空化水射流倒空彈藥裝藥的試驗(yàn)研究及數(shù)值模擬

張幺玄，陳 松，廉 鵬，康 超，雷靖華，范鑫辰，羅志龍

(1.西安近代化學(xué)研究所，陜西 西安 710065； 2.中國(guó)兵器工業(yè)試驗(yàn)測(cè)試研究院，陜西 華陰 714200)

引 言

目前通用的報(bào)廢彈藥倒空處理方法是高溫熔融法，即通過(guò)高溫蒸汽或熱水對(duì)澆鑄式或壓裝式TNT裝藥以及梯萘混合裝藥的報(bào)廢彈藥進(jìn)行加熱，使其中低熔點(diǎn)的TNT融化，從而順利從彈殼中倒空裝藥。該方法簡(jiǎn)便、易操作，但是應(yīng)用范圍很窄，僅能倒空處理含有TNT低熔點(diǎn)組分的報(bào)廢彈藥。隨著新型彈藥陸續(xù)進(jìn)入批量報(bào)廢期，澆鑄式發(fā)動(dòng)機(jī)、澆鑄式及分步壓裝式戰(zhàn)斗部等新工藝彈藥(如A-IX-II裝藥)，其裝藥無(wú)法利用現(xiàn)有技術(shù)手段進(jìn)行處理。

水射流技術(shù)應(yīng)用于報(bào)廢彈藥倒空的研究多集中于高壓水射流對(duì)彈藥裝藥的倒空。羅同杰等[1]設(shè)計(jì)制作一種利用高壓水射流技術(shù)倒出彈體裝藥的實(shí)驗(yàn)裝置，采用70和85MPa的高壓水，分別對(duì)130mm口徑TNT裝藥彈體、122mm口徑的A-IX-II裝藥彈體進(jìn)行倒藥實(shí)驗(yàn)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)主要有兩大問(wèn)題：一是倒出過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量泡沫難以處理；二是由于水壓過(guò)高，噴嘴及一些密封件需要頻繁更換，大大提高了前期投入和后期維修成本。此外，有報(bào)道顯示[2]高壓水射流倒藥對(duì)一些敏感度稍高的裝藥不適用，易引起裝藥爆炸，帶來(lái)安全隱患。郁紅陶等[3]研究了高壓水射流清理固體推進(jìn)劑的安全性，理論分析了該方法的適用性、危險(xiǎn)性和點(diǎn)火機(jī)制，得出高壓水射流清理固體推進(jìn)劑時(shí)，安全性較常規(guī)炸藥低，必須預(yù)先進(jìn)行作業(yè)系統(tǒng)的安全性評(píng)估。何遠(yuǎn)航等[3]模擬計(jì)算了高速水射流與凝聚炸藥的相互作用過(guò)程，可為高壓水射流倒藥作業(yè)的安全設(shè)計(jì)和操作規(guī)范提供理論指導(dǎo)。由上述可以看出，高壓水射流倒空裝藥彈體技術(shù)在我國(guó)雖然已有應(yīng)用，但目前還未制定統(tǒng)一的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，無(wú)法確保廢棄彈藥使用高壓水射流進(jìn)行處理的安全性[5]。空化水射流技術(shù)是一項(xiàng)比較成熟的技術(shù)，其廣泛應(yīng)用于廢水處理、降解反應(yīng)及船體除垢等領(lǐng)域[6-7]。相比高壓水射流幾十至上百兆帕的射流壓力，空化水射流的優(yōu)勢(shì)在于所需的射流壓力較低，一般不高于32MPa，極大地降低了倒藥過(guò)程的安全風(fēng)險(xiǎn)，是一種極具潛力的彈藥裝藥倒空技術(shù)。

空化水射流用于彈藥裝藥倒空，尤其是高能炸藥倒空的研究還未見(jiàn)報(bào)道。本研究借鑒空化水射流以往的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，在空化水射流倒藥裝置上對(duì)鈍黑鋁彈藥裝藥進(jìn)行倒空試驗(yàn)，并對(duì)倒藥過(guò)程進(jìn)行模擬分析，以期為空化水射流在彈藥裝藥倒空方面的深入研究提供技術(shù)參考和理論指導(dǎo)。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 空化水射流對(duì)裝藥的作用機(jī)理

