烟火药爆炸性能的数值模拟

第19卷　第S1期1999年12月北京理工大学学报Jou rnal of Beijing In stitu te of T echno logy V o l .19　N o.S1D ec .1999烟火药爆炸性能的数值模拟0郝新红 汪佩兰(北京理工大学机电工程学院,北京　100081)摘　要　目的　研究烟火药爆炸性能的数值模拟方法,并将计算结果与有关的实验结果进行对比说明其可行性Z 方法　采用R eal 软件模拟烟火药在密闭定容条件下的反应情况,得到反映烟火药爆炸性能的冲击波初始参数,而后用A u toR eaGas 软件模拟烟火药的冲击波在自由场中传播过程,并根据模拟的冲击波超压曲线,获得了烟火药峰值压力处的TN T当量Z 结果与结论　模拟规律与实测结果有一定可比性,并总结了计算结果误差存在的原因Z关键词　烟火药;爆炸性能;TN T 当量;数值模拟分类号　TJ 45收稿日期:19990409 0部级基金资助项目烟火药及其制品在一般情况下以燃烧形式发生作用,但若在松装、密闭条件下燃烧亦可发生爆炸Z 烟火药的爆炸过程实验测量十分困难,为此,提出一种更为简便、准确的方法评判烟火药的爆炸性能很为必要Z 本文正是在此方面提出了一种评判烟火药爆炸性能的数值模拟方法,详细描述了烟火药的冲击波在自由场中传播过程,得到了自由场中不同距离处的压力随时间变化曲线,从而换算出反映烟火药爆炸性能的各配方的压力TN T 当量Z1　烟火药爆炸性能数值模拟的思路烟火药爆炸性能的数值模拟,旨在获得烟火药爆炸后形成的冲击波在无外界能量继续补充的情况下,于空气中的自由传播过程Z模拟烟火药的冲击波在自由场中传播过程,关键是冲击波初始参数的确定Z 参考前人有关猛炸药的数值模拟经验[1]:烟火药在定容密闭条件下完全反应后,忽略容器及其破片的影响,假定容器中的全部能量都被置于流场中,则烟火药在密闭容器中完全反应后的终态参数可以作为其冲击波的初始参数Z由上述分析,提出以下构思:以计算热力学平衡参数的R eal 软件计算烟火药在定容密闭条件下的完全反应情况,得到其平衡后的终态参数:压力p 、终态温度T 、产物膨胀速度v ,并把这些参数作为冲击波的初始参数,采用计算爆炸与冲击的A u toR eaGas 软件动态模拟烟火药的冲击波在自由场中的传播过程Z2　冲击模型与计算方法用非粘性、可压缩、理想流体的Cartesian 张量标志法来表示冲击模型,其欧拉型守恒方程为:质量守恒方程5Q 5t +55x j (Q L j )=0Z (1)动量守恒方程55t (Q L i )+55x j (Q L j L i )+5p 5x i =0Z (2)能量守恒方程55t (Q E )+55x j (Q L j E )+55x j(Q L j )=0Z (3)E =e +(12)L i L j Z (4)式(1)～(4)中,Q 为密度;p 为压力;e 为内能;L 为质点速度Z在三维空间的数值模拟过程中,采用空间分裂法可将上述3个状态分解成X ,Y ,Z 方向的质量、动量、能量守恒方程Z 计算中采用通量修正输运方法(FCT )计算网格间的输运效应,这种计算方法成功地解决了强间断面在空间中传播的数值求解问题[2]Z3　爆炸场的初始参数爆炸场的初始参数由R eal 软件模拟烟火药在定容、密闭条件下的反应情况得到,见表1Z表1　烟火药各配方的冲击波初始参数 药剂配方与配比峰值压力p M Pa 反应温度T K 产物的膨胀速度v (m ・s -1)KC l O 4+A l70%30%146198　614215　23211　KC l O 4+Ba (NO 3)2+S +A l30%30%25%15%153190　428810　58619　KC l O 3+Ba (NO 3)2+S +A l30%30%25%15%146186　421018　57110　KNO 3+S +C75%10%15%122182　206912　52613　KC l O 3+S +C61%30%9%128169　251510　54918　TN T (100%)354150219413955164　模拟结果及分析根据烟火药各配方实测的爆炸输出情况,本文模拟了方圆15m 的爆炸场内烟火药各配方的冲击波自由传播过程,从爆炸场中心向外依次等距分布30个测试点(即相当于每隔015m 