Автореферат (Математическое моделирование детонации алюминизированных взрывчатых веществ)

На правах рукописиНикитин Алексей ДмитриевичМАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ДЕТОНАЦИИАЛЮМИНИЗИРОВАННЫХ ВЗРЫВЧАТЫХ ВЕЩЕСТВСпециальность 01.02.05 - «Механика жидкости, газа и плазмы»АВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква – 2017Работа выполнена на кафедре «Физика конструкционных материалов» Федеральногогосударственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования«Московскийавиационныйинститут(национальныйисследовательскийуниверситет)»Научный руководитель:Никитин Илья Степановичдоктор физико-математических наук, профессор,директор института автоматизации проектированияРоссийской академии наукОфициальные оппоненты:Петров Игорь Борисович,докторфизико-математическихнаук,членкорреспондентРоссийскойакадемиинаук,заведующий кафедрой информатики и вычислительнойматематики ФГАОУ ВПО «Московский физикотехнический институт (государственный университет)»Марчевский Илья Константинович,кандидат физико-математических наук, доценткафедры прикладной математики ФГБОУ ВО«Московскийгосударственныйтехническийуниверситет имени Н.Э.

Баумана (национальныйисследовательский университет)»Ведущая организация:Федеральное государственное бюджетное учреждениенауки Институт проблем механики Российскойакадемии наук им. А.Ю. ИшлинскогоЗащита состоится «15» декабря 2017г. в 10:00 часов на заседаниидиссертационного совета Д212.125.14 Московского авиационного института поадресу:125993, г. Москва, А-80, ГСП-3, Волоколамское шоссе, д.4.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МАИ.Автореферат разослан __ ______ 2017 г.Ученый секретарь диссертационногосовета Д212.125.14, кандидат физикоматематических наук, доцентГидаспов В.Ю.ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность работы. Одним из основных требований, предъявляемых кразработке новых взрывчатых составов (ВС), является повышение их эффективностии работоспособности. Основными показателями эффективности взрывчатых смесейсчитаются параметры ударно-волнового воздействия на объекты, такие как амплитудаизбыточного давления во фронте ударной волны (УВ), удельный импульс фазысжатия.

Повышение указанных характеристик достигается применением болеемощных взрывчатых веществ, а также использованием в составе смеси энергоемкихдобавок. К таким составам относятся составы с металлическими добавками, в томчисле алюминий-содержащими ВС (АВС), а также термобарические составы (ТБС).При детонации зарядов АВС разложение взрывчатой основы происходит вдетонационном режиме, как у обычного унитарного ВВ. Однако в процессе разлетапродуктов детонации (ПД) происходит догорание частиц алюминия.

За счет этогообеспечивается повышенное фугасное действие заряда.Несмотря на значительное число экспериментальных и теоретических работ(Беляева А.Ф., Гогули М.Ф., Махова М.Н., Долгобородова А.Ю., Семенова И.С.,Давыдова В.Ю., Бекстеда М.В., Ховарда В.М., Фингера М.), посвященныхалюминизированным взрывчатым веществам и их свойствам, ряд принципиальныхвопросов, связанных с параметрами детонации, поведением частиц в детонационнойволне, процессами догорания частиц алюминия, остаются невыясненными. Основнойпроблемой в данной области остается сложность прямого экспериментальногонаблюдения за процессом окисления частиц алюминия газообразными ПДконденсированных ВВ.

Поэтому изучение данных процессов возможно толькокосвенными методами, доступными непосредственному экспериментальномунаблюдению. Вследствие этого фундаментальные вопросы о кинетическихзакономерностях окисления алюминия при детонации ВС данного класса остаются ина сегодняшний день открытыми. Для объяснения несоответствия между фугаснымии бризантными формами взрыва существует множество гипотез (Троцюк А.В,Гришкин А.И., Дубнов Л.В., Давыдов В.Ю,, Воскобойников И.М., Гогуля М.Ф.,Анискин А.И., Бердхолд Д., Фингер М. и др.), связанных с механизмами окисленияалюминия.

Однако выводы авторов относительно кинетики горения алюминия и егореакционной способности сильно расходятся.Целью диссертационной работы является математическое моделированиепроцессов детонации алюминизированных взрывчатых веществ. Комплексноерассмотрение процессов детонации алюминизированных взрывчатых веществ,изучение основных экспериментальных закономерностей.Задачи исследования.1. Исследованиеосновныхзакономерностейпроцессадетонацииалюминизированных взрывчатых веществ.2.

