型,混合炸藥各組分質(zhì)量和自熱源項按照各自的比例加入到模型中,并考慮了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(shè):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(zhì)量、動量、能量的輸運方程[6]都可以用下面的通用形式表示:

(1)

式中:Φ是通用的變量,代表質(zhì)量、動量、能量等;ρ代表流體密度,單位為kg/m3;Γ是通用的擴散系數(shù);Xi是坐標系中x、y和z的方向;ui是速度矢量在x、y和z方向的分量;S代表炸藥自熱反應源項,遵循Arrhenius反應定律。

對于炸藥的熔化相變,采用融化凝固模型。Fluent中的相變過程引入液相率的概念[7],它可以間接表示固液相界面的位置。液相率:

(2)

式中：TS和Tl分別表示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<β<1時,認為相變材料處于固液糊狀區(qū),按多孔介質(zhì)來處理。炸藥液相率的計算基于焓的平衡來求解。

模型只考慮殼體、炸藥的熱傳導以及炸藥熔化后的熱對流。考慮到炸藥在實驗中會發(fā)生相變,炸藥的密度設(shè)置為隨溫度變化。同時,由于炸藥的化學反應動力學參數(shù)會隨反應進度而發(fā)生變化,因此,通過大量數(shù)值模擬研究，對參考文獻[8-9]中DNAN和RDX的數(shù)據(jù)進行了適當修正,修正后的參數(shù)如表2、表3所示。

表2 材料物性參數(shù)

表3 材料化學反應動力學參數(shù)

2.3 仿真結(jié)果

2.3.11K/min的仿真與實驗結(jié)果的對比

圖6為炸藥各監(jiān)測點實驗和計算溫度-時間曲線對比。由圖6可以看出,計算曲線和實驗曲線可以很好的吻合,說明該反應模型以及參數(shù)可以較好地描述DNAN基熔鑄混合炸藥的相變以及熱分解反應過程。實驗的時間-溫度曲線中,炸藥發(fā)生響應時,會有明顯的拐點,即炸藥開始發(fā)生劇烈的熱分解反應。在隨后的仿真計算中,只要時間-溫度曲線拐點出現(xiàn),即可認為炸藥已經(jīng)發(fā)生響應。

2.3.2不同升溫速率下相變的仿真結(jié)果

圖7為炸藥相變時的溫度隨升溫速率的變化曲線。實驗過程中,當熱量由殼體向炸藥內(nèi)部傳遞時,熱量最先到達藥柱外壁,炸藥相變首先在這里發(fā)生,因此T4可以看作炸藥發(fā)生相變時的溫度。由圖7可以發(fā)現(xiàn),隨著升溫速率的升高,炸藥發(fā)生相變時的溫度也越來越高,即DNAN的熔化存在過熱現(xiàn)象。隨著升溫速率的升高,炸藥晶體內(nèi)部的混亂度增加、無規(guī)則運動加劇,這都導致系統(tǒng)能量增加,從而降低了炸藥發(fā)生相變時所需的能量,使得由升溫速率引起的過熱現(xiàn)象存在動力學穩(wěn)定極限溫度,即隨著升溫速率的升高,相變溫度的變化會越來越小,存在一個最高的相變溫度。圖7中,2K/min前,相變溫度變化較大,之后,增幅逐漸減小。相變溫度隨升溫速率的增大呈對數(shù)升高。

2.3.3不同升溫速率下點火時的仿真結(jié)果

表4為不同升溫速率下炸藥的響應溫度。由表4可見,6種升溫速率下,炸藥發(fā)生響應時,彈體外壁與藥柱外壁的溫度都隨升溫速率的增大呈升高趨勢,而藥柱中心與距藥柱中心7.5mm處監(jiān)測點3的溫度則呈現(xiàn)降低趨勢。由于彈體外壁溫度與藥柱中心溫度隨升溫速率的變化趨勢相反,隨升溫速率的增大,兩個位置的溫差也會越來越大。

表4 不同升溫速率下炸藥點火時測點的溫度

圖8為不同升溫速率下炸藥點火時刻的溫度云圖。由圖可見,3.3 K/h、0.5 K/min的加熱條件下,炸藥的點火位置都位于藥柱中心呈橢球形分布,屬于慢速烤燃;1 K/min的加熱條件下,點火位置在藥柱中心呈桿條狀分布,三種升溫速率下的點火都屬于炸藥自熱反應引起的熱點火。而2 K/min的加熱條件下,炸藥的點火位置由藥柱中心向外部移動,位于藥柱兩端呈對稱分布;3 K/min及5 K/min時,點火位置進一步向外部移動,點火區(qū)域縮小,屬于中速烤燃。炸藥點火位置的變化,將會對炸藥點火后的反應劇烈程度產(chǎn)生影響。

3 結(jié)論

1)通過烤燃實驗結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),升溫速率為3.3 K/h,炸藥的響應結(jié)果為爆炸,升溫速率為1 K/min和2 K/min時,炸藥的響應結(jié)果都為燃燒,但從實驗后的結(jié)果可以看見,1 K/min時,彈體變形明顯較大,可見,隨升溫速率的增大,炸藥的響應劇烈程度減弱,即彈藥置于緩慢升溫條件下比置于快速升溫下更加危險。

2)不同升溫速率下,DNAN基熔鑄混合炸藥發(fā)生相變時的溫度是隨升溫速率的變化而發(fā)生改變的,3.3 K/h時,相變溫度為81.2 ℃,5 K/min時,相變溫度升高到106.6 ℃,并且隨著升溫速率的增大,炸藥發(fā)生相變時的溫度呈對數(shù)升高。

3)通過仿真研究結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),升溫速率從3.3 K/h增大到5 K/min時,炸藥發(fā)生響應時的溫度從174.1 ℃升高到227.4 ℃,可見,隨著升溫速率的增大,炸藥發(fā)生響應時的溫度呈升高趨勢。同時,點火位置從藥柱中心移到藥柱外表面,點火區(qū)域也越來越小,這使得炸藥點火后的劇烈程度會越來越弱。