炸藥烤燃特性的隔熱層效應探究范文

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摘要：

為研究炸藥烤燃特性的隔熱層效應，以鈍化RDX炸藥為對象，選用硅橡膠膩子GPS-2和耐燒蝕涂料T-09作為隔熱材料，對不同厚度隔熱層的烤燃試樣進行了1℃/min的慢烤實驗;并用Fluent軟件對各升溫速率下不同厚度的烤燃模型進行了數值模擬。結果表明，無隔熱層時的炸藥烤燃響應劇烈程度比有隔熱層時強，而有隔熱層時，隨隔熱層厚度的增加，響應劇烈程度會逐漸增強;且隔熱層材料不同，也會使響應劇烈程度不同。隔熱層對炸藥烤燃響應時間和響應溫度的影響存在臨界厚度效應，即響應時間和響應溫度隨隔熱層厚度的增加會出現先減小后增大現象;且與隔熱層材料、炸藥種類、裝藥尺寸直接相關。隨升溫速率的增大，臨界厚度逐漸減小，臨界厚度效應逐漸減弱，升溫速率較大時，增大隔熱層厚度能有效提高炸藥耐熱性。

關鍵詞：

隔熱層；烤燃；炸藥；臨界效應

烤燃實驗是研究和評估彈藥及含能材料在生產、使用、運輸及貯存等環境下熱安全性的一種常用方法［1］。近年，含能材料的熱安全性問題引起了人們的高度重視，國內外研究人員進行了大量含能材料烤燃方面的研究。Garcia等［2］通過對HMX基的高能炸藥LX-04在不同約束條件下烤燃試驗的研究，得出了隨著約束條件的減弱烤燃響應的劇烈程度也減弱的結論。Howard等［3］以LX-10炸藥為研究對象，對烤燃過程中炸藥與殼體間有空氣層時進行了數值模擬研究，考慮了炸藥熱膨脹與空氣層厚度變化等因素。王沛等［4］選用固黑鋁炸藥研究了升溫速率對炸藥烤燃響應特性的影響。結果表明，升溫速率對炸藥點火時間和點火位置有很大影響，而對炸藥點火溫度影響很小。向梅等［5］對不同升溫速率下復合藥柱的烤燃響應特性進行了研究。結果表明，升溫速率較小時，復合藥柱的熱安定性取決于內部炸藥的特性，升溫速率較大時，復合藥柱的熱安定性與單一鈍感藥柱性能相近。陳朗等［6，7］以TNT和DNAN炸藥為研究對象，研究了炸藥相變的烤燃特性。結果表明，炸藥相變對烤燃特性影響很大且與加熱速率有關。此外，還有關于裝藥密度、裝藥尺寸、約束條件等因素對烤燃響應特性影響的報道［8—10］。隔熱層對彈藥的熱安全性具有重要影響，但關于炸藥烤燃特性隔熱層效應的研究較少。本文以鈍化RDX炸藥為對象，選用硅橡膠膩子GPS-2和耐燒蝕涂料T-09作為隔熱材料，對不同厚度隔熱層的烤燃試樣進行1℃/min的慢烤實驗，并用Fluent軟件對各升溫速率下不同厚度的烤燃模型進行數值模擬，研究炸藥烤燃特性的隔熱層效應，以期為彈藥的低易損設計和熱安全性評估提供參考。

1實驗

1.1實驗裝置

烤燃試驗裝置主要由計算機、溫控儀(調節精度0.1℃)、烤燃爐及鎳鎘/鎳硅熱電偶(1級精度)組成。溫控儀、烤燃爐和熱電偶三者構成溫控反饋調節系統，控制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烤燃試樣

烤燃試樣由殼體、端蓋、隔熱層和藥柱4部分組成，結構如圖1所示。殼體、端蓋材料均為45#鋼，殼體內壁為Φ19mm×38mm，壁厚3mm，兩端與端蓋螺紋連接。隔熱層材料分別為耐燒蝕熱涂料T-09和GPS-2硅橡膠。鈍化RDX炸藥配方質量比為RDX/鈍化劑=95/5，藥柱尺寸分別為Φ19mm×38mm、Φ17mm×38mm、Φ16mm×38mm，平均裝藥密度為最大理論密度TMD的92%(1.640g/cm3)。烤燃試樣初始溫度為(25±1)℃，試樣外壁以1℃/min的升溫速率升溫，加熱至炸藥發生響應。記錄烤燃試樣點火時刻的外壁溫度(響應溫度)和響應時間，回收破片并通過殼體變形及破碎程度來衡量響應劇烈程度。每種狀態至少做兩發平行試驗。