置一压力传感器),以便在冲击波自由传播的动态模拟过程中,同时测试不同位置处压力随时间变化曲线(因传播距离较大,若模拟冲击波的球型扩散,则划分单元格数量不能满足精度要求,因此本文模拟空间为二维),得到各配方的冲击波在不同位置处的峰值压力后,把各配方在不同测试点的峰值压力与TN T 在此处的峰值压力相比,从而得到各配方随距离变化的压力TN T 当量值,挑出每种配方随距离变化的压力TN T 当量中的最大值,列于表2Z75　第S 1期郝新红等:烟火药爆炸性能的数值模拟表2　烟火药各配方的TN T 当量 烟火药配方与配比最大压力TN T 当量模拟值实测值1)KC l O 3+Ba (NO 3)2+S +A l 30%30%25%15%015638　1150　KC l O 4+Ba (NO 3)2+S +A l 30%30%25%15%015511　1115　KC l O 3+S +C 61%30%9%014558　0198　KC l O 4+A l70%30%014359　0165　KNO 3+S +C 75%10%15%014253　0149　TN T (100%)11 1)实验数据由机械电子部安全技术研究所《烟花、爆竹药的梯恩梯当量试验研究》的科学报告提供 以配方KC l O 3+B a (NO 3)2+S +A l 为例,鉴于图片量较大,仅挑选具有代表性的几个测试点处的压力随时间变化曲线说明问题,模拟情况如图1所示(其它配方模拟所得的压力随时间变化曲线略去)Z图1　不同分布距离处的冲击波压力随时间变化曲线由不同距离处各测试点的压力随时间变化曲线所得配方的最大压力TN T 当量和实测的烟火药各配方的最大压力TN T 当量如表2所示Z 其中,实测值的实验条件和方法为:在平整地面上布置20个测试点,分两条测(每条10个测点,两条测线互成90°角,且每条测线测试点间的距离依次增加);烟火药各配方在一定的粒度、水分含量和包装方式下,由引火头或雷管引爆,根据测得的冲击波超压通过计算机分析,得到各配方的最大压力TN T 当量(即各配方在不同距离处的最大峰值压力与TN T 在此处峰值压力的比值中的最大值)Z 85北京理工大学学报第19卷　由表2可知,所选烟火药各配方最大压力TN T 当量值的模拟结果与实测结果的排列顺序基本一致,即在相同条件下,配方KC l O 3+B a (NO 3)2+S +A l 的TN T 当量值最大;而配方KNO 3+S +C 的TN T 当量值最小,也就是说,前者配方爆炸后的能量输出强于后者Z 这证明此模拟方法的思路对于定性评判常规烟火药爆炸后能量输出的相对大小是可行的Z烟火药爆炸后对周围介质的作功能力,主要由烟火药自身所含的爆轰潜能(即反应热)和作功效率所决定,而作功效率又取决于把爆轰潜能转化为机械功的气态爆轰产物的多少及药剂反应过程中能量释放速率的快慢Z 从本文数值模拟所需输入的爆炸场初始参数看(如表1),以烟火药各配方最大压力TN T 当量值来定性评判其爆炸后能量输出的大小的方法,既兼顾爆热和产气量多少两个因素,还考虑了爆炸产物膨胀速率的影响;此外,此模拟方法能够动态模拟烟火药冲击波在自由场中的传播过程,得到烟火药各配方随传播距离变化的压力TN T 当量,模拟结果与实际较相似Z 因此,本文所提出的数值模拟方法的思路是正确、可行的Z需要说明的是,从表1和表2知,当烟火药配方的能量释放速率较慢,即受动力学因素影响较小时,模拟值与实测值较吻合,如配方:KC l O 4(70%)+A l (30%)(压力TN T 当量的模拟值014359,实测值016500)和配方KNO 3(75%)+A l (10%)+C (15%)(模拟值014253,实测值014900)Z 而若配方反应的能量释放速率较快,即动力学因素影响较为显著时,模拟结果与实测值有较大差距(如表2中的前两种配方),对于此种情况,模拟方法可以定性比较烟火药各配方爆炸后能量输出的相对大小(即非具体数值),但不能根据所模拟的TN T 当量具体数值就说此配方爆炸后的能量输出比TN T 大或是小Z 原因在于:①由R eal 软件模拟得到的烟火药各配方的冲击波初始参数不同于其实际爆炸形成的爆轰波参数,其终究还是从热力学角度考虑,还没有真正解决能量释放速率的动力学问题Z ②各配方压力TN T 