超声波清洗RDX的数值模拟和安全性分析

蒋云芸,吴鹏飞,白丽荣,韩 博,王金波 ，白立新

(1.中国五洲工程设计集团有限公司，北京 100053;2.中国科学院声学研究所，北京 100190；3.山东煤炭技术学院，山东 淄博 255120)

超声波清洗RDX的数值模拟和安全性分析

蒋云芸1,吴鹏飞2,白丽荣3,韩 博1,王金波1，白立新2

(1.中国五洲工程设计集团有限公司，北京 100053;2.中国科学院声学研究所，北京 100190；3.山东煤炭技术学院，山东 淄博 255120)

建立了超声波清洗RDX过程中空泡溃灭过程的数值模型，并从微观角度进行了理论分析，研究了空泡溃灭产生的高温、冲击波和瞬间能量释放等潜在的引爆风险。结果表明，空泡存在空间小，存在时间极短(10-9s量级)，空泡溃灭过程中脉冲温度虽高，但并不满足RDX的起爆条件；脉冲压力虽高，但冲击波在水中迅速衰减，热量会迅速被水吸收；理论计算获得的空泡溃灭能量比RDX的最小引燃能量小几个数量级。超声清洗技术用于RDX颗粒的清洗是安全的。

黑索金；RDX；超声波清洗；空化；安全性；数值模拟

引 言

RDX具有猛度高、威力大、化学安定性好等特性，广泛用于各类军用混合炸药的装药及民爆行业[1]。目前国内RDX 生产主要采用浓硝酸直接硝解乌洛托品工艺，生产的 RDX酸值偏高且不易洗除[2]。酸的存在对产品的化学安定性产生很大的影响，在长期的贮存和运输过程中，也可能造成炸药本身的分解，导致产品质量下降，还可能腐蚀产品金属外壳或其他元器件[3]。

超声波清洗脱酸技术是近年提出的一种新型单质炸药脱酸处理工艺，相对于现有的高温蒸煮洗涤工艺具有巨大的节能减排优势，目前国内已进行了部分工艺研究。罗志龙等[4]通过试验证明，以水为清洗介质，超声波洗涤脱酸技术可在15～35℃、60～80min实现含酸RDX的脱酸效果大于98%。张幺玄等[5-6]研究了超声波对RDX晶体酸清洗效果的影响，结果表明，超声波清洗含酸RDX具有效率高的优点，产品达到国家军用酸值标准，可用于RDX等含能材料晶体的纯化，超声处理不会改变RDX的分子结构和特征官能团。但是，将超声波引入RDX的清洗脱酸过程是否可行，还需对RDX超声波洗涤的安全性进行验证，目前国内缺乏相关研究。

超声波清洗主要是通过高强超声波在液体中传播时产生的非线性空化效应起作用的。空化作用是通过不计其数的单个空泡在超声场中按声波周期不断膨胀和溃灭实现的。空泡溃灭时会在空泡内部形成高温高压，在周围的液体中形成冲击波和微射流，这些极端物理环境使RDX在超声清洗过程中存在起爆风险，因此有必要对超声波清洗炸药过程的安全性进行深入分析。本研究从微观角度出发，对空泡溃灭过程进行数值模拟和理论分析，研究了空泡溃灭过程中的极端物理参数对RDX的影响。

1 数学模型的建立

假设气泡只做径向振动并始终保持球对称(见图1)，气泡内气体为理想气体，振动过程为多变过程(实际计算时通常取多变指数为绝热指数)；并需考虑水的表面张力、黏性、可压缩性和气泡辐射阻尼。

图1 气泡假设图Fig.1 Hypothesis diagram of cavitation bubble

采用Fortran语言自编程序，根据Keller-Miksis气泡振动方程[8-9]模拟空泡振动：

其中：

p(t)=pasin(2πft)

初始值设置：水中声速c=1500m/s，水中静压p0=101kPa，泡内水蒸气压力pv=2.33kPa，水的表面张力系数σ=0.0725N/m，黏性系数μ=0.001Pa·s，绝热指数n=4/3，密度ρ=998kg/m3，空泡初始半径为R0。

2 结果与讨论

2.1 空化局部高温对RDX安全性的影响

将微米级RDX粉末置于水中，以颗粒状悬浮于其中。向水中辐射超声波，水中气核会演化为空泡，这些空泡将按照与超声波一致的频率不断膨胀和收缩，在收缩到最小体积时，内部气体受压，产生局部高温。 图2为空泡半径随时间的变化曲线。

图2 空泡半径随时间的变化曲线Fig.2 Curves of change in the radius of cavitation bubble with time