1.3實驗結果與討論

表1為升溫速率1℃/min時不同隔熱層的慢烤實驗結果。由表1可知，當烤燃試樣無隔熱層(δ=0)時，響應時間為183min，響應溫度為208℃;當隔熱層為GPS-2時，隨隔熱層厚度的增大，響應時間和響應溫度均逐漸減小，而當隔熱層為T-09時，隨隔熱層厚度的增大，響應時間和響應溫度均逐漸增大。因此，隔熱層對炸藥的慢烤響應時間和響應溫度有重要影響，且與隔熱層的材料有很大關系。圖2為慢烤試樣的實驗后狀態。由圖2可見，當烤燃試樣無隔熱層時，響應等級為爆轟;當隔熱層為GPS-2時，δ=1mm時，響應等級為燃燒;而δ=1.5mm時，響應等級為爆燃;當隔熱層為T-09時，δ=1mm時，響應等級為爆燃;而δ=1.5mm時，響應等級為爆炸。參考文獻［11］可知，炸藥的反應程度和燃燒轉爆轟趨勢隨著約束強度的增加而增加。烤燃試樣無隔熱層時的殼體約束強度比有隔熱層時強，因此，無隔熱層時的響應劇烈程度比有隔熱層時強。烤燃試樣有隔熱層時，隨隔熱層厚度的增加，約束強度也相對增加，則響應劇烈程度會逐漸增強。同時，隔熱層材料差異也會導致約束強度不同，故隔熱層為T-09時的響應劇烈程度強于GPS-2硅橡膠。

2數值模擬

為進一步研究隔熱層厚度對炸藥烤燃響應時間和響應溫度的影響，采用FLUENT軟件對各升溫速率下不同厚度的烤燃模型進行數值模擬計算，其中升溫速率為3.3℃/h～2℃/min。

2.1計算模型的建立

對烤燃計算模型做以下基本假定:①炸藥不發生相變且化學反應為零級放熱反應;②藥柱與隔熱層無間隙，反應區域熱傳遞僅由導熱引起;③烤燃全過程中烤燃彈各物理化學參數保持不變;④炸藥的自熱反應遵循Arrhenius方程。炸藥烤燃過程計算模型遵循Frank-Kamenetskii方程［12］，柱坐標系下表達式為:ρcvTt=λ2Tr2+1rTr+1r22Tφ2+2Tz()2+S;S=QρAexp－E()RTf(a)。式中，ρ為反應物密度(kg/m3)，cv為比熱容(J•kg－1•K－1)，λ為熱導率(J•m－1•K－1•s－1)，S為自熱源項，Q為反應物反應熱(J/kg)，A為指前因子(s－1)，E為活化能(J/mol)，R為普適氣體常數(J•mol－1•K－1)，f(a)為反應功能函數，所用計算模型為零級反應模型，故f(a)=1。烤燃試樣為軸對稱結構，為簡化計算，建立1/4烤燃試樣物理模型。炸藥的自熱反應源項，由C語言編寫用戶自定義(UDF)子程序，導入Fluent軟件。試樣外壁為溫度邊界條件，以一定的升溫速率升溫。計算過程所需的材料參數見表2和表3［13，14］，其中表2為鈍化RDX化學反應動力學參數，表3為材料物性參數。

