超聲波清洗RDX的數(shù)值模擬和安全性分析

蔣云蕓,吳鵬飛,白麗榮,韓 博,王金波 ，白立新

(1.中國五洲工程設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，北京 100053;2.中國科學(xué)院聲學(xué)研究所，北京 100190；3.山東煤炭技術(shù)學(xué)院，山東 淄博 255120)

超聲波清洗RDX的數(shù)值模擬和安全性分析

蔣云蕓1,吳鵬飛2,白麗榮3,韓 博1,王金波1，白立新2

(1.中國五洲工程設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，北京 100053;2.中國科學(xué)院聲學(xué)研究所，北京 100190；3.山東煤炭技術(shù)學(xué)院，山東 淄博 255120)

建立了超聲波清洗RDX過程中空泡潰滅過程的數(shù)值模型，并從微觀角度進(jìn)行了理論分析，研究了空泡潰滅產(chǎn)生的高溫、沖擊波和瞬間能量釋放等潛在的引爆風(fēng)險(xiǎn)。結(jié)果表明，空泡存在空間小，存在時(shí)間極短(10-9s量級(jí))，空泡潰滅過程中脈沖溫度雖高，但并不滿足RDX的起爆條件；脈沖壓力雖高，但沖擊波在水中迅速衰減，熱量會(huì)迅速被水吸收；理論計(jì)算獲得的空泡潰滅能量比RDX的最小引燃能量小幾個(gè)數(shù)量級(jí)。超聲清洗技術(shù)用于RDX顆粒的清洗是安全的。

黑索金；RDX；超聲波清洗；空化；安全性；數(shù)值模擬

引 言

RDX具有猛度高、威力大、化學(xué)安定性好等特性，廣泛用于各類軍用混合炸藥的裝藥及民爆行業(yè)[1]。目前國內(nèi)RDX 生產(chǎn)主要采用濃硝酸直接硝解烏洛托品工藝，生產(chǎn)的 RDX酸值偏高且不易洗除[2]。酸的存在對(duì)產(chǎn)品的化學(xué)安定性產(chǎn)生很大的影響，在長期的貯存和運(yùn)輸過程中，也可能造成炸藥本身的分解，導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量下降，還可能腐蝕產(chǎn)品金屬外殼或其他元器件[3]。

超聲波清洗脫酸技術(shù)是近年提出的一種新型單質(zhì)炸藥脫酸處理工藝，相對(duì)于現(xiàn)有的高溫蒸煮洗滌工藝具有巨大的節(jié)能減排優(yōu)勢(shì)，目前國內(nèi)已進(jìn)行了部分工藝研究。羅志龍等[4]通過試驗(yàn)證明，以水為清洗介質(zhì)，超聲波洗滌脫酸技術(shù)可在15～35℃、60～80min實(shí)現(xiàn)含酸RDX的脫酸效果大于98%。張幺玄等[5-6]研究了超聲波對(duì)RDX晶體酸清洗效果的影響，結(jié)果表明，超聲波清洗含酸RDX具有效率高的優(yōu)點(diǎn)，產(chǎn)品達(dá)到國家軍用酸值標(biāo)準(zhǔn)，可用于RDX等含能材料晶體的純化，超聲處理不會(huì)改變RDX的分子結(jié)構(gòu)和特征官能團(tuán)。但是，將超聲波引入RDX的清洗脫酸過程是否可行，還需對(duì)RDX超聲波洗滌的安全性進(jìn)行驗(yàn)證，目前國內(nèi)缺乏相關(guān)研究。

超聲波清洗主要是通過高強(qiáng)超聲波在液體中傳播時(shí)產(chǎn)生的非線性空化效應(yīng)起作用的?？栈饔檬峭ㄟ^不計(jì)其數(shù)的單個(gè)空泡在超聲場(chǎng)中按聲波周期不斷膨脹和潰滅實(shí)現(xiàn)的。空泡潰滅時(shí)會(huì)在空泡內(nèi)部形成高溫高壓，在周圍的液體中形成沖擊波和微射流，這些極端物理環(huán)境使RDX在超聲清洗過程中存在起爆風(fēng)險(xiǎn)，因此有必要對(duì)超聲波清洗炸藥過程的安全性進(jìn)行深入分析。本研究從微觀角度出發(fā)，對(duì)空泡潰滅過程進(jìn)行數(shù)值模擬和理論分析，研究了空泡潰滅過程中的極端物理參數(shù)對(duì)RDX的影響。

