温压炸药爆炸性能实验与数值模拟

徐其鹏，苏健军，李芝绒，张玉磊，刘 彦，黄风雷

温压炸药爆炸性能实验与数值模拟

徐其鹏1,2，苏健军1，李芝绒1，张玉磊1，刘 彦2，黄风雷2

(1. 西安近代化学研究所，陕西 西安，710065；2. 北京理工大学 爆炸科学与技术国家重点实验室，北京，100081)

设计了一种5kg级HMX基温压炸药，并与等质量的TNT炸药进行了自由场静爆试验对比研究。冲击波数据显示，温压炸药相比TNT炸药，最大处Δ和分别提高了53.6%和35.6%；红外测温和高速摄像显示，温压炸药相比TNT，高温作用的时间更长，火球尺寸更大。另外用Autody2D软件对温压炸药的爆炸性能进行了数值模拟，结果与实验值符合较好，可以为后续温压炸药的研究提供参考。

温压炸药；冲击波；火球；数值模拟

温压炸药（TBX）具有较强的冲击波和热综合杀伤能力，特别适合于攻击地下工事、建筑物、舰船等大型结构目标及其约束空间内的有生目标和军事装备[1]，故温压炸药受到越来越多学者的关注。Danica[2-3]等研究了HMX基温压炸药中不同粘结剂和氧化剂配比对爆炸冲击波参数的影响；Lotfi[4-5]等实验研究了不同RDX基温压炸药配方在有限空间内爆炸对火球温度及冲击波数据的影响；黄菊[6]等对一种RDX基温压炸药的能量输出结构进行了研究；李秀丽[7]等对TBE-1温压炸药的爆炸温度进行了研究。本文在前人的基础上，设计了等质量的5kg级温压炸药和TNT炸药，进行静态自由场爆炸试验，对获得的冲击波数据、爆炸火球温度、尺寸数据进行了分析比较，并利用AUTODYN显式动力学有限元程序对两种炸药进行数值模拟，为后续温压炸药的研究提供参考。

1 试验部分

1.1 材料和仪器

TBX和TNT炸药均为装药质量为5kg的圆柱体裸装药，两者的装药密度分别为1.85g/cm3和1.63 g/cm3。冲击波数据采用PCB公司211B型压电式石英传感器采集（量程范围0~1.5MPa）；数据采集仪选用Genesis986A05151型；高速摄影和红外测温分别选择Phantom V7.3和SC3000型。

1.2 试验方法

试验时，将被试样品竖直放置于木制弹架上，药柱中心距地面1.5m，传爆药柱为质量100g的JH-14药柱，采用8#雷管上端面起爆方式起爆。距爆心一定距离，成60℃布设2排地面压力传感器，每排具有9个压力测点，测试药柱爆炸后的冲击波威力参量。实验布局示意图见图1，测点距爆心距离见表1，2排压力传感器距爆心距离一致，传感器表面与地面平齐。

图1 实验布局示意图

表1 测点距爆心位置

Tab.1 The position of the measuring points

2 数值模拟

2.1 数值计算模型

炸药为圆柱体装药，为加快求解速度，可以简化为二维平面结构，并建立二分之一模型。由于实验中最远测点为12.8m，空气域较大。因此，取前6个测点间的空间进行模拟，并且在炸药附近建立小的空气域，模型尺寸为900mm×1 500mm，网格尺寸为2mm，之后再建立一个大空气域，模型尺寸为7 400mm×5 600mm，网格尺寸为10mm。待爆轰物质将要在小空气域内溢出时，映射到大空气域内，很好地解决网格数量过大、计算较慢现象。地面设为刚性地面，其它为流出边界，计算模型见图2。

2.2 材料模型及参数

由于温压炸药为非理想均质炸药，JWL方程不能完全描述温压炸药的爆炸特点，本文利用软件中自带的Additional Energy命令在炸药起爆后的一段时间内向爆轰物质中添加燃烧能量进行解决，该方法将铝粉燃烧释放的能量进行等效，近似认为能量均匀释放。试验证实，铝粉完全反应的时间一般在50~200µs之间，铝粉燃烧的平均释放热量为5 030kJ/kg，此方法能很好地弥补JWL状态方程缺少的铝粉后燃烧项[8-9]。

图2 模拟用的几何模型

JWL状态方程如下：

式（1）中：为爆轰产物压力；为比容；为内能；、、1、2及为JWL状态方程的参数。

对该TBX炸药的圆筒实验进行数值模拟，在解析求解所得参数的基础上，通过对JWL状态方程参数反复调整和计算，最终使计算得到的圆筒管壁膨胀距离与时间的曲线与实验结果的误差小于1%，得到该TBX温压炸药爆轰产物JWL状态方程参数，TNT炸药采用软件自带的模型参数[10]。模型参数见表2。

表2 JWL状态方程参数

Tab.2 Parameters of JWL state equation

空气近视为理想气体状态：

=(-1)（2）

式（2）中：为多方指数，取1.4；为气体密度；为比内能，取2.068×105µJ/mg。

3 结果与讨论

3.1 冲击波数据

地面压力传感器测到的电压峰值Δ，由式（3）转换成冲击波反射压超压峰值Δ，由式（4）计算出冲量，对同一测点的冲击波数据，取平均值作为最终结果，数据列于表3。

式（3）~（4）中：为传感器的灵敏度，V/Pa；0为正压起始时刻，s；1为正压终止时刻，s；Δ为各时刻对应的超压值，Pa。

表3 TNT和TBX冲击波超压和冲量试验值

Tab.3 Experimental values of shock wave overpressure and impulse for TNT and TBX

图3（a）~（b）分别为TNT炸药和温压炸药冲击波超压模拟值和试验值的对比，试验偏差均在20%以内，说明该数值方法可以用于对温压炸药爆炸冲击波试验前的探索研究。

图3 冲击波超压模拟值与试验值对比

图4展示了该温压炸药和TNT在触发后冲击波云图随时间的变化。可以看出，温压炸药的冲击波在9.85ms传到尺寸边界，相比TNT炸药的11.2ms，传播速度更快，并且温压炸药冲击波云化地更快，球面效果更好。

