非理想炸藥爆炸熱作用的實(shí)驗(yàn)研究

姬建榮,蘇健軍,劉艷萍,嚴(yán)家佳,王國慶

(西安近代化學(xué)研究所,陜西 西安 710065)

引 言

一些非理想炸藥如溫壓炸藥、含鋁炸藥,以沖擊波和高溫氣流為殺傷的主要手段,爆炸后的高溫高壓氣體產(chǎn)生劇烈的熱毀傷效應(yīng),實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的毀傷[1]。此類炸藥多數(shù)含有金屬粉和氧化劑,在膨脹區(qū)內(nèi)有顯著的化學(xué)反應(yīng),爆轟過程不符合C-J理論和定常爆轟波模型,一般稱之為“非理想爆轟”[2]。理論上一般采用 ZND模型進(jìn)行分析,但爆轟波結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性使得狀態(tài)方程難以獲得,爆炸產(chǎn)物流場內(nèi)存在強(qiáng)烈的熱力耦合作用,對于熱毀傷效應(yīng)目前主要采用實(shí)驗(yàn)方法來研究。

光學(xué)測試容易受到煙塵氣體的干擾,且測得的多為火球表面溫度,火球內(nèi)部溫度較難獲得。同時爆炸產(chǎn)物對目標(biāo)的熱作用是一個非穩(wěn)態(tài)傳熱過程,受眾多因素的影響,其測量一直是各國難題,熱電偶技術(shù)的迅速發(fā)展為研究爆炸熱毀傷作用提供了可能。國外測試炸藥爆炸熱毀傷性能主要采用的是光學(xué)測試與電測試相結(jié)合的辦法,但由于技術(shù)保密,熱電偶制造工藝與測試過程未見公開報(bào)道[3-4]。

本研究制作了WRe5/26熱電偶溫度傳感器,并將其作為效應(yīng)物置于爆炸場內(nèi),采用接觸測溫法對幾種炸藥進(jìn)行熱響應(yīng)溫度測試,獲得了爆炸產(chǎn)物對目標(biāo)熱作用的變化曲線。

1 試驗(yàn)部分

1.1 WRe5/26熱電偶傳感器的研制

為研究非理想炸藥爆炸熱作用,根據(jù)爆炸產(chǎn)物的特點(diǎn)及其溫度范圍,選取能承受強(qiáng)震和熱沖擊等惡劣條件,且靈敏度高、穩(wěn)定性好的WRe5/26熱電偶[5-6],其測量溫度可達(dá)+ 2330℃。

為了減小動態(tài)響應(yīng)誤差,盡可能減小時間常數(shù),同時保證爆炸瞬態(tài)強(qiáng)沖擊波作用下的機(jī)械強(qiáng)度,經(jīng)多次試驗(yàn),采用Ф0.2mm的WRe5/26熱電偶絲,加工時盡可能把熱電偶結(jié)點(diǎn)做得足夠小。

為了讓熱電偶結(jié)點(diǎn)與爆炸產(chǎn)物接觸充分,設(shè)計(jì)的熱電偶結(jié)點(diǎn)距端面的距離約4mm。為防止熱電勢損耗和高溫氣體滲入內(nèi)部熱電極造成參考端溫度變化,同時要求密封體有足夠的強(qiáng)度和剛度,選用耐高溫陶瓷管作為絕緣材料,磷酸和氧化銅粉末配制成的密封膠密封測量端面。實(shí)驗(yàn)前,傳感器用標(biāo)準(zhǔn)鉑銠10-鉑熱電偶作靜態(tài)標(biāo)定,最大誤差為+5.4℃。其結(jié)構(gòu)如圖 1所示。

圖 1 WRe5/26熱電偶傳感器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of WRe5/26 thermocouple transducer structure