1 數(shù)學(xué)模型的建立

假設(shè)氣泡只做徑向振動(dòng)并始終保持球?qū)ΨQ(見圖1)，氣泡內(nèi)氣體為理想氣體，振動(dòng)過程為多變過程(實(shí)際計(jì)算時(shí)通常取多變指數(shù)為絕熱指數(shù))；并需考慮水的表面張力、黏性、可壓縮性和氣泡輻射阻尼。

圖1 氣泡假設(shè)圖Fig.1 Hypothesis diagram of cavitation bubble

采用Fortran語言自編程序，根據(jù)Keller-Miksis氣泡振動(dòng)方程[8-9]模擬空泡振動(dòng)：

其中：

p(t)=pasin(2πft)

初始值設(shè)置：水中聲速c=1500m/s，水中靜壓p0=101kPa，泡內(nèi)水蒸氣壓力pv=2.33kPa，水的表面張力系數(shù)σ=0.0725N/m，黏性系數(shù)μ=0.001Pa·s，絕熱指數(shù)n=4/3，密度ρ=998kg/m3，空泡初始半徑為R0。

2 結(jié)果與討論

2.1 空化局部高溫對(duì)RDX安全性的影響

將微米級(jí)RDX粉末置于水中，以顆粒狀懸浮于其中。向水中輻射超聲波，水中氣核會(huì)演化為空泡，這些空泡將按照與超聲波一致的頻率不斷膨脹和收縮，在收縮到最小體積時(shí)，內(nèi)部氣體受壓，產(chǎn)生局部高溫。 圖2為空泡半徑隨時(shí)間的變化曲線。

圖2 空泡半徑隨時(shí)間的變化曲線Fig.2 Curves of change in the radius of cavitation bubble with time

從圖2可以看出，藍(lán)色曲線為超聲換能器輻射的聲壓，空泡在聲壓負(fù)半周期的最低時(shí)刻附近開始成長，并在負(fù)壓的作用下逐漸長大，在空泡長大的同時(shí)，負(fù)壓也在減低，空泡在慣性力的作用下繼續(xù)長大。當(dāng)空泡長到最大體積時(shí)，空泡內(nèi)部形成負(fù)壓，空泡外部的壓力遠(yuǎn)大于空泡內(nèi)部的壓力，空泡開始向內(nèi)部快速坍縮，直至最小體積。由于慣性力的作用，此時(shí)空泡的內(nèi)部形成了高溫高壓，內(nèi)部高壓使空泡反彈而長大。此過程重復(fù)多次，震蕩幅度越變?cè)叫≈敝脸霈F(xiàn)下一個(gè)超聲波負(fù)壓。

圖3為空泡內(nèi)部溫度隨時(shí)間的變化曲線，其變化過程與圖2中的聲壓及半徑變化相對(duì)應(yīng)。

圖3 空泡內(nèi)部溫度隨時(shí)間的變化曲線Fig.3 Curves of change in the internal temperature of cavitation bubble with time

從圖3可看出，空泡內(nèi)部溫度也經(jīng)歷類似的震蕩過程，每次震蕩潰滅都有一個(gè)時(shí)間極短(納秒級(jí))的溫度脈沖。在空泡潰滅時(shí)刻，即空泡坍縮至最小體積時(shí)，空泡內(nèi)部溫度最高?？梢钥闯?，空泡的潰滅過程表現(xiàn)出強(qiáng)烈的微觀性和瞬時(shí)性，空泡內(nèi)部的溫度雖然很高，但持續(xù)時(shí)間只有幾納秒；空泡的半徑不到1μm，存在空間極小，存在時(shí)間極短。

Bowden提出的熱點(diǎn)理論[9]認(rèn)為：炸藥在受到機(jī)械作用時(shí)，絕大部分的機(jī)械能量首先轉(zhuǎn)化為熱能，由于機(jī)械作用不可能是均勻的，因此，熱能不是作用在整個(gè)炸藥上，而是集中在炸藥的局部范圍內(nèi)，并形成熱點(diǎn)，熱點(diǎn)溫度高于爆發(fā)點(diǎn)時(shí)，在熱點(diǎn)處的炸藥首先發(fā)生熱分解，同時(shí)放出熱量，放出的熱量又促使炸藥的分解速度迅速增加，最后引起部分炸藥乃至整個(gè)炸藥發(fā)生爆炸。熱點(diǎn)理論研究表明，炸藥熱點(diǎn)要同時(shí)具備以下條件才能成長為爆炸：熱點(diǎn)溫度300～600°；熱點(diǎn)半徑10-3～10-5cm；熱點(diǎn)作用時(shí)間在10-7s以上。

