DNAN基熔铸炸药在不同升温速率下的热烤燃研究*

曾 稼,智小琦,郝春杰,于永利

(1 中北大学地下目标毁伤技术国防重点学科实验室,太原 030051;2 晋西工业集团有限责任公司,太原 030027; 3 吉林江机特种工业有限公司,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,安全性优于TNT的新型熔铸炸药。它能与AP相容,在配方设计中可以通过AP改善氧平衡以提高能量,是目前不敏感熔铸炸药的代表。纯DNAN的熔点为95 ℃[1],略微偏高,但它可与其他炸药形成低共熔物使熔点降低。对DNAN及其混合炸药进行热烤研究,可以对其热安全性有更全面的了解,这对该炸药在热环境中的安全使用具有重要意义。

2002年,McCallen[2]等对TNT慢速烤燃实验进行了研究,发现液态TNT的对流传热对炸药内部温度变化有显著的影响。2009年,王红星[3]等对DNAN的热安全性进行了研究,得到其自发火温度、热爆炸延滞期和热爆炸临界温度,并与传统熔铸载体炸药TNT进行了对比。罗一鸣[4]等研究了DNAN的凝固过程并与TNT做了对比。结果表明,DNAN的凝固行为不同于TNT,不是逐层凝固,而属于中间凝固,为DNAN的凝固行为和凝固缺陷的生成机制提供了参考。2009年,陈朗[5]等以TNT为研究对象,根据已有的TNT炸药烤燃实验,对不同加热速率下TNT炸药的烤燃过程进行了数值模拟计算。结果表明,炸药相变对炸药点火温度、点火时间和点火位置都有影响。目前,国内外对DNAN物理化学性质的研究已经较多,DNAN自身热特性的研究也有报导,但对DNAN基混合炸药热烤试验的研究却极少。

文中在前人研究的基础上,利用自行设计的烤燃试验装置,采用多点测温的试验方法,对该炸药在3.3 K/h、1 K/min、2 K/min三种升温速率下进行了烤燃试验。在此基础上,建立烤燃弹的三维热响应计算模型,考虑了重力作用、炸药的相变、液态炸药的热对流,对不同升温速率下的炸药的烤燃过程进行数值模拟。分析不同热刺激强度下DNAN基熔铸混合炸药的热响应规律,为全面了解熔铸混合炸药的热安全性能提供参考。

1 实验

1.1 实验装置及材料

烤燃实验装置主要由计算机、MR13温控仪(调节精度0.1℃)、烤燃炉、烤燃弹及镍镉/镍硅热电偶(1级精度)组成。温控仪通过热电偶对温度自动进行采样和控制。利用自行设计的SFO计算机软件实时采集烤燃实验过程中温度-时间历程曲线。

实验用烤燃弹由壳体、药柱和上下端盖3部分组成,端盖与壳体之间用螺纹连接,壳体材料为45#钢,内腔尺寸分别为Φ30mm×60mm壁厚3mm、端盖厚3mm。烤燃弹药柱为DNAN基混合炸药,质量配方为31.6%的DNAN、25%的Al、41%的RDX和2.4%的添加剂。药柱尺寸为Φ30mm×60mm,药柱密度为1.80g/cm3,采用铸装工艺。烤燃弹实物图如图1。

1.2 实验方法

为了解炸药内部各部分的温度变化情况,每发烤燃弹在烤燃过程中用2支热电偶监测外壁和药柱内部的温度变化情况。其中监测点1为烤燃弹外壁圆柱部中点的温度(T1);监测点2为药柱几何中心的温度(T2)。实验时,通过温控仪控制加热炉以确定的升温速率对烤燃弹进行加热,记录测点温度以及炸药响应时壳体的变形情况,用来判断炸药的响应结果。

