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RDX基炸药热起爆临界温度的测试及数值计算

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基炸药热起爆临界温度的测试及数值计算 RDX

张亚坤1,智小琦1,李 强2,范行华2,陈志斌2

(,山 西 太原 0西集团公司 ,山 西 太原 01.中北大学机电工程学院 30051;2.晋 30027)

摘 要 :为 了研究 基炸药在不同烤燃温度下的热分解规律 ,采用恒温控制技术 ,以 的 升 温 速 率 对 RDX 1℃/min 基炸药进行了烤燃试验。利用 软件对不同温度下的热爆炸延滞期进行了数值模拟。 结果表明 ,烤 RDX FLUENT 燃温度对 基炸药的热分解有重要影响 ,当恒定温度达到 时 ,基炸药的分解速率发生明显变化。 数 RDX 175℃ RDX 值模拟结果表明 ,当 以 恒 定 时 ,基炸药发生了自加热反应 ,最 终 导 1℃/min的升温速率加热至 178℃ 660min RDX 致点火。R基炸药发生自加热反应的临界温度为 。 DX 178℃ 关键词 :爆 炸力学 ;基炸药 ;热 安定性 ;恒 温 ;烤 燃试验 ;数 值计算 RDX :中图分类号 TJ55;O389

:文献标志码 A :(文章编号 100778122014)01003905 ---

emeratureoDeterminationandNumericalCalculationofThermalInitiationCritical TpfRDX-basedExlosivep

1 1 2 2 2

,,,ZHANG YakunZHIXiaoiLIQianFAN XinhuaCHENZhibin--qg,g--

(,T; 1.SchoolofMechatronicEnineerinorthUniversitfChinaaiuan030051,Chinagg,Nyoy

,) 2.JinxiIndustriesGrouo.LTD,Taiuan030027,ChinapCy

:T,AbstractostudhethermaldecomositionruleofRDXbasedexlosiveatdifferentcookofftemeraturesthe coytp-p-pokofftestwasperformedataheatinateof1℃/minusinhermostatcontroltechniue.Thedelaeriodof ther-grgtqypmalexlosionatdifferenttemeratureswassimulatedbLUENTsoftware.Resultsshowthatthecookoff temerppyF-paturehasanimortanteffectonthermaldecomositionofRDXbasedexlosive.Whentheconstanttemeraurereachepp-pp- t,sto175℃ thedecomositionrateofRDXbasedexlosivechanessinificantlThenumericalsimulaionresultsshp-pggy.- towthatwhentheRDXbasedexlosiveheatsuo178℃ ataheatinateof1℃/minand maintains thetemerature-pptgrp,for660min,theexlosiveoccurstheselfheatinreactioneventuallleadinothermalinitiation. Thecriticaltemerp-gygtp:atureofselfheatineactionforRDXbasedexlosiveis178 ℃. Keordsexlosion -gr-py wp;;;mechanicsRDX-basedexlosivethermalstabilitconstantambienttemeraturecook-off t;py;pestnumericalcalculation

引 言

,烤的响应等级没有显著变化 但 装药反应对外作功 能力提高。 而 关 于 高 能 炸 药 在 受 到 外 部 环 境 的 缓 ),慢加热(如邻舱缓 慢着火 并 达到和维持在某一温 ,度中的响应情况报道较少 而 这是关系到弹药安全 使用和存贮的重要因素。

炸药的烤燃试验更加接近于实际使用条件,但试

验成本高、周期长。利用数值计算方法可方便地对炸 药的热起爆全过程进行综合分析。本文通过实验与 数值模拟相结合的方法,研 究 基炸药在不同热 RDX 烤温度下的热分解特性及相应规律,以期为弹药在贮 存、安全使用等方面提供参考。

炸药的烤燃 试 验是检验和评估炸药热易损性

]1

。 的重要方法之一[近几年,关 于炸药烤燃试 验 的 研究主要集 中 在 研 究 物 理 因 素 对烤燃响应剧烈程

]23]、度的影响。如李娟娟[冯 晓 军[等 人 研 究 了 装 药 密度对炸药慢速烤燃特性的影响。 结果表明,随 着

孔隙率 的 增 大,炸 药 烤 燃 反 应 的 剧 烈 性 也 随 之 增 加,提高装 药 密 度 有 利 于 降 低 炸 药 的 热 易 损 性 能。 4]孙培培[等研究了壳 体厚度对 炸药快速烤燃 TNT

