裝藥結構對滅火彈滅火劑拋撒影響研究*

朱 聰，梁增友，鄧德志，王明廣，梁福地，孫楠楠

(中北大學機電工程學院, 太原 030051)

0 引言

滅火彈爆炸拋撒具有滅火效率高、使用距離遠、成本低的優勢。炸藥爆炸瞬間會產生沖擊波，形成高壓氣體沖擊可燃物，破壞燃燒條件，有滅火效果；其次炸藥爆炸拋撒使滅火介質與燃燒物發生作用，進一步提高滅火效能。

目前國內對滅火彈的研究很多，桂潛波等[1]分析了滅火劑爆炸拋撒的3個階段，研究了滅火劑的爆炸拋撒半徑；趙瑞成等[2]研究了不同的比藥量和滅火劑質量對中心拋撒炸藥的影響；陳玉昆等[3]研究了不同的滅火彈彈體形狀和中心裝藥結構對滅火劑拋撒作用的影響。相對而言，對滅火彈裝藥結構的研究較少。而在滅火彈的爆炸拋撒過程中，不同的裝藥結構能改變藥柱爆轟傳播的方向，使爆炸產物有利分布或擴散，進而實現對滅火劑拋撒方向的有效控制。文中使用有限元分析軟件對滅火彈戰斗部爆炸及滅火劑的拋撒過程進行數值模擬，研究不同裝藥結構對滅火劑拋撒作用的影響，為實際滅火彈的進一步設計提供依據。

1 滅火彈物理模型的建立

1.1 基礎條件及假設

首先建立滅火彈戰斗部模型，主要由超細干粉滅火劑、裝藥和殼體組成。為了便于仿真分析，需要對模型進行簡化[4]：

1)爆轟在理想狀態下瞬時完成，不考慮周圍環境的影響；

2)忽略空氣阻力的影響；

3)設計戰斗部模型為圓柱體，為了提高計算效率，只建立1/4模型進行模擬；

4)超細干粉滅火劑材質選用密度相當的土壤材料替代。

1.2 材料模型參數

在進行顯示動力學分析時，物質的狀態方程決定物質的各種狀態變化和狀態函數之間的關系，材料的本構模型決定試驗模擬效果是否貼近實際。

滅火彈仿真實驗中將空氣視作理想氣體，主要針對裝藥、彈丸殼體和土壤進行選擇。裝藥部分選取 TNT炸藥[5]，采用高能炸藥模型和JWL狀態方程描述爆炸產物隨時間的變化規律，JWL狀態方程一般形式如式(1)所示。

(1)

式中：P為壓力;V為相對比容;E為單位體積的內能;A、B、R1、R2、ω為材料參數。

TNT炸藥的JWL狀態方程參數如表1所示。

表1 TNT炸藥的JWL狀態方程參數

彈丸殼體材料選擇ABS塑料，材料參數如表2所示。

表2 ABS塑料彈丸殼體的材料參數

土壤采用SOIL_AND_FOAM_FAILURE模型,本構模型參數如表3所示。

表3 土壤的本構模型參數

1.3 彈體爆轟結構有限元模型建立

如圖1所示為4種不同裝藥結構滅火彈戰斗部模型結構簡圖，模型結構尺寸為Φ150 mm×200 mm，外殼為長圓柱形，因為使用ABS塑料作為彈丸殼體，所以設置其厚度為3 mm。其中d1和l1表示中心裝藥的直徑和高度，d2和l2表示柱狀裝藥的直徑和高度，d3和l3表示底部裝藥的直徑和高度，d4和l4表示底部中心裝藥的直徑和高度。根據相關資料[6]顯示，滅火彈理想的比藥量在2%左右，因此文中選取比藥量為2%進行數值模擬。為便于分析比較，建立有限元模型時，采用相同的殼體模型、裝藥、干粉滅火劑來統一劃分網格，通過改變部分單元材料模型的方法，改變裝藥結構。因此建立的4個有限元模型除了裝藥結構不同以外，其他參數均相同，裝藥選擇TNT炸藥，保持裝藥量和比藥量不變，建立有限元分析模型。

圖1 不同裝藥結構滅火彈戰斗部結構簡圖

首先設定幾何模型參數，在TrueGrid前處理中，將戰斗部分為開艙藥、干粉滅火劑及彈丸殼體3個PART(部件)分別建模，其中PART1(開艙藥)及PART2(干粉滅火劑)建為SPH粒子模型，PART3(彈丸殼體)建為實體模型，采用SOLID 164實體單元。建立的4種裝藥結構有限元模型如圖2所示，其中外層綠色部分是彈丸殼體，中間藍色部分是干粉滅火劑，紅色部分是裝藥。

圖2 不同裝藥結構戰斗部有限元模型

然后建立彈丸戰斗部的網格模型，其中裝藥與干粉滅火劑采取粒子化建模、SPH算法，彈丸殼體采用映射網格方式劃分、Lagrange與單點積分算法。最后再施加相應約束。

2 仿真結果及分析

通過設置求解時間、步長控制、輸出結果類型和時間間隔，開始進行仿真求解。整個仿真過程耗時很短，因此重力造成的影響可以忽略不計。模型爆炸后，各模型的爆轟分散仿真云圖，如圖3所示。