1.3 实验结果与讨论

表1为三种升温速率下的烤燃实验结果。由表1可以发现,随着升温速率的增大,炸药发生相变时外壁的温度呈升高趋势而药柱中心温度则不断降低。可见,升温速率较大时,药柱内部温度梯度较大,靠近壳体内壁的炸药首先发生相变。而当升温速率较小时,药柱内部温度更加均匀。炸药响应时,随升温速率的增大,外壁温度逐渐升高,而药柱中心温度则呈降低趋势。3.3K/h的升温速率下,炸药发生响应时,药柱中心温度高于壳体外壁的温度;1K/min、2K/min时,则是壳体外壁温度较高,说明点火位置发生了改变。

表1 烤燃实验结果

图2为三种升温速率下烤燃弹反应后的状态。从图2可以看出,0.055 K/min时,壳体炸成较大块的碎片,为爆炸反应;1 K/min和2 K/min时,壳体两端端盖都被冲开并且发生了明显变形,而圆柱部无明显变形,为燃烧反应。但1 K/min时,弹体两端端盖发生的变形较大,可见,1 K/min升温速率下,炸药的响应较2 K/min时剧烈。

图3是两个监测点的温度随时间的变化曲线。由图3可以看到,由于炸药相变吸热,曲线出现吸热峰,由吸热峰处的曲线可以看出,炸药发生相变后,药柱中心温度在一小段时间内保持一定值。熔化完成后,温度出现短暂的快速上升。通过对三种升温速率下温度-时间曲线的观察对比发现,随升温速率的增大,弹体外壁与药柱中心的温差越来越大。

2 数值模拟

2.1 建立仿真模型

根据烤燃弹实物结构,建立炸药烤燃三维数值模拟计算模型。模型主要由壳体和药柱两部分组成。因为烤燃弹为轴对称结构,为简化计算,取1/2三维烤燃模型进行数值计算,忽略端部螺纹连接对计算结果的影响。计算模型网格图如图4所示。网格类型为六面体网格,网格尺寸为1mm。

2.2 计算方法

采用流体力学计算软件FLUENT对3.3K/h、0.5K/min、1K/min、2K/min、3K/min、5K/min6种升温速率下的烤燃模型进行数值模拟计算。为确定响应时药柱内部温度分布,除实验的2个监测点外,在与监测点2处于同一水平位置、距离监测点2分别为7.5mm以及药柱外表面中点处分别增加2个监测点3和4,分别用T3和T4表示。示意图如图5所示。

应用组分输运模型,混合炸药各组分质量和自热源项按照各自的比例加入到模型中,并考虑了重力以及自然对流对混合炸药热反应过程的影响。为了简化计算,对模型进行如下假设:①药柱与壳体之间无间隙;②炸药熔化后的流体为牛顿流体;③忽略材料相变的体积变化;④自热反应遵循阿伦尼乌斯定律。简化后,质量、动量、能量的输运方程[6]都可以用下面的通用形式表示:

(1)

式中:Φ是通用的变量,代表质量、动量、能量等;ρ代表流体密度,单位为kg/m3;Γ是通用的扩散系数;Xi是坐标系中x、y和z的方向;ui是速度矢量在x、y和z方向的分量;S代表炸药自热反应源项,遵循Arrhenius反应定律。

对于炸药的熔化相变,采用融化凝固模型。Fluent中的相变过程引入液相率的概念[7],它可以间接表示固液相界面的位置。液相率:

(2)

式中：TS和Tl分别表示材料的凝固温度和熔化温度,TS=Tl时,相变过程只有液相和固相之分。0<β<1时,认为相变材料处于固液糊状区,按多孔介质来处理。炸药液相率的计算基于焓的平衡来求解。

模型只考虑壳体、炸药的热传导以及炸药熔化后的热对流。考虑到炸药在实验中会发生相变,炸药的密度设置为随温度变化。同时,由于炸药的化学反应动力学参数会随反应进度而发生变化,因此,通过大量数值模拟研究，对参考文献[8-9]中DNAN和RDX的数据进行了适当修正,修正后的参数如表2、表3所示。