响应的影响,结果显示,装药外界约束增强,快 TNT

::收稿日期 20130723; 修回日期 20130929 ----作者简介 :张 亚坤(,男 ,硕士研究生 ,从事弹药易损性方面的研究 。 1986-)

40

火 炸 药 学 报 第 第 37卷 1期

1 实 验

1.1 烤燃测试系统

烤燃测试系 统 主 要 由 电 热 丝、MR13 温 度 控 制 仪、计算机、热电 偶等组成,如 图 1 所示。 用电热丝 为烤燃弹提供 热 源,MR13 温 度 控 制 仪 控 制 电 热 丝 的升温速率为1℃/min,当测点温度达到预定值时 , 利用 PAD27功 率 调 节 器 控 制 温 度,使 烤 燃 弹 温 度 恒温在该 设 定 值。 烤 燃 弹外 壁圆柱部固定一 只镍镉/镍硅热电 偶,精 度 1 级,测 定烤燃过程中弹 体外壁的 温 度。 通 过自行设计软件实时采集烤燃 过程中的温度-时间历程曲线。

图 1 慢烤实验系统示意图

Fig.1 Systemsketchofslowcook-offtest 实验前,首 先 对 升 温 速 率 做 标 定,确 保 升 温 速 率为预定值,然后 以 1℃/min 的恒定升温速率进行 加 热,当 测 点 温 度 分 别 达 到 160、170、180、185、 190℃时恒定50min

,观测烤燃弹的响应情况 。每种 恒定温度下至少做两发平行试验。 1.2 烤燃弹状态

烤燃弹的尺寸为 Ф19mm×38mm,壳体 材料为 45号 优 质 碳 素 结 构 钢,壳 体 圆 柱 部 壁 厚 为 (3± 0.04)mm,上下端盖 壁厚 (1±0.03)mm),两 端用带 螺纹的端盖与圆柱部密封连接。

方(质量分 数 )为:95.0%RDX、5.0% 添 加剂 (地 蜡、硬 脂酸和苏丹红),药 柱直径 19mm,高 度38mm,长径比 为 2∶1,药柱 平均密度为理论密 度的92%(1.628g

/cm3

)。 1.3 实验结果

RDX 基炸药的烤燃结果见表1。图2为炸药在 不同环境温度下的质量分解率曲线。图3为烤燃弹 在恒温185℃和190℃条件下的温度-时间曲线。

表 1 烤燃试验结果

Table1 Experimentalresultsofcook-offtest

响应结

t/℃ m0/g

m1/g

Δm/g 分解 率/% 果判定 160 17.62 17.34

0.28

1.59 未响应 170 17.56 17.24 0.32 1.82 未响应 180 18.03 17.56 0.47 2.61 未响应 185 18.07 17.37

0.7 3.87 未响应 190 17.90 — —

爆 轰

注 :m0、 m1 分别为试验前后 RDX 基炸药的质 量 ;Δm 为

质量变化。

图 2 不同温度下炸药的分解率曲线

Fig.2 Curveofdecompositionrateofexp

losiveat differenttemp

eratures

图 3 185℃ 和 190℃ 时的温度-时 间历程曲线

Fig.

3 TheT-tcurvesat185℃ and190℃ 从图 2 可以 看 出 ,当 温 度 低 于 175℃ 时 ,RDX基炸药的 分 解 速 率 缓 慢 ,随温度的增加质 量 分 解率几乎呈 线 性 关 系 ;假设分解后的产物全 部 为 气态产物 ,系 统温度增加 10℃ ,气 体产 物 增 加 率 没 有达到 2~4 倍 ,即 该 条 件 下 RDX

基 炸 药 的 分 解 率 不遵 循 范 特 荷 甫 规 则[5]

。 当 温 度 大 于 175℃ 时,

RDX

基炸药的分解速率明显加快 ,且 随 温 度 的 增 加呈强 线 性 关 系。 由 此 可 见 ,一 定 存 在 某 一 温 度 拐点 (或 小范围 ),当 温度 高 于 该 点 时 ,由 于 分 解 速