在空化水射流噴射過(guò)程中，由于噴嘴結(jié)構(gòu)空化水射流通道的結(jié)構(gòu)變化，引發(fā)空化水射流流場(chǎng)內(nèi)部流場(chǎng)的改變，使得流場(chǎng)渦流中心的壓力下降至水汽氣化閾值或更低，從而為液體中空化的形成創(chuàng)建條件。

當(dāng)空化水射流與裝藥發(fā)生沖擊碰撞時(shí)，空化水射流渦流強(qiáng)度降低至不再能夠抵抗壓縮外部壓力，并且空化腔失去其穩(wěn)定性，塌陷以形成液壓撞擊。當(dāng)塌陷時(shí)，空化腔分裂成一系列碎片，形成水累積微空化水射流，對(duì)流動(dòng)產(chǎn)生阻尼作用。在此情況下，裝藥表面受到液壓撞擊和水累積微空化水射流的強(qiáng)烈作用，導(dǎo)致其侵蝕性破壞。空化水射流對(duì)裝藥的作用機(jī)理如圖1所示，空化水射流系對(duì)裝藥的侵蝕能力主要包括兩部分：一是高速水射流的沖擊侵蝕；二是空化泡潰滅產(chǎn)生的微射流所形成的沖擊侵蝕。相關(guān)研究表明[8]，空化水射流的侵蝕能力高于普通射流的3～5倍。在實(shí)際倒藥過(guò)程中，宏觀高速水射流和空化泡微觀水射流共同發(fā)揮作用達(dá)到倒空彈藥裝藥的效果。

1.2 工藝過(guò)程

空化水射流倒藥工藝流程如圖2所示，主要由上彈單元、空化水射流倒藥單元、倒藥執(zhí)行機(jī)單元、液壓驅(qū)動(dòng)單元、藥水分離單元、監(jiān)視與控制等組成。

圖2 空化水射流倒藥工藝流程Fig.2 Process flow for emptying explosive with cavitation water jet

倒藥基本過(guò)程為：移載機(jī)抓手將彈體移送至彈體裝夾位置，裝彈夾具尾部由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，可繞彈體軸心旋轉(zhuǎn)；工藝水加壓后經(jīng)由噴管和噴頭空化發(fā)生器進(jìn)入彈體內(nèi)，開(kāi)始倒藥；倒藥過(guò)程中噴槍緩慢前進(jìn)，彈體勻速自旋轉(zhuǎn)，并始終浸在水中，以保證安全；剝離的藥塊隨水流進(jìn)入水箱底部，經(jīng)過(guò)濾后進(jìn)入后續(xù)處理系統(tǒng)；整個(gè)倒藥作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)無(wú)人工參與，工作人員在監(jiān)控室監(jiān)視和控制作業(yè)過(guò)程，實(shí)現(xiàn)了人機(jī)隔離和自動(dòng)化操作。

1.3 倒藥主裝置及試驗(yàn)條件

圖3為空化水射流倒藥主裝置。在倒藥過(guò)程中，為了快速而干凈地倒空彈體內(nèi)的裝藥，噴頭與彈丸之間需有相對(duì)的旋轉(zhuǎn)和直線移動(dòng)(在同一條軸線上)，以保證合理的噴射距離和適度的作用時(shí)間。

圖3 空化水射流倒藥主裝置Fig.3 Main device for emptying explosive ammunition

彈體與噴頭相互之間的旋轉(zhuǎn)與直線移動(dòng)有3種常見(jiàn)組合方式[9-11]：(1)彈體不動(dòng)，噴頭既繞其軸線旋轉(zhuǎn)又沿其軸線作直線步進(jìn)移動(dòng)；(2)噴頭靜止，彈體既繞其軸線旋轉(zhuǎn)又沿其軸線作直線步進(jìn)運(yùn)動(dòng)；(3)彈體繞其軸線旋轉(zhuǎn)，噴頭沿其軸線作直線步進(jìn)運(yùn)動(dòng)。

三者相比，第一種方式存在對(duì)高壓旋轉(zhuǎn)密封要求太高的問(wèn)題;第二種方式會(huì)使藥水回收裝置的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜;第三種方式規(guī)避了前兩種方法的缺點(diǎn)。因此，試驗(yàn)過(guò)程中彈體與噴頭相互之間的旋轉(zhuǎn)與直線移動(dòng)方式選取第三種方式。

