输运热对炸药快烤响应特性影响的研究

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弹药的快烤试验是评估弹药热安全性能的重要试验。为了研究炸药的快烤响应特性,本文对装填压装FOX-7炸药的引信和装填熔铸B炸药的弹药进行了快烤试验,得到了各自的响应特性。在此基础上,通过数值模拟方法探究了输运热对压装FOX-7炸药和熔铸B炸药快烤响应特性的影响,并且研究了弹药快烤升温速率阈值随炸药装药尺寸的变化规律。对装填FOX-7炸药的引信进行两组不同升温速率的快烤试验,A组引信的平均升温速率为223℃·min-1,B组引信的平均升温速率为510℃·min-1。试验结果表明:A组引信和B组引信相比,响应时间较长,响应剧烈程度较剧烈,表明升温速率对压装FOX-7炸药快烤响应特性有明显的影响。装填熔铸B炸药的¢35mm、¢76mm和¢130mm三种尺寸弹药的快烤试验结果表明:带有泄压孔的弹药耐烤燃时间较长,响应等级是燃烧反应,不带泄压孔的弹药耐烤燃时间较短,响应等级是爆炸反应,可见即使是烈性炸药,设计泄压孔对弹药也具有良好的减敏作用。在试验的基础上,用Fluent软件对装填FOX-7炸药的引信和装填B炸药的弹药进行了数值模拟。对装填FOX-7炸药引信的数值模拟结果表明:压装FOX-7炸药快烤时,辐射热通量起主要作用,其次是对流热通量;当热质量流量为26kg·m-2·s-1时,FOX-7炸药快烤的升温速率阈值是77℃·min-1,且快烤时炸药装药的响应位置均在底部;在热质量流不变的条件下,随着升温速率的提高,药柱的平均温度梯度增大;输运热中的升温速率对FOX-7炸药快烤的响应时间、响应温度和平均温度梯度均有影响,而热质量流量只影响FOX-7炸药快烤的响应时间。对装填熔铸B炸药弹药的快烤数值模拟结果表明:快烤时辐射热通量依然起主要作用,对流热通量起次要作用;当通入的热质量流量为29kg·m-2·s-1时,B炸药的快烤温升率阈值是24℃·min-1,快烤时炸药装药的响应位置均在药柱表面;随着升温速率的提高,药柱内部平均温度梯度越来越大,相变百分比逐渐下降;输运热中的升温速率对B炸药快烤的响应时间、响应温度、相变开始时间、相变结束时间、相变百分比和平均温度梯度均有影响,而热质量流量只影响B炸药快烤的响应时间、相变开始时间和相变结束时间;B炸药中TNT在相变过程中,传热方式由传导传热转变为传导传热和对流传热,B炸药相变后的流动特性由类固性转变为Bingham流体的剪切稀化特性。对不同尺寸的压装FOX-7炸药药柱和熔铸B炸药药柱进行了快烤升温速率阈值的数值模拟研究,结果表明:当通入的热质量流量为定值时,FOX-7炸药和B炸药的快烤升温速率阈值均随着装药尺寸的增大而减小,且装药尺寸越来越小时,炸药快烤升温速率阈值会发生突变,急剧上升。由此可见,美军标MIL-STD-2105D规定的快烤升温速率和火焰温度要求一是考虑了常规小尺寸弹药尺寸效应,二是考虑了弹药对热辐射作用的敏感程度,三是保证点火位置在整个装药表面,利用聚心爆轰增大响应烈度。上述研究结论对压装炸药和熔铸炸药的热安全性分析和研究具有重要的参考价值和指导作用。
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