Диссертация (Математическое моделирование детонации алюминизированных взрывчатых веществ)

1МОСКОВСКИЙ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ(национальный исследовательский университет)На правах рукописиНикитин Алексей ДмитриевичМАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ДЕТОНАЦИИАЛЮМИНИЗИРОВАННЫХ ВЗРЫВЧАТЫХ ВЕЩЕСТВС ециальностьМеханика жидкости, газа и лазмыдиссертации на соискание ученой сте еникандидата физико-математических наукНаучный руководительд ф-м н , рофессорИ С НикитинМосква – 20172ОглавлениеС исок ринятых сокращений и основных обозначений ...................................

4Введение ................................................................................................................... 5Глава Обзор литературы о теме детонации взрывчатых веществ салюминием ............................................................................................................ 101. Основные эта ы развития взрывчатых веществ ..................................... 10О детонации смесей взрывчатых веществ с алюминием ........................ 113 Обзор термодинамических методов для математического расчетаараметров детонации ...................................................................................... 19Глава Взаимодействие родуктов детонации конденсированных ВВ сокружающим воздухом ........................................................................................

27Постановка экс ериментов и основные результаты о метаниюоболочек и ластин ............................................................................................ 27О ределение о тимального содержания алюминия в смесях с A-IX- иокфолом-3, для достижения максимальной скорости метания оболочек . 303 Разлет родуктов детонации A-IX- и его смесей c дис ерснымалюминием ..........................................................................................................

314 Исследования метательной с особности взрывчатых составов ометодике М-40 .................................................................................................... 34«Эффект догорания" ри двухстороннем инициировании зарядов встальных оболочках ........................................................................................... 376 Электронно-микроско ические исследования частиц алюминия АСД-1и АСД-4 . ............................................................................................................. 437 Изучение рофилей давления родуктов детонацииалюминизированных ВВ ри истечении через щели .....................................

478 Обработка экс ериментальных результатов рентгено-им ульснойсьемки О ределение скоростей разлета трубок ............................................ 49Глава 3 Обработка экс ериментальных результатов с ис ользованиемматематических методов и алгоритмов интер ретации олученных данныхМатематическое моделирование разлета родуктов детонации и метания телразличной конфигурации для взрывчатых веществ и алюминизированныхвзрывчатых составов ............................................................................................ 533 Численное моделирование взаимодействия частиц алюминия сдетонационной волной .....................................................................................

5333Модель разрушение оксидной ленки ри ударно-волновом сжатии........................................................................................................................... 5333Модель для линейной скорости горения частиц алюминия ............. 58Составления уравнений состояния JWL с учетом эффекта догоранияродуктов догорания во времени .................................................................... 593Уравнение состояния JWL ....................................................................

593Уравнения состояния JWL с учетом эффекта догорания родуктовдогорания со временем .................................................................................. 613 3 Постановка задачи моделирования ......................................................... 623 4 Численное моделирование методики М-4 , а также разлета ПД зарядовбез оболочки ....................................................................................................... 653Численное моделирование с учетом вторичного энерговыделения ..... 71Заключение ............................................................................................................ 80С исок литературы ...............................................................................................

824Список принятых сокращений и основных обозначенийВС-взрывчатый составОДС-объемно-детонирующий составАВС-алюминий-содержащий взрывчатый составПД-ТБС-термобарический составМС-метательная с особностьВВ-взрывчатое веществоДВ-детонационная волнаПВ-ЗХР-зона химической реакцииСУВ-скорость ударных волнВУВ-воздушная ударная волнаКБ-кислородный балансУВ-ударная волнаПА-родукты детонацииродукты взрываорошок алюминияНазвания химических соединений - ком онентов взрывчатых составовАС-аммиачная селитраБТНЭН-бис (2,2,2-тринитроэтил) нитраминОК-октогенТНТ-тротил5ВведениеАктуальность работы.Одним из основных требований,редъявляемых к разработке новыхвзрывчатых составов (ВС), являетсяработос особностисмесей считаютсяОсновнымиовышение их эффективности иоказателями эффективности взрывчатыхараметры ударно-волнового воздействия на объекты,такие как ам литуда избыточного давления во фронте ударной волны (УВ),удельный им ульс фазы сжатия Повышение указанных характеристикдостигаетсярименением более мощных взрывчатых веществ, а такжеис ользованием в составе смеси энергоемких добавок К таким составамотносятся составы с металлическими добавками, в том числе алюминийсодержащими ВС (АВС), а также термобарические составы (ТБС) Придетонации зарядов АВС разложение взрывчатой основыроисходит вдетонационном режиме, как у обычного унитарного взрывчатого вещества(ВВ) Однако, вроцессе разлетародуктов детонации (ПД)догорание частиц алюминия За счет этого обес ечиваетсяроисходитовышенноефугасное действие зарядаНесмотря на значительное число экс ериментальных и теоретическихработ (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 ),освященных алюминизированным ВВ и их свойствам, ряд ринци иальныхво росов, связанных сдетонационной волне,араметрами детонации,оведением частиц вроцессами догорания частиц алюминия, остаютсяневыясненными Основной роблемой в данной области остается сложностьрямого экс ериментального наблюдения зароцессом окисления частицалюминия газообразными ПД конденсированных ВВ Поэтому изучениеданныхроцессов возможно только косвенными методами, досту нымине осредственному экс ериментальному наблюдениюВследствие этогофундаментальные во росы о кинетических закономерностях окисления6алюминияри детонации ВС данного класса остаются и на сегодняшнийдень открытыми Для объяснения несоответствия между фугасными ибризантными формами взрыва существует множество ги отез (Троцюк А В,Гришкин А И , Дубнов Л В , Давыдов В Ю,, Воскобойников И М , ГогуляМ Ф , Анискин А И , Бердхолд Д ,Фингер М и др ), связанных смеханизмами окисления алюминия Однако выводы авторов относительнокинетики горения алюминия и его реакционной с особности сильнорасходятсяЦельюдиссертационноймоделированиевеществработыявляетсяматематическоероцессов детонации алюминизированных взрывчатыхКом лексноеалюминизированныхрассмотрениевзрывчатыхроцессоввеществ,детонацииизучениеосновныхэкс ериментальных закономерностейЗадачи исследования.1.