圖3倒藥主裝置的倒藥執(zhí)行方式即采用的是第三種方式，在倒藥過(guò)程中彈體的繞軸旋轉(zhuǎn)和噴頭的直線步進(jìn)同時(shí)進(jìn)行。根據(jù)空化水射流倒空彈藥裝藥流程和關(guān)鍵技術(shù)分析，在空化水射流倒藥裝置上對(duì)76～155mm不同口徑的鈍黑鋁彈藥裝藥進(jìn)行倒空試驗(yàn)。工作條件為：高壓泵，功率120kW，其最大水壓70MPa,試驗(yàn)工作壓強(qiáng)調(diào)節(jié)在25～32MPa之間，選用5噴嘴噴頭，噴嘴孔徑1mm，噴頭步進(jìn)速度6mm/min，彈體轉(zhuǎn)速30r/min。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

鈍黑鋁彈藥裝藥倒空試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。倒藥現(xiàn)場(chǎng)照片如圖4所示。

表1 鈍黑鋁彈藥裝藥倒空試驗(yàn)結(jié)果

注：d為彈藥口徑；t為倒空時(shí)間。

由表1可知，空化水射流技術(shù)可以在較低的射流壓力下干凈倒空76～155mm口徑的鈍黑鋁彈藥裝藥，單發(fā)倒空時(shí)間在15～30min之間，多發(fā)平行倒藥試驗(yàn)結(jié)果顯示空化水射流倒空彈藥裝藥試驗(yàn)穩(wěn)定性好。

圖4 倒藥現(xiàn)場(chǎng)照片F(xiàn)ig.4 Pictures for emptying explosive of ammunition

由圖4(a)和(b)可以看出，裝藥倒空干凈，彈體內(nèi)腔無(wú)損壞；由圖4(c)可以看出，倒出裝藥顆粒的平均大小為1～2cm，最大不超過(guò)4cm，倒出藥顆粒小有利于后續(xù)裝藥的回收再利用。

3 數(shù)值模擬

3.1 物理模型的建立

為便于計(jì)算，建立單噴嘴空化水射流倒藥物理模型，如圖5所示。在網(wǎng)格劃分中選用結(jié)構(gòu)性的四邊形網(wǎng)格，并且在噴嘴及其出口軸線方向上由于射流速度變化迅速，為保證計(jì)算精度，對(duì)該部分的網(wǎng)格進(jìn)行加密處理。

圖5 單噴嘴空化水射流倒藥的物理模型及流體域網(wǎng)格劃分Fig.5 Physical model and meth generation for fluid domain of single-nozzel cavitation water jet emplying explosive

3.2 計(jì)算方法

選用基于壓力的非定常計(jì)算方法，在空化水射流系統(tǒng)中，由于存在劇烈的密度變化，因此采用PISO方式對(duì)壓力速度進(jìn)行耦合，為保證計(jì)算結(jié)果的精度和穩(wěn)定性，在數(shù)值離散方式中選擇二階迎風(fēng)格式對(duì)壓力、密度和氣相變化進(jìn)行離散，對(duì)動(dòng)量、湍流度的離散采用一階迎風(fēng)格式進(jìn)行，收斂精度以各個(gè)參數(shù)的參差均小于1×10-4為標(biāo)準(zhǔn)。

選用RNGk-模型作為湍流模型進(jìn)行計(jì)算，近壁面采用非平衡壁面函數(shù)方式進(jìn)行處理；采用Mixture混合模型作為多相流模型進(jìn)行計(jì)算分析，流場(chǎng)內(nèi)產(chǎn)生的氣相均為空化作用產(chǎn)生的空化氣泡；采用Schner and Sauer模型作為數(shù)值模擬時(shí)采用的空化模型。

4 數(shù)值模擬結(jié)果與討論

4.1 空化水射流速度場(chǎng)分布

射流沖擊模擬裝藥速度場(chǎng)分布如圖6所示。

圖6 射流沖擊模擬裝藥速度場(chǎng)分布Fig.6 Velocity distribution for jet impacting the simulation charge

由圖6可知，空化水射流包括自由射流區(qū)、沖擊區(qū)和壁面射流區(qū)。高速流體從噴嘴出口出來(lái)，在噴嘴擴(kuò)展腔的限制下，切向速度和徑向速度沒(méi)有迅速擴(kuò)散，離開(kāi)噴嘴后高速流體到達(dá)自由射流區(qū)。在自由射流區(qū)中，由于切向和徑向速度的作用，帶動(dòng)周?chē)嗟牧黧w高速流動(dòng)，從而增大射流作用面積。

