聚奥-9C装药的引信传爆管快速烤燃实验及数值模拟

唐 鑫，袁俊明，刘玉存，彭 帅，李 硕

(中北大学化工与环境学院，山西 太原 030051)

聚奥-9C装药的引信传爆管快速烤燃实验及数值模拟

唐 鑫，袁俊明，刘玉存，彭 帅，李 硕

(中北大学化工与环境学院，山西 太原 030051)

为研究引信传爆管在快速烤燃作用下的热响应规律，对考虑导爆药柱作用的聚奥-9C(JO-9C)装药的引信传爆管进行了快速烤燃实验。利用Fluent对引信传爆管在60 K/min升温速率下快速烤燃过程的热响应规律进行了数值模拟，并与烤燃实验结果进行了对比验证，标定了JO-9C的活化能与指前因子，分别为1.69×105J/mol与2.1×1015s-1。基于引信传爆管的快速烤燃实验和模型参数，对15、35、75 K/min三种不同升温速率下引信传爆管的快速烤燃过程进行了数值模拟，结果表明：在引信传爆管点火时，传爆药柱先发生热反应，引起导爆药柱发生爆燃；在不同的升温速率下，点火位置均在传爆药柱边角；随着升温速率的增加，点火时传爆药柱边角处温度增加。

引信传爆管； 热分解动力学； 快速烤燃实验； 数值模拟

安全性是引信系统的一个重要研究内容，其中传爆药的热安全性是保证引信系统安全的关键。对于传爆药的快速烤燃特性，目前国内外主要是通过烤燃实验与数值模拟来进行分析。文献[1-4]作者通过对烤燃实验过程进行分步数值模拟，分析了RDX基混合炸药和B炸药等常用炸药在热作用下的响应规律；安强等[5]研究了装药密度对钝化黑索今快速烤燃特性的影响；GROSS等[6]研究了药柱约束对准确模拟炸药快速烤燃过程的影响；张旭等[7]通过快速烤燃实验与数值模拟研究了带约束钢壳的TATB基PBX固体推进剂在较大热通量作用下的点火时间；徐双培等[8]研究了壳体密封性对炸药快速烤燃响应规律的影响；孙培培等[9]研究了不同壳体直径与不同壳体约束对炸药快速烤燃响应的影响。以上研究主要侧重于炸药在快速烤燃作用下的热响应规律，对实际装药结构下的引信传爆装置在快速升温速率下的反应特性研究较少。为此，笔者对聚奥-9C(JO-9C)装药的引信传爆管进行快速烤燃实验与数值模拟，并考虑导爆药柱作用。通过对比实验与数值模拟结果进行验证，并对引信传爆管在不同快速升温速率下的加热过程进行数值模拟，分析其在快速烤燃条件下的热响应规律。

1 烤燃实验

基于中口径榴弹的引信结构，对传爆管进行结构简化[10-11]，并考虑导爆药柱作用，对其进行加热速率为60 K/min小尺寸快速烤燃实验，实验装置如图1所示。其中：铝套筒内径为Φ22 mm×72 mm；钢套筒内径为Φ16 mm×64 mm；导爆药柱尺寸为Φ5 mm×6 mm；传爆药柱尺寸为Φ15 mm×12 mm。导爆药柱与传爆管所用传爆药JO-9C炸药配方为95%HMX、5%氟橡胶，药柱平均密度为1.70 g/cm3。

图1 烤燃实验装置

为使传爆管与导爆药柱位于烤燃装置的中心，确保热传感器与传爆管中部对齐，在其上下两端设计了2个钢柱，这样还可减少空气域的传热影响，降低空气对流带来的实验误差。烤燃装置结构如图2所示。

图2 烤燃装置结构

2 数值模拟

药柱的热反应及热传导遵循Frank-Kamenetskii方程[12]：

(1)

式中：ρ为反应物的密度;cV为反应物的比热容;λ为热导率；S为炸药反应源项。

在柱坐标系(r,φ,z)下，温度场的控制方程可表示为

(2)

其中S用Arrhenius方程[13]表示为

(3)

式中：a为反应物的反应分数；Q为反应物的反应热；A为指前因子；E为活化能；R为气体常数。

图3为烤燃装置有限元模型，图4为温度监测点分布。表1为JO-9C反应动力学参数，表2为计算模型材料参数，其中JO-9C的比热容与热导率以及反应动力学参数源于文献[14-15]。

图3 有限元模型

图4 温度监测点分布

传爆药活化能/(J·mol-1)指前因子/s-1反应热/(J·kg-1)JO-9C1.69×1052.1×10153.2×103

表2 计算模型材料参数

3 结果与讨论

3.1 烤燃实验结果分析

烤燃装置初始温度为300 K，加热速率为60 K/min，加热前期，导爆药柱与传爆管内部温度积累主要靠外部加热装置，加热累积。随着温度的增加，当温度达到JO-9C的自反应放热温度553 K时，JO-9C开始分解放热，直至爆炸，图5为烤燃实验碎片。爆炸时间为288 s，爆炸时壳体温度为576.9 K。