从图2可以看出，蓝色曲线为超声换能器辐射的声压，空泡在声压负半周期的最低时刻附近开始成长，并在负压的作用下逐渐长大，在空泡长大的同时，负压也在减低，空泡在惯性力的作用下继续长大。当空泡长到最大体积时，空泡内部形成负压，空泡外部的压力远大于空泡内部的压力，空泡开始向内部快速坍缩，直至最小体积。由于惯性力的作用，此时空泡的内部形成了高温高压，内部高压使空泡反弹而长大。此过程重复多次，震荡幅度越变越小直至出现下一个超声波负压。

图3为空泡内部温度随时间的变化曲线，其变化过程与图2中的声压及半径变化相对应。

图3 空泡内部温度随时间的变化曲线Fig.3 Curves of change in the internal temperature of cavitation bubble with time

从图3可看出，空泡内部温度也经历类似的震荡过程，每次震荡溃灭都有一个时间极短(纳秒级)的温度脉冲。在空泡溃灭时刻，即空泡坍缩至最小体积时，空泡内部温度最高。可以看出，空泡的溃灭过程表现出强烈的微观性和瞬时性，空泡内部的温度虽然很高，但持续时间只有几纳秒；空泡的半径不到1μm，存在空间极小，存在时间极短。

Bowden提出的热点理论[9]认为：炸药在受到机械作用时，绝大部分的机械能量首先转化为热能，由于机械作用不可能是均匀的，因此，热能不是作用在整个炸药上，而是集中在炸药的局部范围内，并形成热点，热点温度高于爆发点时，在热点处的炸药首先发生热分解，同时放出热量，放出的热量又促使炸药的分解速度迅速增加，最后引起部分炸药乃至整个炸药发生爆炸。热点理论研究表明，炸药热点要同时具备以下条件才能成长为爆炸：热点温度300～600°；热点半径10-3～10-5cm；热点作用时间在10-7s以上。

在水环境中对RDX颗粒进行超声清洗，空泡溃灭产生的高温只存在于空泡内部的气体介质中，并且会瞬间降低至环境水温(空泡内部高温持续的时间约为10-9s量级)。即使空泡在RDX颗粒周边涨缩，由于RDX被水包裹，RDX颗粒和空泡之间依然存在一层水膜。气体的比热小，而水的比热很大，因此空泡内部气体介质的脉冲高温无法穿透水膜将热量传导给RDX颗粒，RDX颗粒温度与水温一致，不会达到300～600°。并且，由于含有RDX颗粒的液体中含有大量气核和微气泡，这些气核和微气泡的存在会大大降低空化阈值，致使空泡溃灭时内部的温度和压力大大降低。空泡在颗粒物溃灭时由于动量不平衡而引起的非对称溃灭会降低空泡内部温度。此外，由于RDX颗粒和空泡之间水膜的存在，空泡溃灭产生的热点离RDX颗粒还有一段空泡半径的距离。最重要的，空泡溃灭产生的高温持续时间在10-9s量级，远小于10-7s。综上所述，尽管空泡溃灭后在空泡内部所产生的脉冲温度极高，但不满足两项起爆条件，因此，空化局部高温不影响RDX的安全性。

2.2 空泡溃灭冲击波对RDX安全性的影响

空泡溃灭时不但在空泡内部产生脉冲高温，而且会在空泡内部产生脉冲高压，并向周围的水中释放冲击波[10]。空泡内部产生的脉冲高压属于气体压力，不会与RDX颗粒物接触，即对RDX不会产生直接作用，因此，RDX颗粒受到的影响主要来自于空泡溃灭向周围水环境释放的冲击波。

RDX是结构均匀的单质炸药。冲击波进入这种均质炸药后，波阵面首先受到冲击的一层炸药整体被加热，激发爆轰化学反应，形成超高速爆轰波，当超速爆轰波追上初始的入射冲击波后会在未受冲击的炸药中发展成稳定的爆轰。在水环境中对RDX颗粒进行超声洗涤，考虑空化局部高压对RDX安全性的影响，关键在于空泡溃灭后产生的冲击波强度及其衰减特性，以及RDX 表面被加热的程度。

对不同声压驱动下气泡半径随时间变化进行模拟计算，结果如图4所示。

图4 不同声压驱动下空泡半径随时间的变化图Fig.4 Curves of change in the radius of cavitation bubble with time at different acoustic pressure

