溫壓炸藥爆炸性能實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬

徐其鵬，蘇健軍，李芝絨，張玉磊，劉 彥，黃風(fēng)雷

溫壓炸藥爆炸性能實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬

徐其鵬1,2，蘇健軍1，李芝絨1，張玉磊1，劉 彥2，黃風(fēng)雷2

(1. 西安近代化學(xué)研究所，陜西 西安，710065；2. 北京理工大學(xué) 爆炸科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京，100081)

設(shè)計(jì)了一種5kg級(jí)HMX基溫壓炸藥，并與等質(zhì)量的TNT炸藥進(jìn)行了自由場(chǎng)靜爆試驗(yàn)對(duì)比研究。沖擊波數(shù)據(jù)顯示，溫壓炸藥相比TNT炸藥，最大處Δ和分別提高了53.6%和35.6%；紅外測(cè)溫和高速攝像顯示，溫壓炸藥相比TNT，高溫作用的時(shí)間更長(zhǎng)，火球尺寸更大。另外用Autody2D軟件對(duì)溫壓炸藥的爆炸性能進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值符合較好，可以為后續(xù)溫壓炸藥的研究提供參考。

溫壓炸藥；沖擊波；火球；數(shù)值模擬

溫壓炸藥（TBX）具有較強(qiáng)的沖擊波和熱綜合殺傷能力，特別適合于攻擊地下工事、建筑物、艦船等大型結(jié)構(gòu)目標(biāo)及其約束空間內(nèi)的有生目標(biāo)和軍事裝備[1]，故溫壓炸藥受到越來越多學(xué)者的關(guān)注。Danica[2-3]等研究了HMX基溫壓炸藥中不同粘結(jié)劑和氧化劑配比對(duì)爆炸沖擊波參數(shù)的影響；Lotfi[4-5]等實(shí)驗(yàn)研究了不同RDX基溫壓炸藥配方在有限空間內(nèi)爆炸對(duì)火球溫度及沖擊波數(shù)據(jù)的影響；黃菊[6]等對(duì)一種RDX基溫壓炸藥的能量輸出結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究；李秀麗[7]等對(duì)TBE-1溫壓炸藥的爆炸溫度進(jìn)行了研究。本文在前人的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了等質(zhì)量的5kg級(jí)溫壓炸藥和TNT炸藥，進(jìn)行靜態(tài)自由場(chǎng)爆炸試驗(yàn)，對(duì)獲得的沖擊波數(shù)據(jù)、爆炸火球溫度、尺寸數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析比較，并利用AUTODYN顯式動(dòng)力學(xué)有限元程序?qū)煞N炸藥進(jìn)行數(shù)值模擬，為后續(xù)溫壓炸藥的研究提供參考。

1 試驗(yàn)部分

1.1 材料和儀器

TBX和TNT炸藥均為裝藥質(zhì)量為5kg的圓柱體裸裝藥，兩者的裝藥密度分別為1.85g/cm3和1.63 g/cm3。沖擊波數(shù)據(jù)采用PCB公司211B型壓電式石英傳感器采集（量程范圍0~1.5MPa）；數(shù)據(jù)采集儀選用Genesis986A05151型；高速攝影和紅外測(cè)溫分別選擇Phantom V7.3和SC3000型。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)時(shí)，將被試樣品豎直放置于木制彈架上，藥柱中心距地面1.5m，傳爆藥柱為質(zhì)量100g的JH-14藥柱，采用8#雷管上端面起爆方式起爆。距爆心一定距離，成60℃布設(shè)2排地面壓力傳感器，每排具有9個(gè)壓力測(cè)點(diǎn)，測(cè)試藥柱爆炸后的沖擊波威力參量。實(shí)驗(yàn)布局示意圖見圖1，測(cè)點(diǎn)距爆心距離見表1，2排壓力傳感器距爆心距離一致，傳感器表面與地面平齊。