1.2 試驗(yàn)布置及測試配置

選取幾種含鋁溫壓炸藥,研究效應(yīng)物(熱電偶)對爆炸產(chǎn)物的響應(yīng)溫度在同一方向上沿爆心不同位置的分布變化衰減規(guī)律,并比較同一距離處響應(yīng)溫度之間的差異。分別在距離爆心 1.0、1.2、1.4、1.6、1.8m處布置傳感器,且在距爆心 1.6m處沿主線間隔 45°角方向另置兩個傳感器,炸高1.5m。為防止沖擊波超壓的橫向破壞,傳感器朝向爆心且與爆心等高。記錄設(shè)備為奧地利 DEWE-5000數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),采樣時間2.5s,采樣頻率100k Hz。觸發(fā)設(shè)置為外觸發(fā),負(fù)延時設(shè)置 50ms。

1.3 炸藥配方

選用 RDX和 TNT基含鋁溫壓炸藥,添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%或20%的鋁粉,裝藥長徑比約為1∶1,裝藥量為 1kg,密度約 1.88g/cm3,進(jìn)行 5發(fā)試驗(yàn),溫壓炸藥配方見表 1。

表1 溫壓炸藥配方Table 1 Formulation of test samples

2 結(jié)果與討論

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

熱電偶傳感器產(chǎn)生的溫度信號通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集,然后根據(jù)分度表進(jìn)行轉(zhuǎn)換,得到溫度值 T。根據(jù)傳感器結(jié)構(gòu)和測得的溫度值,計(jì)算傳入傳感器的熱流密度值q。實(shí)驗(yàn)測得的最大溫度值和熱流密度見表 2,距爆心 1.6m不同角度處的最高響應(yīng)溫度和最大熱流密度見表 3。

表 2 不同距離處效應(yīng)物對爆炸產(chǎn)物的最高響應(yīng)溫度值和最大熱流密度值Table 2 The maximum response temperature and the maximum heat flux density of analogue to explosive products in different distances

表 3 相同距離處效應(yīng)物對爆炸產(chǎn)物的最高響應(yīng)溫度值和最大熱流密度Table 3 The maximum response temperature and heat flux density of the analogue to explosive products in same distance

2.2 對流換熱系數(shù)對效應(yīng)物表面溫度的影響

當(dāng)熱電偶置于爆炸場中,設(shè)其結(jié)點(diǎn)體積為V,表面積為S,密度和熱容分別為d和c,具有均勻的初始溫度T0。在初始時刻,爆炸產(chǎn)物溫度突然上升到T f,且T f＞T0,設(shè)效應(yīng)物與爆炸產(chǎn)物間的對流換熱系數(shù)h及效應(yīng)物的熱物性參數(shù)保持不變,分析效應(yīng)物表面溫度隨時間的變化關(guān)系。

效應(yīng)物的內(nèi)部熱阻相比表面換熱熱阻可以忽略,由集總參數(shù)法分析[7],認(rèn)為溫度只與時間有關(guān)而與坐標(biāo)無關(guān),效應(yīng)物與爆炸產(chǎn)物流界面上發(fā)生熱交換的熱量全部用來加熱熱電偶結(jié)點(diǎn),記θ(t)=T f-T,則:

初始條件為θ(0)=Tf-T0,解微分方程:

得到:

由上公式看出,效應(yīng)物的表面溫度與效應(yīng)物的初始溫度和爆炸產(chǎn)物溫度相關(guān),分析時取指數(shù)模型處理。對于上述給定材料,初始溫度 T0遠(yuǎn)小于爆炸產(chǎn)物溫度,將其忽略,則效應(yīng)物的表面溫度與換熱系數(shù)h有很大關(guān)系,將公式(3)做變換,得到:

取WRe5/26熱電偶熱物性參數(shù),當(dāng)其與爆炸產(chǎn)物間的對流換熱系數(shù)h分別為 10000、8000、6000時,由公式(4)表示的曲線如圖2所示。從圖 2看出,h越大,效應(yīng)物表面溫度接近爆炸產(chǎn)物溫度的程度越快。據(jù)q=h(T-Tf)分析估算,爆炸場中較近處h大致在10000左右。