噴嘴出口射流到達(dá)模擬裝藥表面附近前，擁有一個(gè)等速率射流區(qū)域，該區(qū)域的直徑略小于矩形收縮段直徑；當(dāng)射流到達(dá)模擬裝藥表面時(shí)，射流開(kāi)始向中心軸的兩邊離散，并且速度迅速降低，當(dāng)?shù)竭_(dá)模擬裝藥表面時(shí)，射流速度減小為零，稱(chēng)該點(diǎn)為駐點(diǎn)。

空化水射流中軸線速度先是在入口錐形收縮段陡增，在矩形喉部收縮段達(dá)到最大速度，并在此區(qū)域保持勻速，在出口擴(kuò)張段速度出現(xiàn)小幅度緩慢下降，在出口和靶物之間逐漸衰減至零。

噴嘴中最大速度主要與射流壓力有關(guān)，兩者之間的數(shù)學(xué)公式滿(mǎn)足如下方程[12]：

v=44.7·p1/2

式中：v為噴嘴最大速度，m/s；p為射流入口壓力，MPa。

為驗(yàn)證模擬方法的可靠性，將不同射流壓力下得到的最大模擬速度與經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，如表2所示。

表2 最大模擬速度與經(jīng)驗(yàn)計(jì)算速度比較

由表2可以看出，模擬速度與經(jīng)驗(yàn)速度十分接近，誤差不大于0.03%，表明通過(guò)數(shù)值模擬方法得到的結(jié)果真實(shí)可靠。

4.2 空化水射流壓力場(chǎng)分布

射流沖擊模擬裝藥壓力場(chǎng)分布如圖7所示。

圖7 射流沖擊模擬裝藥壓力場(chǎng)分布Fig.7 Pressure distribution for jet impacting the simulation charge

由圖7可知，射流壓力的分布遵循伯努利定律，射流壓力在錐形收縮段達(dá)到最大，在矩形喉部收縮段，由于受到噴管壁面的阻力，壓力能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，此處的速度增大，這與上述速度云圖的結(jié)果相符；在擴(kuò)張段壓力出現(xiàn)一定幅度的回升，迫使射流盡快離開(kāi)噴嘴，減少動(dòng)能的損耗，但擴(kuò)張段回升恢復(fù)后的壓強(qiáng)依舊小于收縮段的壓力，這是由于在噴嘴近壁面處和噴嘴擴(kuò)張段產(chǎn)生強(qiáng)烈的空化現(xiàn)象，而空化泡在射流中膨脹、收縮，尤其是潰滅運(yùn)動(dòng)消耗了原有系統(tǒng)中大量能量；射流壓力在自由射流區(qū)域不斷衰減，主要是射流中空化造成的能量損失以及受到周?chē)黧w的阻力，射流能量損耗轉(zhuǎn)移至射流邊界周?chē)黧w。在模擬裝藥表面駐點(diǎn)附近的射流出現(xiàn)壓力回升的現(xiàn)象，這是由于此處射流同時(shí)受到模擬裝藥和四周流體的限制難以及時(shí)向周?chē)鷶U(kuò)散，而處于一定強(qiáng)度受壓狀態(tài)，持續(xù)到中心射流擴(kuò)散至射流邊界為止[13]。

4.3 空化水射流空化場(chǎng)分布

圖8為射流發(fā)展過(guò)程中空化場(chǎng)發(fā)展分布情況。

圖8 空化場(chǎng)發(fā)展云圖Fig.8 Evolution of cavitation

由圖8可以看出，射流初期在噴嘴擴(kuò)張段和自由射流空間域產(chǎn)生大量的空化泡，隨著時(shí)間的推移，這些空化泡在隨液流沖擊流向模擬裝藥的過(guò)程中，涌向下游的模擬裝藥表面，空化泡在模擬裝藥表面受到模擬裝藥的阻礙作用受力失衡，發(fā)生空化作用，伴隨產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊力作用于模擬裝藥，實(shí)現(xiàn)侵蝕破碎裝藥的預(yù)期效果。在射流發(fā)展過(guò)程中，噴嘴擴(kuò)張段自始至終產(chǎn)生大量的空化泡，這些空化泡隨著液流流動(dòng)涌向模擬裝藥，保證空化作用反復(fù)不斷侵蝕裝藥，達(dá)到彈藥倒空的目的。

4.4 裝藥在空化水射流作用下的力學(xué)響應(yīng)