圖1 實(shí)驗(yàn)布局示意圖

表1 測(cè)點(diǎn)距爆心位置

Tab.1 The position of the measuring points

2 數(shù)值模擬

2.1 數(shù)值計(jì)算模型

炸藥為圓柱體裝藥，為加快求解速度，可以簡(jiǎn)化為二維平面結(jié)構(gòu)，并建立二分之一模型。由于實(shí)驗(yàn)中最遠(yuǎn)測(cè)點(diǎn)為12.8m，空氣域較大。因此，取前6個(gè)測(cè)點(diǎn)間的空間進(jìn)行模擬，并且在炸藥附近建立小的空氣域，模型尺寸為900mm×1 500mm，網(wǎng)格尺寸為2mm，之后再建立一個(gè)大空氣域，模型尺寸為7 400mm×5 600mm，網(wǎng)格尺寸為10mm。待爆轟物質(zhì)將要在小空氣域內(nèi)溢出時(shí)，映射到大空氣域內(nèi)，很好地解決網(wǎng)格數(shù)量過大、計(jì)算較慢現(xiàn)象。地面設(shè)為剛性地面，其它為流出邊界，計(jì)算模型見圖2。

2.2 材料模型及參數(shù)

由于溫壓炸藥為非理想均質(zhì)炸藥，JWL方程不能完全描述溫壓炸藥的爆炸特點(diǎn)，本文利用軟件中自帶的Additional Energy命令在炸藥起爆后的一段時(shí)間內(nèi)向爆轟物質(zhì)中添加燃燒能量進(jìn)行解決，該方法將鋁粉燃燒釋放的能量進(jìn)行等效，近似認(rèn)為能量均勻釋放。試驗(yàn)證實(shí)，鋁粉完全反應(yīng)的時(shí)間一般在50~200μs之間，鋁粉燃燒的平均釋放熱量為5 030kJ/kg，此方法能很好地彌補(bǔ)JWL狀態(tài)方程缺少的鋁粉后燃燒項(xiàng)[8-9]。

圖2 模擬用的幾何模型

JWL狀態(tài)方程如下：

式（1）中：為爆轟產(chǎn)物壓力；為比容；為內(nèi)能；、、1、2及為JWL狀態(tài)方程的參數(shù)。

對(duì)該TBX炸藥的圓筒實(shí)驗(yàn)進(jìn)行數(shù)值模擬，在解析求解所得參數(shù)的基礎(chǔ)上，通過對(duì)JWL狀態(tài)方程參數(shù)反復(fù)調(diào)整和計(jì)算，最終使計(jì)算得到的圓筒管壁膨脹距離與時(shí)間的曲線與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的誤差小于1%，得到該TBX溫壓炸藥爆轟產(chǎn)物JWL狀態(tài)方程參數(shù)，TNT炸藥采用軟件自帶的模型參數(shù)[10]。模型參數(shù)見表2。

表2 JWL狀態(tài)方程參數(shù)

Tab.2 Parameters of JWL state equation

空氣近視為理想氣體狀態(tài)：

=(-1)（2）

式（2）中：為多方指數(shù)，取1.4；為氣體密度；為比內(nèi)能，取2.068×105μJ/mg。

3 結(jié)果與討論

3.1 沖擊波數(shù)據(jù)

地面壓力傳感器測(cè)到的電壓峰值Δ，由式（3）轉(zhuǎn)換成沖擊波反射壓超壓峰值Δ，由式（4）計(jì)算出沖量，對(duì)同一測(cè)點(diǎn)的沖擊波數(shù)據(jù)，取平均值作為最終結(jié)果，數(shù)據(jù)列于表3。

式（3）~（4）中：為傳感器的靈敏度，V/Pa；0為正壓起始時(shí)刻，s；1為正壓終止時(shí)刻，s；Δ為各時(shí)刻對(duì)應(yīng)的超壓值，Pa。