Исследование процессов окисления частиц алюминия в детонационной волне.Математическое моделирование взаимодействия частиц алюминия спродуктами детонации.3. Математическое моделирование процессов детонации АВС с использованиеммодифицированных уравнений состояния для продуктов детонации с учетомвторичного энерговыделения.4. Исследование взаимодействия продуктов детонации алюминизированныхвзрывчатых составов на контактной границе ПД с внешней средой.Метод исследования.

В настоящей работе исследование процессов взрывазарядов алюминизированных взрывчатых составов проводилось с применением какэкспериментальных, так и расчетно-теоретических методов. Из-за сложности прямогонаблюдения за процессом окисления алюминия в процессе взрыва, основнымметодом исследования являлось математическое моделирование взрыва АВС. Былипредложены уточненные (модифицированные) уравнения состояния для ПД,математические модели взаимодействия АВС с ПД и окружающей средой.

С ихпомощьюбылипроведенычисленныерасчетыпроцессоввзрываалюминизированных взрывчатых составов.Научная новизна. В диссертационной работе получены следующие новыерезультаты:1. Численно показано, что процесс горения частиц алюминия возможен в зонехимической реакции (ЗХР).2. Предложено модифицированное уравнение состояния для взрывчатых веществс учетом вторичного энерговыделения.3.

В результате проведенных численных расчетов установлено, что метательнаяспособность (МС) зарядов АВС сильно зависят от времени начала выделениядополнительной энергии в различных слоях ВВ. При варьировании времени началавыделения дополнительной энергии удалось описать эффекты, наблюдаемые вэксперименте.Практическая ценность.1. Определенное в работе оптимальное содержание алюминия в смесях с A-IX-1 иокфолом-3,5, а также учет «эффекта догорания» ПД для ВВ с отрицательнымкислородным балансом и дляАВС позволяет выработать практическиерекомендации по оптимизации габаритно-массовых характеристик и рецептур АВС.2.

Разработанные математические модели и методики численного анализа,позволяют адекватно описывать процессы детонации АВС.3. Предложенные уточненные (модифицированные) уравнения состоянияпродуктов детонации АВС, учитывающие вторичное энерговыделение, позволяютдостоверноописыватьэкспериментальныерезультатыпричисленноммоделировании.Основные положения, выносимые на защиту:- Показано существенное влияние процессов догорания ПД АВС в воздухе наметательное действие и скорость расширения ПД. При этом с увеличением скоростидвижения ПД в воздухе эффект догорания проявляется сильнее.- Проведено численное моделирование прохождения детонационной волны почастице алюминия. Показано, что в детонационной волне происходит разрушение иснос оксидной пленки с поверхности частицы алюминия.

На основе этих расчетовбыла предложена математическая модель, согласно которой горение частицалюминия начинается непосредственно в зоне химических реакций.- Предложено модифицированное уравнение состояния продуктов детонации,включающее в себя время горения частиц алюминия и количество выделенного вданном процессе тепла.- Проведена численная оценка влияния эффектов сгорания добавок алюминия наметательное действие зарядов, а также определено количества прореагировавшегоалюминия при различных условиях протекания реакции.- Проведено моделирование процессов радиального и торцевого расширенияпродуктов детонации ПД.

Предложена модель, согласно которой определяющую рольв наблюдаемых скоростях расширения продуктов детонации играют множественныекумулятивные струи, образующиеся на поверхности прессовых зарядов ВВ впроцессе разлета ПД.- Проведено численное моделирование процессов детонации зарядов А-IX-1 и A-IX-1+ 10% Al с учетом дополнительного энерговыделения и его влияния на метательноедействие оболочек и пластин. Показано, что расчетные данные по скорости метанияпластин и оболочек сильно зависят от времени выделения дополнительной энергии впродуктах детонации.Достоверностьиобоснованностьрезультатов,представленныхвдиссертационной работе, обеспечиваются строгостью математических постановок,разработкой адекватных физико-математических моделей, устойчивостью исходимостью используемых численных методов, тестированием вычислительныхалгоритмов, а также сравнением результатов численного моделирования срезультатами экспериментальных и расчетно-теоритических исследований другихавторов.Апробациярезультатовисследования.Результатыисследованийдокладывались на научно-технических конференциях «Проектирование систем» вМГТУ им.