当量的实测值还考虑了药剂的粒度、水分含量、引爆方式以及药包外壳的材料和几何形状等多种因素的影响(如同样配方采用点火头引爆与采用8#电雷管引爆,其TN T 当量就有很大差别),而这些特性在模拟过程中是无法考虑的Z 因此,本文提出了一种数值模拟烟火药爆炸作用性能的新方法,用这种方法,从药剂自身性能出发,定性比较各配方爆炸后能量输出的相对大小是可行的,但对于烟火药配方的冲击波初始参数如何确定才能比由R eal 软件所确定的参数更为合理,还有待于进一步研究Z5　讨　论①提出了一种新的评判烟火药爆炸性能的数值模拟方法,以R eal 软件模拟烟火药在定容密闭条件下的反应情况,得到烟火药冲击波的初始参数,再以A u toR eaGas 软件动态模拟此冲击波在自由场中的传播过程,得到各配方相对于TN T 的压力当量值Z 模拟结果与实测规律较吻合,证明此模拟方法对于定性评判烟火药各配方爆炸后能量输出的相对大小是可行的Z②模拟所得的压力TN T 当量值,只能定性比较烟火药各配方爆炸后能量输出的相对大小而不能得到其能量输出的绝对值Z 这主要是冲击波初始参数的确定问题,即本文还没有真正解决能量释放速率的动力学问题,此问题还有待于进一步研究Z参考文献1　贝克W E ,威斯汀P S .爆炸危险性及其评估(上册).张国顺,文以民译.北京:群众出版社,198895　第S 1期郝新红等:烟火药爆炸性能的数值模拟06北京理工大学学报第19卷　2　恽寿榕,涂侯杰,梁德寿等.爆炸力学计算方法.北京:北京理工大学出版社,1995Nu m er ical Si m ulation of the Explosive Property ofPyrotechn ical Com position sH ao X inhong W ang Peilan(Schoo l of M echano2E lectron ics Engineering,Beijing In stitu te of T echno logy,Beijing100081)Abstract　A i m　To p resen t a num erical si m u lating m ethod fo r the exp lo sivep rop erty of the p yro techn ical com po siti on s and to illu strate its feasib ility by com p aring the si m u lati on resu lts w ith the related test resu lts.M ethods　A new w ayw as set ou t to acqu ire the TN T equ ivalence of the p eak p ressu re of the p yro techn ical com po siti on s by si m u lating the p yro techn ical b last effect in the air conditi on u singthe softw are A u toR eaGas.T he in itial p aram eters of the b last w ere ob tained bysi m u lating the reacti on p rocess of the p yro techn ical com po siti on s in the clo sed bom bu sing the softw are R eal.Results and Conclusion　T he si m u lati on resu lts w ere com p arab le to the related test resu lts.T he reason fo r the erro rs of the si m u lati on resu lts w ere also summ arized.Key words　p yro techn ical com po siti on s;exp lo sive p rop erty;TN T equ ivalence;num erical si m u lati on。