表3 TNT和TBX沖擊波超壓和沖量試驗(yàn)值

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

圖3（a）~（b）分別為TNT炸藥和溫壓炸藥沖擊波超壓模擬值和試驗(yàn)值的對(duì)比，試驗(yàn)偏差均在20%以內(nèi)，說明該數(shù)值方法可以用于對(duì)溫壓炸藥爆炸沖擊波試驗(yàn)前的探索研究。

圖3 沖擊波超壓模擬值與試驗(yàn)值對(duì)比

圖4展示了該溫壓炸藥和TNT在觸發(fā)后沖擊波云圖隨時(shí)間的變化?？梢钥闯觯瑴貕赫ㄋ幍臎_擊波在9.85ms傳到尺寸邊界，相比TNT炸藥的11.2ms，傳播速度更快，并且溫壓炸藥沖擊波云化地更快，球面效果更好。

圖4 TNT和TBX超壓云圖隨時(shí)間的變化

將表3中沖擊波峰值超壓Δ和沖量與爆心距離之間的關(guān)系作圖，見圖5，可以看出，在近場(chǎng)附近，TBX和TNT炸藥的沖擊波峰值超壓Δ和沖量的差別較大，在最大處，相比TNT炸藥，Δ和分別提高了53.6%和35.6%。但在遠(yuǎn)場(chǎng)，兩者的沖擊波數(shù)據(jù)相差較小，這是由于沖擊波是近似球面波，在傳播的過程逐漸云化并迅速衰減的緣故。另外，在沖擊波超壓的測(cè)試范圍內(nèi)，TNT爆炸的Δ——曲線、——曲線與溫壓炸藥爆炸的沖擊波數(shù)據(jù)——距離曲線變化趨勢(shì)相似，符合爆炸相似律。TNT炸藥峰值超壓和對(duì)比距離的關(guān)系可由式（5）描述，對(duì)TNT和TBX的沖擊波峰值超壓與對(duì)比距離進(jìn)行擬合，得出式（6）和式（7）。

圖5 TNT和TBX超壓和沖量實(shí)驗(yàn)值對(duì)比

相關(guān)系數(shù)分別為99.92%和99.86%，這為對(duì)比距離在1.51~7.08之間該類TBX的峰值超壓提供了計(jì)算公式。

3.2 紅外測(cè)溫及高速攝像

紅外測(cè)溫儀是通過測(cè)到物體的表面亮度，再由式（8）求出物體的表面溫度[11]。紅外測(cè)溫儀的采樣頻率為50Hz，從觸發(fā)后，采集第1張圖片，將高于1 000 ℃的點(diǎn)列于表4。

=()4/π （8）

式（8）中：為物體的亮度，W/m2；()為物體的全發(fā)射率，對(duì)于炸藥爆炸其值范圍為0.35~0.60，取0.45；為斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)，5.67×10-8W/（m2K4）；為物體的絕對(duì)溫度，K。

表4 溫度數(shù)據(jù)

Tab.4 Temperature data

從表4中可以看出，溫壓炸藥高于2 000℃的持續(xù)時(shí)間為140ms，而TNT炸藥僅有20ms；高于1 500℃溫壓炸藥的持續(xù)時(shí)間為260ms，而TNT炸藥只有120ms。溫壓炸藥相比TNT，高溫作用（大于2 000℃）的時(shí)間更長(zhǎng)。將觸發(fā)后兩種炸藥火球溫度隨時(shí)間的變化作圖，見圖6。

圖6 炸藥溫度變化曲線

從圖6可以看出，該TBX比TNT炸藥初始的爆轟溫度高，而且溫度上升快，這從高速攝影圖像中也能看出。爆心附近溫度達(dá)到最高值后，開始減慢，但TBX相比TNT炸藥，溫度衰減地更慢，符合溫壓炸藥Al粉燃燒對(duì)熱值貢獻(xiàn)的增加。圖7是兩種炸藥在爆轟后100ms內(nèi)，由高速攝像記錄的火球變化圖像。