2.3 試驗(yàn)分析

2.3.1 測試曲線的物理意義

由于存在動態(tài)響應(yīng)誤差,熱電偶測量溫度滯后于爆炸產(chǎn)物溫度,熱電偶指示溫度不代表爆炸產(chǎn)物的真實(shí)溫度。熱電偶結(jié)點(diǎn)越小,在距爆心越近的地方,爆炸產(chǎn)物與效應(yīng)物之間的對流換熱系數(shù)越大,熱電偶響應(yīng)時間越短,所測溫度越能接近爆炸產(chǎn)物的真實(shí)溫度。

分析認(rèn)為,效應(yīng)物對爆炸產(chǎn)物的溫度響應(yīng)是一個快速變化過程。圖3為不同距離處熱電偶對樣品1爆炸產(chǎn)物響應(yīng)溫度曲線,其中R表示距爆心距離?？梢钥闯?上升沿陡峭,時間約幾十毫秒,下降沿緩慢,脈寬約800ms。表明隨爆心距的增加,效應(yīng)物對爆炸產(chǎn)物的響應(yīng)溫度大小和作用時間均有所減緩。

圖 3 不同距離處熱電偶對樣品 1的熱響應(yīng)溫度曲線Fig.3 The thermal response temperature curves of thermocouple to No.1 explosive at different distances

2.3.2 爆炸產(chǎn)物熱作用的衰減規(guī)律

效應(yīng)物對爆炸產(chǎn)物的響應(yīng)溫度隨距離大致呈 S型衰減,如圖4所示。這是由爆炸產(chǎn)物的壓力波動引起效應(yīng)物溫度變化造成的,前端溫度隨距離的變化較大,中間段略緩,后段溫度衰減又加劇。

圖4 響應(yīng)溫度隨距離的變化曲線Fig.4 Curves of response temperature changed with distance of WRe5/26 thermocouple

分析認(rèn)為,前端爆炸產(chǎn)物速度較快,與效應(yīng)物的換熱較劇烈,產(chǎn)物溫度從炸藥爆溫開始強(qiáng)烈下跌;中間部分爆炸產(chǎn)物速度有所下降,由于溫壓炸藥存在后燃燒效應(yīng),火球處于暫時穩(wěn)定期,鋁粉燃燒產(chǎn)生的熱量可及時補(bǔ)充散失的熱量,下跌趨勢減緩;較遠(yuǎn)處達(dá)火球邊緣,爆炸產(chǎn)物與較冷的空氣混合,向外有強(qiáng)烈的輻射散熱,使溫度下跌加劇。熱流密度變化波動較大,如圖 5所示,可能與傳感器散熱快慢有關(guān)。

由表 3數(shù)據(jù)看出,爆炸火球內(nèi)部的熱效應(yīng)并不均勻。沖擊波超壓對熱流的擾動較大,造成內(nèi)部湍流劇烈,鋁粉的拋灑情況及其在各點(diǎn)的濃度也存在一定差異,同時外界環(huán)境因素也對其有一定的影響,使得火球內(nèi)部熱量很難均勻向外輸出。即使在相同距離,不同位置處的溫度也并不相等,某些點(diǎn)甚至?xí)嗖詈艽?熱流密度也出現(xiàn)一定的差異性,還需要進(jìn)一步分析和驗(yàn)證這些情況。

圖 5 熱流密度隨距離的變化曲線Fig.5 Curves of response heat flux changed with distance of WRe5/26 thermocouple

3 結(jié) 論

(1)制作的 WRe5/26熱電偶可以在爆炸環(huán)境下使用,將其作為效應(yīng)物研究爆炸產(chǎn)物熱作用是可行的,測試方法簡便、可靠的。

(2)爆炸產(chǎn)物對物體的熱作用過程與物體距爆心的距離密切相關(guān),效應(yīng)物對爆炸產(chǎn)物的熱響應(yīng)溫度隨距離大致呈 S型衰減。

(3)由效應(yīng)物獲取的熱響應(yīng)溫度曲線分析,溫度曲線脈寬在800 ms左右。對于本實(shí)驗(yàn)距爆心最近點(diǎn)處的熱流密度數(shù)量級為 10 W/m。

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