图5 烤燃实验碎片

从图5可以看出:烤燃装置的加热体约束断裂变形，铝质、钢质约束套筒变形小且整体完好无损，外约束上盖有变形，呈鼓包状，4根钢质约束柱拧螺帽处变形；导爆药柱管壳底部完全击穿，且出现由下向上击穿变形的痕迹，导爆药柱的约束管壳基本完好，内有反应灼烧痕迹，因此导爆药柱被引爆后为爆燃状态；传爆管壳基本完好，但底部破裂，与之接触的下钢柱变形不明显，说明传爆药柱发生了爆燃现象，上钢柱底部有明显内凹形变，说明传爆药柱的爆燃波经管壳衰减后使导爆药柱发生爆燃。

综上所述，在烤燃装置点火响应时，在传爆药柱内部点火，爆燃波从传爆药柱向导爆药柱传播，并使其发生爆燃。

3.2 烤燃实验与数值模拟对比

基于文献[15]中活化能与指前因子，当JO-9C的活化能为1.69×105J/mol，指前因子为2.1×1015s-1时，烤燃实验与数值模拟得到的壳体温度-时间曲线基本吻合，如图6所示。实验结果与数值模拟结果对比如表3所示。

图6 实验与数值模拟壳体温度-时间曲线对比

参数实验结果数值模拟结果误差/%点火时间/s2882735.3壳体温度/K576.9550.14.6

由表3可知：数值模拟结果与实验结果之间的误差很小，表明数值模拟结果准确可用。因此，JO-9C的活化能1.69×105J/mol与指前因子2.1×1015s-1可用于快速烤燃数值模拟。

3.3 不同升温速率下数值模拟结果分析

基于烤燃模型和确定的JO-9C热分解参数，在不同升温速率(15、35、60、75 K/min)下进行快速烤燃数值模拟。图7为升温速率为60 K/min时不同测温点的数值模拟温度-时间曲线。可以看出：传爆药柱比导爆药柱距离热源近，热量首先传递到传爆药柱边角，使传爆药柱边角比导爆药柱边角温度先上升；在260 s时，传爆药柱边角先达到自反应放热温度553 K，自分解反应放出的热量开始积累，各个点的斜率开始发生变化；在273 s时，传爆药柱中心点附近温度最高，达到点火温度572.4 K，发生爆炸，此时，导爆药柱边角温度为543.9 K，还未达到自反应放热温度。

图7 升温速率为60 K/min时不同测温点的数值模拟温度-时间曲线

图8为升温速率为60 K/min时不同时刻的温度分布。可以看出：在140 s和210 s时，只受外源温度加热作用，温度梯度明显，JO-9C还未发生热分解，热量向内部传递，传爆管温度比周围温度低，其中传爆药柱中心点附近温度最低；在270 s时，传爆药柱边角开始放热，热量急剧增加；在273 s时，炸药高温区域集中在传爆药柱边角，这一区域为炸药点火区域，点火时温度为572.4 K。

图8 升温速率为60 K/min时不同时刻的温度分布

表4为不同升温速率下的热响应结果。可以看出：随着快速烤燃升温速率的增加，点火时间逐渐缩短，铝壳体、导爆药柱边角、传爆药柱边角的温度逐渐增加；在4种升温速率下，传爆药柱边角处积累的热量最多，温度最高；在升温速率由15 K/min上升至75 K/min的过程中，导爆药柱边角温度最高为547.1 K，最低为527.6 K，均未达到JO-9C自反应放热温度553 K。在4种升温速率下，快速烤燃的点火位置都在传爆药柱边角，点火时温度分布如图9所示。

表4 不同升温速率下的热响应结果

图9 不同升温速率下点火时温度分布

4 结论

笔者利用Fluent软件对引信传爆管在快速升温速率下烤燃过程的热响应规律进行了数值模拟，并通过快速烤燃实验进行了对比验证，结果表明：数值模拟结果与烤燃实验结果基本吻合。数值模拟中用到的模型与参数可用于引信的快速烤燃数值模拟，能提高引信的热安全性研究效率并降低成本。然而，本文中炸药的热反应没有考虑相变过程，没有分步模拟炸药相变过程的反应规律，因此下一阶段的烤燃热响应特性研究应考虑炸药的相变过程。

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(责任编辑: 尚彩娟)

Fast Cook-off Test and Numerical Simulation of JO-9C Charge of Fuse Booster

TANG-Xin,YUAN Jun-ming,LIU Yu-cun,PENG Shuai,LI Shuo

(College of Chemical Engineering and Environment,North University of China,Taiyuan 030051,China)

To study the thermal response law of fuse booster under fast cook-off action,the fast cook-off test of JO-9C charge of fuse booster is conducted under the action of detonating explosives.The thermal responses of the fast cook-off model are calculated by the finite element program Fluent at the heating rate of 60 K/min.The simulation results are verified by experiments.In addition,the decomposition activation energies and the frequency factor of the reaction of JO-9C are determined to be 1.69×105J/mol and 2.1×1015s-1respectively.Based on the fast cook-off test and the model parameters,the calculations are conducted to simulate the fast cook-off tests at three different heating rates: 15,35 and 75 K/min.The results show that when the fuse booster is ignited,the thermal reaction of booster charge results in the explosion of detonating explosive; the ignition location is all on the corner of the booster charge at different heating rates; the temperature of the corner of the booster charge will rise with the increase of the heating rate.

fuse booster; thermal decomposition kinetics; fast cook-off test; numerical simulation

1672-1497(2017)01-0061-05

2016-11-16

中物院安全弹药研发中心开放基金资助项目(RMC2014B03)

唐 鑫(1991-)，男，硕士研究生。

TJ430.6+3

A

10.3969/j.issn.1672-1497.2017.01.013