圖3 各模型爆轟分散仿真云圖

2.1 仿真云圖對比分析

對比分析圖3，可以得出：裝藥結構不同對滅火彈的爆轟模型和滅火效果都有影響。其中，中心裝藥爆轟后形似 “陀螺”形云團，滅火劑粒子整體上似橢圓形結構，滅火劑軸向分散較均勻，徑向分散不明顯，容易造成堆積現象；柱狀裝藥爆轟后近似圓柱形，滅火劑粒子在軸向、徑向上分散都較均勻，滅火效果好；底部裝藥爆轟效果不好，滅火劑利用率很低；底部中心裝藥爆轟后呈“喇叭”狀云團，軸向上部分滅火劑粒子分散不明顯，中下部較均勻，滅火劑未充分利用。

中心裝藥和柱狀裝藥滅火彈爆轟之后滅火劑粒子在軸向和徑向上都能夠較好的擴散開，滅火劑利用率較高，滅火效果較好。現重點研究這兩種裝藥結構，分別在其模型外側自上而下均勻選取5個滅火劑顆粒節點[7]，對其拋撒過程進行跟蹤分析，主要是對滅火劑顆粒節點的徑向、軸向速度變化和位移變化進行對比分析。

2.2 滅火劑顆粒節點徑向拋撒分析

滅火劑徑向拋撒決定滅火彈爆轟云團形狀，進而影響滅火面積。圖4是滅火劑節點的徑向拋撒速度(VR-t)曲線，圖5是滅火劑節點的徑向拋撒位移(DR-t)曲線。

圖4 節點徑向拋撒速度

圖5 節點徑向拋撒位移

圖4(a)中心裝藥模型的節點徑向速度都在450～550 m/s之間，說明滅火劑在以較高速度沿徑向向外拋撒，梯度性不強，會造成中心區域滅火劑濃度過低。圖4(b)柱狀裝藥模型的節點大體分布在3個區域，A、D、E節點的徑向速度是200 m/s，B節點是300 m/s，C節點是400 m/s，形成了明顯的速度梯度，使得滅火劑顆粒在各個半徑層次上都能被拋撒，有利于形成濃度均勻的滅火劑顆粒云團，提高滅火性能。

從圖5可以看出，兩種裝藥結構的滅火劑節點都在均勻的朝徑向方向拋撒。中心裝藥結構滅火劑節點在200 μs之后開始做勻速直線運動，柱狀裝藥結構在100 μs之后開始做勻速直線運動。

2.3 滅火劑顆粒節點軸向拋撒分析

滅火劑軸向拋撒決定滅火彈對火焰根部的滅火效果。圖6是滅火劑節點的軸向拋撒速度(Vz-t)曲線，圖7是滅火劑節點的軸向拋撒位移(Dz-t)曲線。

圖7 節點軸向拋撒位移

圖6(a)中心裝藥模型的節點軸向速度以中間軸截面為對稱中心，分別向上下兩個方向移動，越靠近兩端速度越大，且有一半的滅火劑節點向上拋撒出去，滅火劑利用過低。圖6(b)柱狀裝藥模型中，A、E兩點的拋撒速度在150 m/s左右，分別向上下兩個方向拋撒，其余3點的拋撒速度在0～50 m/s之間，擴散速度不快，可以更好對中心火場進行撲滅，提高滅火效果。

從圖7可以看出，中心裝藥模型軸向拋撒位移中有兩個節點軸向位移向上，3個節點軸向位移向下，說明滅火劑粒子大部分向下拋撒，容易造成堆積現象，滅火劑利用率不高。而柱狀裝藥模型中， 分別有一半的滅火劑節點向上、下兩個方向運動，滅火劑拋撒更均勻，滅火效果更好。

2.4 中心裝藥和柱狀裝藥結構測量節點結果分析

通過對中心裝藥和柱狀裝藥仿真模型進行取點跟蹤分析得出：中心裝藥模型爆轟后滅火劑粒子在軸向和徑向上利用率不高，與之相比，柱狀裝藥模型爆轟后滅火劑粒子在軸向和徑向上都分散的較均勻，且在徑向上形成了明顯的速度梯度，使得滅火劑顆粒在各個半徑層次上都能被拋撒，有利于形成濃度均勻的滅火劑顆粒云團，滅火效果更好。

3 結論

利用TrueGrid軟件和LS-DYNA軟件對中心裝藥、柱狀裝藥、底部裝藥和底部中心裝藥的滅火彈仿真模型爆轟拋撒過程進行了數值模擬，得出如下結論：

1)4種不同裝藥結構仿真模型爆轟后，底部裝藥的殼體和干粉粒子沒有完全拋撒開，中上部分滅火劑未得到利用；底部中心裝藥只有中下部分的滅火劑粒子得到了利用，上部分滅火劑沒有拋撒開； 中心裝藥和柱狀裝藥仿真模型爆轟效果較好，柱狀裝藥結構爆轟后呈圓柱狀云團，滅火劑在軸向、徑向上分散都很均勻。

2)對中心裝藥和柱狀裝藥仿真模型進行取點跟蹤分析，得出柱狀裝藥結構的滅火性能更好，滅火劑粒子在軸向和徑向上都分散的更均勻，且在徑向上形成了明顯的速度梯度，使得滅火劑顆粒在各個半徑層次上都能被拋撒，有利于形成濃度均勻的滅火劑顆粒云團，滅火效果更好。為實際滅火彈的裝藥結構設計提供了依據。