图4 TNT和TBX超压云图随时间的变化

将表3中冲击波峰值超压Δ和冲量与爆心距离之间的关系作图，见图5，可以看出，在近场附近，TBX和TNT炸药的冲击波峰值超压Δ和冲量的差别较大，在最大处，相比TNT炸药，Δ和分别提高了53.6%和35.6%。但在远场，两者的冲击波数据相差较小，这是由于冲击波是近似球面波，在传播的过程逐渐云化并迅速衰减的缘故。另外，在冲击波超压的测试范围内，TNT爆炸的Δ——曲线、——曲线与温压炸药爆炸的冲击波数据——距离曲线变化趋势相似，符合爆炸相似律。TNT炸药峰值超压和对比距离的关系可由式（5）描述，对TNT和TBX的冲击波峰值超压与对比距离进行拟合，得出式（6）和式（7）。

图5 TNT和TBX超压和冲量实验值对比

相关系数分别为99.92%和99.86%，这为对比距离在1.51~7.08之间该类TBX的峰值超压提供了计算公式。

3.2 红外测温及高速摄像

红外测温仪是通过测到物体的表面亮度，再由式（8）求出物体的表面温度[11]。红外测温仪的采样频率为50Hz，从触发后，采集第1张图片，将高于1 000 ℃的点列于表4。

=()4/π （8）

式（8）中：为物体的亮度，W/m2；()为物体的全发射率，对于炸药爆炸其值范围为0.35~0.60，取0.45；为斯蒂芬-玻尔兹曼常数，5.67×10-8W/（m2K4）；为物体的绝对温度，K。

表4 温度数据

Tab.4 Temperature data

从表4中可以看出，温压炸药高于2 000℃的持续时间为140ms，而TNT炸药仅有20ms；高于1 500℃温压炸药的持续时间为260ms，而TNT炸药只有120ms。温压炸药相比TNT，高温作用（大于2 000℃）的时间更长。将触发后两种炸药火球温度随时间的变化作图，见图6。

图6 炸药温度变化曲线

从图6可以看出，该TBX比TNT炸药初始的爆轰温度高，而且温度上升快，这从高速摄影图像中也能看出。爆心附近温度达到最高值后，开始减慢，但TBX相比TNT炸药，温度衰减地更慢，符合温压炸药Al粉燃烧对热值贡献的增加。图7是两种炸药在爆轰后100ms内，由高速摄像记录的火球变化图像。

图7 100ms前TNT和TBX的火球尺寸变化

炸药爆炸后，爆炸火球呈扁平状由爆心向周围膨胀，在反射冲击波和气流的作用下，火球形状从0.06s之后开始上漂变形。TBX火球形状较TNT扁平，且体积大于TNT火球，TNT和温压炸药火球温度场都呈现中心温度高、周围温度低的总体趋势，但温压炸药火球高温区域面积占比大，内部分散着多个较高温度区域。随着时间的发展，TBX的火球尺寸不断增大，但高温持续更长时间。

4 结论

（1）在自由场试验中，HMX基温压炸药相比TNT炸药，在最大处Δ和分别提高了53.6%和35.6%；红外测温和高速摄像显示，温压炸药高于2 000℃的持续时间为140ms，而TNT炸药仅有20ms；，温压炸药高于1 500℃的持续时间有260ms，而TNT炸药只有120ms，相比TNT，温压炸药高温作用的时间更长，火球尺寸更大。（2）建立二分之一模型，用Autodyn2D软件对温压炸药爆炸性能进行数值模拟，为了加快计算速率，在炸药附近建立小空气域再映射到大空气域中。模拟值与实验值的误差在20%以内，可以作为实验前对温压炸药爆炸特性的初步估算。

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Experimental and Numerical Simulation of Explosion Properties of Thermobaric Explosive

XU Qi-peng1,2，SU Jian-jun1，LI Zhi-rong1，ZHANG Yu-lei1，LIU Yan2，HUANG Feng-lei2

（1. Xi’an Modern Chemistry Research Institute, Xi’an, 710065；2. State Key Laboratory of Explosion Science and Technology, Beijing Institute of Technology, Beijing, 100081）

Equal quantity HMX base TBX and TNT explosive of 5kg charge mass were initiated in the static free field, the shock wave effect and heat effect data of the two explosives were obtained. Results show that, the overpressure Δand impulseof TBX have significantly promoted compared to TNT, in the largest position, the increments were 53.6% and 35.6%, respectively. Meanwhile, the explosion fireball temperature and dimension of TBX are much higher and greater than that of TNT. The explosive performance of TBX was simulated by using Autodyn2D software, the results are in good agreement with the experimental data.

Thermobaric；Shock wave；Fireball；Simulation

TQ564

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2019.05.010

1003-1480（2019）05-0038-04

2019-08-15

徐其鹏（1989 -），男，博士研究生，主要从事爆炸与冲击相关研究。

国家安全重大基础研究项目。