率加 快 ,系 统 产 生 自 加 热 反 应 ,最 终 导 致 点 火 爆轰。

由图3可知,在185℃恒温50min内,烤燃弹未 发生响应;当加热到190℃恒温28min时,炸药发生 自加热反 应,系 统 热 失 衡,最 终 发 生 点 火 响 应。 发 生响应时测点温度为 210~212℃。 试验时由于恒定温度时间有限 ,临 界拐点温度 及炸药在其他温度下发生热起爆 的 延 滞 期 未 能 研 究得出,因此采用数值计算。

数值计算

2.1 物理模型的建立

假定炸药为均质固相 ,化 学反应是零级放热反 应;炸药不发生相 变,反 应物没有消耗;反 应区内仅

2第 第 37卷 1期

张亚坤 ,智 小琦 ,李 强 ,等 :基炸药热起爆临界温度的测试及数值计算 RDX 41

,;有热传导,反应物 质无运动 因此无对流传热 炸 药 2.2 数学模型的建立 的热作用过程为有内热源的非稳态导热过程 ;反 应 在烤燃 实 验 中,药 柱 的 热 反 应 及 热 传 导 遵 循

[6]

: rankamenetskii方程区的边界对物质不渗透,边界处的热交换遵循牛顿 F-KTE2

c=aAexv λT+Qp - ρρ(冷却定律;炸药的物 理参数 热 导率、比 热容、密 度)

tRT ()和化学参数 表 观 活 化 能、指 前 因 子、反 应 热 在 反

[]7

,: 在柱坐标系下温度场的控制方程可以表示为T22应过程中保持不变。 T 1 =T T cv λ 2 T ρ,,由 于 烤 燃 弹 为 轴 对 称 体 为 减 少 计 算 量 计

( )

z+

2 y

,, 算 模 型 只 考 虑 纵 剖 面 的 一 半 即 以 上 部 分 Z 轴 ,且 采 用 整 体 求 解 计 算 法 烤 燃 物 理 模 型 如 图 4 。 所 示

+r + (rr2

2 φ 2

EQaAexp - RT

图 4 烤燃物理模型图

Fi4 Diaramofcookoffphsicalmodel g.g-y

、(/)、式中:分别为反应物的密度 比 热 cv、λa kgmρ、-1 -1 -1 -1 -1

·k、(容(热 导 率 Jg·K)J·m·K·s)

/);和反应分数;Q 为反应物的反应热(JkgA 为指前 -1 -1

/);(;因子(活 化 能 普 1sE 为 J·mol·K)R 为

-1 -1

(。R适气体常数 基 炸 药 的 化 J· mol·K)DX

学反应 放 热 项 采 用 软 件 进 行 模 拟,以 内 FLUENT 部热源的 形 式 由文 本自编的子程序嵌入到 FLU- 8]9]

。 主 程 序 中[计算所 涉及的材料参 数[见 ENT

( )

表2。

表 2 材料参数

Table2 Materialarameters p

-1-1

·m)(·m·K-1) (18-1) (JolJolkg·m-3) (5··k·K-1) (·m-1 ·K-1 ·s-1)(J10Jk10sJg-1 g-1) (

RDX 1640 1130 0.213 2.101 2.01 202730 8.314

材料

/ρ/ cv/ λ/ Q/ A/ E/ R

45钢 7850 480 43

同 热 烤 温 度 下 基 炸 药 热 起 爆 延 滞 期 2.3 不 RDX 的数值计算

图 给 出 了 恒 温 时,内 弹 体 外 壁 5 185℃ 50min 温度随时间的变化。 可以看出,通 过试验和计算得 。 出的温度-时间曲线吻合度高,表明所取参数合适

(由图6可 以 看 出,时 药 柱 中 心 温 度 b)192min 达到1时 药 柱 中 心 的 最 高 温 度 没 有 62℃,1500min

变化。由此可见,此 时固态炸药的热分解仍然是一 个缓慢的反 应 过 程,系 统 处 于 热 平 衡,炸 药 不 会 发

,。 生自加热点火反应 即系统在该温度下是安全的

)由图6(可 知,时 药 柱 中 心 最 高 温 度 c160min 心的最高温度没有变化。 174℃,1500min时药柱中

可见,系统 在 该 温 度 下,炸 药 分 解 释 放 的 热 量 可 以 平稳地散失到环境中,热 得失平衡,没 有热量积累, ,药柱不会发生自加热点火反应 即 在该条件下系统 同样是稳定或安全的。