圖7 100ms前TNT和TBX的火球尺寸變化

炸藥爆炸后，爆炸火球呈扁平狀由爆心向周圍膨脹，在反射沖擊波和氣流的作用下，火球形狀從0.06s之后開始上漂變形。TBX火球形狀較TNT扁平，且體積大于TNT火球，TNT和溫壓炸藥火球溫度場(chǎng)都呈現(xiàn)中心溫度高、周圍溫度低的總體趨勢(shì)，但溫壓炸藥火球高溫區(qū)域面積占比大，內(nèi)部分散著多個(gè)較高溫度區(qū)域。隨著時(shí)間的發(fā)展，TBX的火球尺寸不斷增大，但高溫持續(xù)更長(zhǎng)時(shí)間。

4 結(jié)論

（1）在自由場(chǎng)試驗(yàn)中，HMX基溫壓炸藥相比TNT炸藥，在最大處Δ和分別提高了53.6%和35.6%；紅外測(cè)溫和高速攝像顯示，溫壓炸藥高于2 000℃的持續(xù)時(shí)間為140ms，而TNT炸藥僅有20ms；，溫壓炸藥高于1 500℃的持續(xù)時(shí)間有260ms，而TNT炸藥只有120ms，相比TNT，溫壓炸藥高溫作用的時(shí)間更長(zhǎng)，火球尺寸更大。（2）建立二分之一模型，用Autodyn2D軟件對(duì)溫壓炸藥爆炸性能進(jìn)行數(shù)值模擬，為了加快計(jì)算速率，在炸藥附近建立小空氣域再映射到大空氣域中。模擬值與實(shí)驗(yàn)值的誤差在20%以內(nèi)，可以作為實(shí)驗(yàn)前對(duì)溫壓炸藥爆炸特性的初步估算。

[1] Q.L.Yan, W. A. Trzcinski, S. Cudzilo, et al. Thermobaric effects formed by aluminum foil enveloping cylindrical charges[J].Combustion and Flame,2016(166):148-157.

[2] D. Simi?, M. Popovic, R.Sirovatka, et al. Influence of cast composite thermobaric explosive compositions on air shock wave parameters[J]. Scientific Technical Review, 2013,63 (2):63-69.

[3] D. Simi, U. Andjeli, D. Kneevi, et al. Thermobaric effects of cast composite explosives of different charge masses and dimensions[J].Central European Journal of Energetic Materials, 2016, 13(1):161-182.

[4] L. Maiz, W. A. Trzcin′ ski, J. Paszula. Investigation of fireball temperatures in confined thermobaric explosions[J]. Propellants, Explos. Pyrotech,2017, 42(2):142-148.

[5] L. Maiz, W. A. Trzcin ski, J. Paszula. Semi-closed investi- gations of new aluminized thermobaric and enhanced blast composites[J].Propellants, Explos.Pyrotech,2017,42(2): 857-863.

[6] 黃菊,王伯良,仲倩,等.溫壓炸藥能量輸出結(jié)構(gòu)的初步研究[J]. 爆炸與沖擊, 2012, 32(2):164-168.

[7] 李秀麗,惠君明.溫壓炸藥的爆炸溫度[J].爆炸與沖擊,2008, 28(5):471-475.

[8] 茅靳豐,陳飛,侯普民.溫壓炸藥坑道口部爆炸沖擊波毀傷效應(yīng)研究[J].力學(xué),2016,37(1):184-193.

[9] 裴明敬,胡華權(quán),張景森,等.含鋁溫壓炸藥及其爆炸效能研究[J].中國(guó)工程科學(xué), 2009,11(4):67-75.

[10] Century Dynamics. Autodyn theory manual[Z].Revision 4.3.Houston USA,2005.

[11] 仲倩,王伯良,黃菊,等.火球動(dòng)態(tài)模型在溫壓炸藥熱毀傷效應(yīng)評(píng)估中的應(yīng)用[J].2011,31(5):528-532.

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

徐其鵬（1989 -），男，博士研究生，主要從事爆炸與沖擊相關(guān)研究。

國(guó)家安全重大基礎(chǔ)研究項(xiàng)目。