在水環(huán)境中對(duì)RDX顆粒進(jìn)行超聲清洗，空泡潰滅產(chǎn)生的高溫只存在于空泡內(nèi)部的氣體介質(zhì)中，并且會(huì)瞬間降低至環(huán)境水溫(空泡內(nèi)部高溫持續(xù)的時(shí)間約為10-9s量級(jí))。即使空泡在RDX顆粒周邊漲縮，由于RDX被水包裹，RDX顆粒和空泡之間依然存在一層水膜。氣體的比熱小，而水的比熱很大，因此空泡內(nèi)部氣體介質(zhì)的脈沖高溫?zé)o法穿透水膜將熱量傳導(dǎo)給RDX顆粒，RDX顆粒溫度與水溫一致，不會(huì)達(dá)到300～600°。并且，由于含有RDX顆粒的液體中含有大量氣核和微氣泡，這些氣核和微氣泡的存在會(huì)大大降低空化閾值，致使空泡潰滅時(shí)內(nèi)部的溫度和壓力大大降低?？张菰陬w粒物潰滅時(shí)由于動(dòng)量不平衡而引起的非對(duì)稱潰滅會(huì)降低空泡內(nèi)部溫度。此外，由于RDX顆粒和空泡之間水膜的存在，空泡潰滅產(chǎn)生的熱點(diǎn)離RDX顆粒還有一段空泡半徑的距離。最重要的，空泡潰滅產(chǎn)生的高溫持續(xù)時(shí)間在10-9s量級(jí)，遠(yuǎn)小于10-7s。綜上所述，盡管空泡潰滅后在空泡內(nèi)部所產(chǎn)生的脈沖溫度極高，但不滿足兩項(xiàng)起爆條件，因此，空化局部高溫不影響RDX的安全性。

2.2 空泡潰滅沖擊波對(duì)RDX安全性的影響

空泡潰滅時(shí)不但在空泡內(nèi)部產(chǎn)生脈沖高溫，而且會(huì)在空泡內(nèi)部產(chǎn)生脈沖高壓，并向周圍的水中釋放沖擊波[10]?？张輧?nèi)部產(chǎn)生的脈沖高壓屬于氣體壓力，不會(huì)與RDX顆粒物接觸，即對(duì)RDX不會(huì)產(chǎn)生直接作用，因此，RDX顆粒受到的影響主要來自于空泡潰滅向周圍水環(huán)境釋放的沖擊波。

RDX是結(jié)構(gòu)均勻的單質(zhì)炸藥。沖擊波進(jìn)入這種均質(zhì)炸藥后，波陣面首先受到?jīng)_擊的一層炸藥整體被加熱，激發(fā)爆轟化學(xué)反應(yīng)，形成超高速爆轟波，當(dāng)超速爆轟波追上初始的入射沖擊波后會(huì)在未受沖擊的炸藥中發(fā)展成穩(wěn)定的爆轟。在水環(huán)境中對(duì)RDX顆粒進(jìn)行超聲洗滌，考慮空化局部高壓對(duì)RDX安全性的影響，關(guān)鍵在于空泡潰滅后產(chǎn)生的沖擊波強(qiáng)度及其衰減特性，以及RDX 表面被加熱的程度。

對(duì)不同聲壓驅(qū)動(dòng)下氣泡半徑隨時(shí)間變化進(jìn)行模擬計(jì)算，結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同聲壓驅(qū)動(dòng)下空泡半徑隨時(shí)間的變化圖Fig.4 Curves of change in the radius of cavitation bubble with time at different acoustic pressure