表2 材料物性参数

表3 材料化学反应动力学参数

2.3 仿真结果

2.3.11K/min的仿真与实验结果的对比

图6为炸药各监测点实验和计算温度-时间曲线对比。由图6可以看出,计算曲线和实验曲线可以很好的吻合,说明该反应模型以及参数可以较好地描述DNAN基熔铸混合炸药的相变以及热分解反应过程。实验的时间-温度曲线中,炸药发生响应时,会有明显的拐点,即炸药开始发生剧烈的热分解反应。在随后的仿真计算中,只要时间-温度曲线拐点出现,即可认为炸药已经发生响应。

2.3.2不同升温速率下相变的仿真结果

图7为炸药相变时的温度随升温速率的变化曲线。实验过程中,当热量由壳体向炸药内部传递时,热量最先到达药柱外壁,炸药相变首先在这里发生,因此T4可以看作炸药发生相变时的温度。由图7可以发现,随着升温速率的升高,炸药发生相变时的温度也越来越高,即DNAN的熔化存在过热现象。随着升温速率的升高,炸药晶体内部的混乱度增加、无规则运动加剧,这都导致系统能量增加,从而降低了炸药发生相变时所需的能量,使得由升温速率引起的过热现象存在动力学稳定极限温度,即随着升温速率的升高,相变温度的变化会越来越小,存在一个最高的相变温度。图7中,2K/min前,相变温度变化较大,之后,增幅逐渐减小。相变温度随升温速率的增大呈对数升高。

2.3.3不同升温速率下点火时的仿真结果

表4为不同升温速率下炸药的响应温度。由表4可见,6种升温速率下,炸药发生响应时,弹体外壁与药柱外壁的温度都随升温速率的增大呈升高趋势,而药柱中心与距药柱中心7.5mm处监测点3的温度则呈现降低趋势。由于弹体外壁温度与药柱中心温度随升温速率的变化趋势相反,随升温速率的增大,两个位置的温差也会越来越大。

表4 不同升温速率下炸药点火时测点的温度

图8为不同升温速率下炸药点火时刻的温度云图。由图可见,3.3 K/h、0.5 K/min的加热条件下,炸药的点火位置都位于药柱中心呈椭球形分布,属于慢速烤燃;1 K/min的加热条件下,点火位置在药柱中心呈杆条状分布,三种升温速率下的点火都属于炸药自热反应引起的热点火。而2 K/min的加热条件下,炸药的点火位置由药柱中心向外部移动,位于药柱两端呈对称分布;3 K/min及5 K/min时,点火位置进一步向外部移动,点火区域缩小,属于中速烤燃。炸药点火位置的变化,将会对炸药点火后的反应剧烈程度产生影响。

3 结论

1)通过烤燃实验结果可以发现,升温速率为3.3 K/h,炸药的响应结果为爆炸,升温速率为1 K/min和2 K/min时,炸药的响应结果都为燃烧,但从实验后的结果可以看见,1 K/min时,弹体变形明显较大,可见,随升温速率的增大,炸药的响应剧烈程度减弱,即弹药置于缓慢升温条件下比置于快速升温下更加危险。

2)不同升温速率下,DNAN基熔铸混合炸药发生相变时的温度是随升温速率的变化而发生改变的,3.3 K/h时,相变温度为81.2 ℃,5 K/min时,相变温度升高到106.6 ℃,并且随着升温速率的增大,炸药发生相变时的温度呈对数升高。

3)通过仿真研究结果可以发现,升温速率从3.3 K/h增大到5 K/min时,炸药发生响应时的温度从174.1 ℃升高到227.4 ℃,可见,随着升温速率的增大,炸药发生响应时的温度呈升高趋势。同时,点火位置从药柱中心移到药柱外表面,点火区域也越来越小,这使得炸药点火后的剧烈程度会越来越弱。