()从图6可 以 看 出,时,药 柱 中 心 温 度 d50min 达到 时,测 点温度达到 药 柱 188℃,215min 210℃,

中心温度达 到 发 生 自 加 热 点 火 反 应。 即 系 219℃,,统在该温度下热失衡 分 解释放的热量不能完全散 失到环境中,出现热积累,最终发生剧烈反应。

)由图 可 以 得 出,时,药 柱 中 心 温 度 6(e50min ,已经明显高于边部温度 炸 药的热分解已经发展到 自加速 阶 段,时,药 柱 中 心 温 度 达 到 63min 219℃, 发生爆轰反应。

,从上述计算结果可见 基炸药的临界安全 RDX 环境温度为 通 过 数 值 计 算 得 出 其 临 170~180℃。

图 5 试验和计算得到的弹体外壁在恒温 185℃

时的温度- 时间曲线

Fi5 ThecalculatedandexerimentalT-tcurves g.p

ofproectileboduterwallat185℃ jyo

图6为不同温度时烤燃弹体在不同时间的温度

()分布。从图6可以 看出,时,药 柱中心温度 a5min 已明显高于周围外部的温度;测点温度达 28min时,

到2药柱中 心最高温度达到 发 生 点 火 10℃,219℃,反应,与试验结果吻合。

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火 炸 药 学 报 第 第 37卷 1期

)界安全环境温度 为 图 可 以 看 出,在 178℃。 从 6(f

时,药 柱中心温度已明显高于周围外部的温 90min 度,当6药柱中心最高温度达到 2发 60min时,19℃, 生点火反应。因此,模 拟 计 算 得 到 基 炸 药 的 RDX

临界拐点温度为178℃。

()由图6可以看出,时,药 柱中心温度达 g3min 到2发生点 08℃,9min时药柱中心温度达到219℃,火反应。

图 6 不同烤燃温度时弹体的温度分布

Fi6 Temeraturedistributionoftheproectilebodtdifferentcookofftemerature g.pjya-p

图 为 炸 药 的 热 起 爆 延 滞 期 与 温 度 的 关 系 7 曲线。

从图7可以看出,当温度低于178℃时,RDX 基 ,炸药的热分解没有产生热积累 炸 药处在相对稳定

,状态。随着 温 度 的 升 高,炸 药的热分解加剧 并 发 展到自加热 阶 段,系 统 热 失 稳,最终导致自加热点 火,产生自 加 热点火的最低温度 为 结 论 178℃。 该 与烤燃试验结果吻合。 另外,炸药 的热起爆临界温

]1011]12]

、、度与升温速率[炸药装 药量[密 度以及约束[

等条件有关。

图 7 炸药热爆炸延滞期与温度的关系曲线 Fi7 Relationcurvebetweenthedelaeriodof g.yp

thermalexlosionandthetemeratures pp

第 第 37卷 1期

张亚坤 ,智 小琦 ,李 强 ,等 :基炸药热起爆临界温度的测试及数值计算 RDX

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3 结 论

()在 烤 燃 试 验 中,以 一 定 的升温速率烤燃 1

炸药热分解质量 RDX 基炸药并恒定在不同温度时 ,损失率不同。 当 恒 定 温 度 达 到 左 右 时,热 分 175℃ 解速率明显上升,系统会发生自加 热反应最终导致 点火。

()2RDX 基炸药的烤燃试验结果与数值计算结 果基本一致,采 用 的 物 理 模 型、数 学 模 型 以 及 RDX 基炸药 参 数 可 以 用 于 R基 炸 药 的 烤 燃 数 值 计 DX 算。基炸药的热起爆临界温度为 RDX 178℃。

],:烤燃响应的影响[含 能材料 J.2011,19(4)432-43

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《火炸药燃烧与爆炸技术》专辑征稿启事

、 火炸药燃烧与爆炸技术是影响火炸药技术发展的共性问题和基础问题。 近年来,新 型 材 料 如 CL-20

,,以及高活性材料相继合成及应用 其相关研究也十分活跃 对提高整 个武器装备的动力和威力 DNTF、ADN

起到了巨大的推动作用。

,《《为了更好地促进火炸药燃烧与爆炸技术的发展 火 炸药学报》将 于 年第 期出版 火 炸药燃烧与 2014 4 爆炸技术》专辑。

征稿截稿日期:2014年6月30日。

,。欢迎广大科研工作者积极投稿 投稿时请注明“专辑投稿”

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