由圖4可看出，聲壓很小時(shí)，空泡的半徑變化很小，空泡只進(jìn)行微弱的振動(dòng)，此時(shí)空泡近似于氣泡。隨著聲壓的提高，空泡徑向振動(dòng)的幅度加大，直至出現(xiàn)空泡迅速坍縮和潰滅現(xiàn)象，并且，隨著聲壓的提高，潰滅階段半徑變化曲線越來越陡，表明在初始半徑、初始溫度、水質(zhì)等條件相同的情況下，空泡半徑越大，其潰滅所產(chǎn)生的沖擊波越強(qiáng)。因此，只需要考慮大尺寸空泡潰滅所產(chǎn)生沖擊波的安全性即可。雖然在超聲清洗中，毫米級(jí)空泡并不鮮見，但這是由于液體中存在微泡，以此作為氣泡的初始半徑很大，而這種氣泡雖然尺寸較大但潰滅產(chǎn)生的沖擊波很弱。實(shí)際上，超聲波清洗的頻率一般在20～40kHz，周期很短，若不考慮存在初始半徑，空泡并沒有足夠的時(shí)間長大，所以空泡半徑通常在微米級(jí)。即使不考慮初始半徑的影響，假設(shè)毫米級(jí)空泡存在且潰滅后在空泡內(nèi)部產(chǎn)生了極高的脈沖壓力，并在周圍液體介質(zhì)中產(chǎn)生了沖擊波，但這種沖擊波和空氣中形成的沖擊波有很大不同。當(dāng)沖擊波在空氣中起爆RDX時(shí)，由于沖擊波在空氣中衰減慢，而且空氣比熱很小，是熱的不良導(dǎo)體，所以空氣溫升很快。沖擊波在水中傳播時(shí)，是以沖擊波半徑平方分之一的形式迅速衰減，一般只能傳播幾微米的距離，而且由于水的比熱很大，沖擊波與RDX顆粒撞擊后顆粒表面不會(huì)聚集能量，即使產(chǎn)生熱量也會(huì)迅速被水吸收。

2.3 空化能量對(duì)RDX安全性的影響

空泡從超聲波中捕獲能量，不斷發(fā)生漲縮運(yùn)動(dòng)?？张轁绲阶钚◇w積時(shí)將部分能量釋放出去，這些能量最終都被耗散成熱能，引起介質(zhì)溫度升高。所以，也可以從能量角度考慮超聲波清洗RDX的安全性。

RDX最小引燃能量約為3.0mJ[11]。吳強(qiáng)等[12]研究了不同頻率下環(huán)境壓力變化對(duì)空泡潰滅過程能量釋放的影響，結(jié)果表明，在一個(gè)大氣壓下，100～25kHz頻率的超聲波所產(chǎn)生的空泡潰滅能量為0.2～8.0μJ。盡管理論計(jì)算的空泡潰滅能量比RDX的最小引燃能量小幾個(gè)數(shù)量級(jí)，由于黏滯性、氣體可壓縮性、傳熱傳質(zhì)等因素的影響，實(shí)際上釋放的能量更小。這些能量在短時(shí)間內(nèi)一部分以熱量的形式存在，引起空泡內(nèi)部的氣體溫度升高，一部分以機(jī)械能的形式存在，如空泡內(nèi)部的脈沖高壓以及在周邊液體中釋放沖擊波，還有一部分能量以聲能、光能、動(dòng)能(比如微射流、微聲流)等形式存在，而這部分能量所占比例較小。這些能量并非完全釋放出去，有相當(dāng)一部分在空泡回彈階段被再次利用，與吸收的超聲波能量再次作用于下一次潰滅。所有能量最終都將耗散成低品位的熱能，引起水溫升高。水的比熱約為4.18×103kJ/kg，如果使用500W的超聲波發(fā)生器，在體積50L的反應(yīng)釜中工作30min，溫度只升高8℃，則在反應(yīng)設(shè)備中加入一個(gè)普通的散熱裝置即可滿足安全溫度的要求。

3 結(jié) 論

(1)盡管空泡潰滅后在空泡內(nèi)部所產(chǎn)生的脈沖溫度極高，但是并不滿足起爆條件，因此空化局部高溫不影響RDX的安全性。

(2)空泡潰滅后在空泡內(nèi)部所產(chǎn)生的脈沖壓力極高，但沖擊波一般只能傳播幾微米的距離，且熱量也會(huì)迅速被水吸收，并不影響RDX在水中的安全性。

(3)空泡潰滅能量很小，不滿足引燃RDX所需的最小能量，利用超聲空化清洗RDX顆粒是安全的。

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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

基礎(chǔ)產(chǎn)品創(chuàng)新火炸藥專項(xiàng)

蔣云蕓(1984-)，女，博士，從事含能材料研究。E-mail: 2662@wuzhou.com.cn

TJ55;TQ564

A

1007-7812(2017)01-0045-04