無(wú)論是噴嘴噴出的宏觀水射流還是空化作用產(chǎn)生的微觀水射流，都會(huì)對(duì)裝藥產(chǎn)生侵蝕破碎作用，在空化水射流倒空彈藥裝藥的過(guò)程中，兩種水射流共同發(fā)揮作用達(dá)到快速干凈倒空彈藥裝藥的效果，兩者作用于裝藥的區(qū)別主要在于作用力產(chǎn)生源和大小不同，但作用原理類(lèi)似，均是水射流產(chǎn)生的壓力載荷施加于裝藥面。因此，在模擬裝藥藥面施加一定的水射流壓力載荷，考察模擬裝藥在水射流作用下的應(yīng)力和形變分布，以期初步了解裝藥的在水射流作用下的內(nèi)部可視化響應(yīng)變化情況，模擬結(jié)果如圖9所示。

由圖9可以看出，模擬裝藥在水射流作用下既有彎曲變形又有剪切變形，模擬裝藥內(nèi)部的應(yīng)力和形變等值線呈類(lèi)圓形分布，應(yīng)力和形變最大位置發(fā)生于水射流與模擬裝藥直接接觸的中軸線處，并且在向模擬裝藥外圍傳遞過(guò)程逐漸減小。因此，當(dāng)水射流作用力達(dá)到裝藥的應(yīng)力破碎閾值時(shí)，裝藥侵蝕破碎主要發(fā)生在射流與裝藥接觸區(qū)域，并且以此區(qū)域?yàn)橹行闹饾u向外圍的裝藥表層和內(nèi)部遞減擴(kuò)展，在裝藥內(nèi)部形成一個(gè)類(lèi)圓形的蝕坑，如圖10所示。

在實(shí)際倒藥過(guò)程中，當(dāng)彈體繞軸旋轉(zhuǎn)和噴頭直線移動(dòng)同時(shí)進(jìn)行時(shí)，蝕坑在裝藥藥面不斷向裝藥表層和裝藥內(nèi)部拓展，形成環(huán)形蝕坑帶，當(dāng)采用多噴嘴噴頭時(shí)，會(huì)在裝藥表面形成多個(gè)同心環(huán)形蝕坑帶，使裝藥達(dá)到層層脫落的效果，這一分析與圖10所示實(shí)際倒藥過(guò)程觀測(cè)到的裝藥藥面蝕坑情況相吻合。

5 結(jié) 論

(1) 空化水射流系對(duì)裝藥的侵蝕能力主要包括兩部分：一是高速水射流的沖擊侵蝕;二是空化泡潰滅產(chǎn)生的微射流所形成的沖擊侵蝕，在實(shí)際倒藥過(guò)程中，宏觀高速水射流和空化泡微觀水射流共同發(fā)揮作用達(dá)到倒空彈藥裝藥的效果。

(2) 空化水射流能夠干凈倒空76～155mm口徑的鈍黑鋁彈藥裝藥，彈體內(nèi)腔無(wú)損壞，并且試驗(yàn)穩(wěn)定性好；單發(fā)倒空時(shí)間為15～30min，倒出裝藥粒徑平均大小1～2cm，最大粒徑不超過(guò)4cm，有利于后續(xù)裝藥的回收再利用。

(3) 空化水射流包括自由射流區(qū)、沖擊區(qū)和壁面射流區(qū)；最大速度發(fā)生在矩形喉部收縮段，并在此區(qū)域保持勻速，在出口擴(kuò)張段速度出現(xiàn)小幅度緩慢下降，在出口和靶物之間逐漸衰減；射流壓力的分布遵循伯努利定律；在射流發(fā)展整個(gè)過(guò)程中，射流區(qū)域幾乎不發(fā)生空化現(xiàn)象，空化泡主要分布于射流柱的外圍；空化泡在模擬裝藥表面受力失衡發(fā)生空化作用，伴隨產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊力作用于模擬裝藥，可有效侵蝕破碎裝藥。

(4) 裝藥侵蝕破碎主要發(fā)生在射流與裝藥接觸區(qū)域，并且以此區(qū)域?yàn)橹行闹饾u向外圍的裝藥表層和內(nèi)部遞減擴(kuò)展，在裝藥內(nèi)部形成一個(gè)類(lèi)圓形的蝕坑；在實(shí)際倒藥過(guò)程中，當(dāng)采用多噴嘴噴頭時(shí)，會(huì)在裝藥表面形成多個(gè)同心環(huán)形蝕坑帶，使裝藥達(dá)到層層脫落的效果。