由图4可看出，声压很小时，空泡的半径变化很小，空泡只进行微弱的振动，此时空泡近似于气泡。随着声压的提高，空泡径向振动的幅度加大，直至出现空泡迅速坍缩和溃灭现象，并且，随着声压的提高，溃灭阶段半径变化曲线越来越陡，表明在初始半径、初始温度、水质等条件相同的情况下，空泡半径越大，其溃灭所产生的冲击波越强。因此，只需要考虑大尺寸空泡溃灭所产生冲击波的安全性即可。虽然在超声清洗中，毫米级空泡并不鲜见，但这是由于液体中存在微泡，以此作为气泡的初始半径很大，而这种气泡虽然尺寸较大但溃灭产生的冲击波很弱。实际上，超声波清洗的频率一般在20～40kHz，周期很短，若不考虑存在初始半径，空泡并没有足够的时间长大，所以空泡半径通常在微米级。即使不考虑初始半径的影响，假设毫米级空泡存在且溃灭后在空泡内部产生了极高的脉冲压力，并在周围液体介质中产生了冲击波，但这种冲击波和空气中形成的冲击波有很大不同。当冲击波在空气中起爆RDX时，由于冲击波在空气中衰减慢，而且空气比热很小，是热的不良导体，所以空气温升很快。冲击波在水中传播时，是以冲击波半径平方分之一的形式迅速衰减，一般只能传播几微米的距离，而且由于水的比热很大，冲击波与RDX颗粒撞击后颗粒表面不会聚集能量，即使产生热量也会迅速被水吸收。

2.3 空化能量对RDX安全性的影响

空泡从超声波中捕获能量，不断发生涨缩运动。空泡溃灭到最小体积时将部分能量释放出去，这些能量最终都被耗散成热能，引起介质温度升高。所以，也可以从能量角度考虑超声波清洗RDX的安全性。

RDX最小引燃能量约为3.0mJ[11]。吴强等[12]研究了不同频率下环境压力变化对空泡溃灭过程能量释放的影响，结果表明，在一个大气压下，100～25kHz频率的超声波所产生的空泡溃灭能量为0.2～8.0μJ。尽管理论计算的空泡溃灭能量比RDX的最小引燃能量小几个数量级，由于黏滞性、气体可压缩性、传热传质等因素的影响，实际上释放的能量更小。这些能量在短时间内一部分以热量的形式存在，引起空泡内部的气体温度升高，一部分以机械能的形式存在，如空泡内部的脉冲高压以及在周边液体中释放冲击波，还有一部分能量以声能、光能、动能(比如微射流、微声流)等形式存在，而这部分能量所占比例较小。这些能量并非完全释放出去，有相当一部分在空泡回弹阶段被再次利用，与吸收的超声波能量再次作用于下一次溃灭。所有能量最终都将耗散成低品位的热能，引起水温升高。水的比热约为4.18×103kJ/kg，如果使用500W的超声波发生器，在体积50L的反应釜中工作30min，温度只升高8℃，则在反应设备中加入一个普通的散热装置即可满足安全温度的要求。

3 结 论

(1)尽管空泡溃灭后在空泡内部所产生的脉冲温度极高，但是并不满足起爆条件，因此空化局部高温不影响RDX的安全性。

(2)空泡溃灭后在空泡内部所产生的脉冲压力极高，但冲击波一般只能传播几微米的距离，且热量也会迅速被水吸收，并不影响RDX在水中的安全性。

(3)空泡溃灭能量很小，不满足引燃RDX所需的最小能量，利用超声空化清洗RDX颗粒是安全的。

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Numerical Simulation and Safety Evaluation of Ultrasonic Washing for RDX

JIANG Yun-yun1，WU Peng-fei2，BAI Li-rong3，HAN Bo1，WANG Jin-bo1，BAI Li-xin2

(1.China Wuzhou Engineering Group Corporation Ltd.,Beijing 100053,China;2.Institute of Acoustics,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100190,China;3.Shandong Institute of Coal Technology,Zibo Shandong 255120,China)

A numerical simulation model for the collapse of cavitation bubble in the process of RDX ultrasonic washing was established and theoretical analysis was performed from the microscopic point of view.Some potential initiation risks of bubble collapse such as high temperature,shock wave and instantaneous energy release were studied.The results show that the existence space of the bubble is small and the lived time is very short(10-9s magnitude).In the collapse process of bubble,the pulse temperature is high but does not meet the initiation conditions; though the pulse pressure is high,the shock wave decays rapidly in water,and the heat will be quickly absorbed by water; the bubble collapse energy obtained by theoretical calculation is several orders of magnitude smaller than the minimum ignition energy of RDX.The ultrasonic washing technology used to clean RDX particles is safe.

RDX; ultrasonic washing; cavitation; safety;numerical simulation

10.14077/j.issn.1007-7812.2017.01.009

2016-03-24；

2016-05-31

基础产品创新火炸药专项

蒋云芸(1984-)，女，博士，从事含能材料研究。E-mail: 2662@wuzhou.com.cn

TJ55;TQ564

A

1007-7812(2017)01-0045-04