2.2升溫速率1℃/min時不同厚度隔熱層的烤燃數值模擬

表4為1℃/min升溫速率下不同厚度隔熱層的烤燃計算結果。對比表1可知，計算結果與實驗結果吻合較好，因此，該材料參數可用于數值模擬。圖3為烤燃響應溫度與隔熱層厚度的關系曲線。結合圖表可知，當隔熱層為GPS-2時，響應溫度和響應時間隨隔熱層厚度的增加而先減小后增大，存在臨界厚度效應且臨界厚度為1.5mm;當隔熱層為T-09時，響應溫度和響應時間隨升溫速率的增大而增大，不存在臨界效應。本研究所用烤燃模型殼體尺寸不變，藥柱直徑隨隔熱層厚度的增加而減小，即隔熱層厚度與藥柱直徑的相對尺寸δ/d逐漸增大，則隔熱層為GPS-2時響應溫度和響應時間先減小后增大，隔熱層為T-09時，響應溫度和響應時間逐漸增大。因此，隔熱層對炸藥烤燃響應時間和響應溫度的影響存在臨界厚度效應，且與隔熱層材料、炸藥種類、裝藥尺寸直接相關。

2.3各升溫速率下不同厚度隔熱層的烤燃數值模擬

隔熱層為GPS-2時各升溫速率下的烤燃T-δ曲線見圖4。由圖可見，各升溫速率下，隔熱層為GPS-2時，響應溫度都隨隔熱層厚度的增加而先減小后增大，即都存在臨界厚度效應，且臨界厚度均不同。隔熱層為T-09時各升溫速率下的烤燃T-δ曲線見圖5。由圖可見，不同升溫速率下，隔熱層為T-09時，響應溫度都隨隔熱層厚度的增加而增大，即都不存在臨界厚度效應。圖6為GPS-2隔熱層臨界厚度與升溫速率的關系曲線。由圖6可見，隨升溫速率的增大，隔熱層臨界厚度逐漸減小。因此，增大升溫速率會減弱隔熱層的臨界厚度效應，且升溫速率較大時，增加隔熱層厚度能有效的提高炸藥熱安全性。

3結論

(1)無隔熱層時的炸藥烤燃響應劇烈程度比有隔熱層時強，而有隔熱層時，隨隔熱層厚度的增加，響應劇烈程度會逐漸增強，且隔熱層材料不同，響應劇烈程度也不同。

(2)隔熱層對炸藥烤燃響應時間和響應溫度的影響存在臨界厚度效應，且與隔熱層材料、炸藥種類、裝藥尺寸直接相關。

(3)隨升溫速率的增大，臨界厚度逐漸減小，臨界效應逐漸減弱，升溫速率較大時，增大隔熱層厚度能有效提高炸藥耐熱性，而升溫速率較小時，增大隔熱層厚度并不一定能提高炸藥耐熱性。

參考文獻：

1馮長根，張蕊，都振華.熱烤試驗研究進展.科技導報，2012;(33):68—73

4王沛，陳朗，馮長根.不同升溫速率下炸藥烤燃模擬計算分析.含能材料，2009;17(1):46—54

5向梅，黃毅民，饒國寧，等.不同升溫速率下復合藥柱烤燃實驗與數值模擬研究.爆炸與沖擊，2013;33(4):394—400

6陳朗，王沛，馮長根.考慮相變的炸藥烤燃數值模擬計算.含能材料，2009;17(5):568—573

7陳朗，李貝貝，馬欣.DNAN炸藥烤燃特征.含能材料，2016;24(1):27—32

8智小琦，胡雙啟.炸藥裝藥密度對慢速烤燃響應特性的影響.爆炸與沖擊，2013;33(2):221—224

9馮曉軍，王曉峰，韓助龍.炸藥裝藥尺寸對炸藥烤燃響應的影響.爆炸與沖擊，2005;25(3):285—288

10智小琦，胡雙啟，李娟娟.不同約束條件下鈍化RDX的烤燃響應特性.火炸藥學報，2009;32(3):22—24

11陳朗，王飛，伍俊英，等.高密度壓裝炸藥燃燒轉爆轟研究．含能材料，2011;19(6):697—704

12馮長根.熱爆炸理論.北京:科學出版社，1988

13董海山，周芬芬.高能炸藥及相關物性能.北京:科學出版社，1989

14董海山，胡榮祖，姚樸，等.含能材料熱譜集.北京:國防工業出版社，2002

作者:楊筱 智小琦 單位:中北大學地下目標毀傷技術國防重點學科實驗室