Исследованиеосновныхзакономерностейроцессадетонацииалюминизированных взрывчатых веществ2. Исследование роцессов окисления частиц алюминия в детонационнойволнеМатематическоемоделированиевзаимодействиячастицалюминия с родуктами детонации3. Математическоеис ользованиеммоделированиероцессовмодифицированныхдетонацииуравненийАВСсостояниясдляродуктов детонации с учетом вторичного энерговыделения4.

Исследованиевзаимодействияродуктовдетонацииалюминизированных взрывчатых составов на контактной границе ПД свнешней средойМетод исследования. В настоящей работе исследование роцессоввзрыва зарядов алюминизированных взрывчатых составоврименениемкакэкс ериментальных,такироводилось срасчетно-теоретических7методов Из-за сложностиалюминия врямого наблюдения зароцессом окисленияроцессе взрыва, основным методом исследования являлосьматематическое моделирование взрыва АВС Были редложены уточненные(модифицированные) уравнения состояния для ПД, математические моделивзаимодействия АВС с ПД и окружающей средой С ихроведены численные расчетыомощью былироцессов взрыва алюминизированныхвзрывчатых составовНаучная новизнаВ диссертационной работе олучены следующие новые результаты:Численно оказано, что роцесс горения частиц алюминия возможенв зоне химической реакции (ЗХР)Предложеномодифицированноеуравнениесостояниядлявзрывчатых веществ с учетом вторичного энерговыделения.3 В результатероведенных численных расчетов установлено, чтометательная с особность (МС) зарядов АВС сильно зависят от времениначала выделения до олнительной энергии в различных слоях ВВПриварьировании времени начала выделения до олнительной энергии, удалосьо исать эффекты, наблюдаемые в экс ериментеПрактическая значимость.О ределенное в работе о тимальное содержание алюминия в смесяхс A-IX- и окфолом-3, , а также учет «эффекта догорания» ПД для ВВ сотрицательным кислородным балансом и для АВС озволяет выработатьрактическиерекомендацииоо тимизациигабаритно-массовыххарактеристик и реце тур АВСРазработанные математические модели и методики численногоанализа, озволяют адекватно о исывать роцессы детонации АВС3состоянияПредложенныеродуктовэнерговыделение,уточненныедетонации(модифицированные)АВС,учитывающиеуравнениявторичноеозволяют достоверно о исывать экс ериментальныерезультаты ри численном моделировании8Основные положения, выносимые на защиту:- Показано существенное влияние роцессов догорания ПД АВС в воздухе наметательное действие и скорость расширения ПД При этом с увеличениемскорости движения ПД в воздухе эффект догорания роявляется сильнее- Проведено численное моделирование рохождения детонационной волныо частице алюминия Показано, что в детонационной волнероисходитразрушение и снос оксидной ленки с оверхности частицы алюминия Наоснове этих расчетов быларедложена математическая модель, согласнокоторой горение частиц алюминия начинается не осредственно в зонехимических реакций-Предложеномодифицированноеуравнениесостоянияродуктовдетонации, включающее в себя время горения частиц алюминия и количествовыделенного в данном роцессе те ла- Проведена численнаяоценка влияния эффектов сгорания добавокалюминия на метательное действие зарядов, а также о ределение количестварореагировавшего алюминия ри различных условиях ротекания реакции- Проведено моделирование роцессов радиального и торцевого расширенияродуктовдетонацииПДПредложенамодель,согласноо ределяющую роль в наблюдаемых скоростях расширениякоторойродуктовдетонации играют множественные кумулятивные струи, образующиеся наоверхности рессовых зарядов ВВ в роцессе разлета ПД- Проведено численное моделирование роцессов детонации зарядов А-IX-1и A-IX- +% Al с учетом до олнительного энерговыделения и его влиянияна метательное действие оболочек иластин Показано, что расчетныеданные о скорости метания ластин и оболочек сильно зависят от временивыделения до олнительной энергии в родуктах детонацииДостоверность и обоснованность результатов,диссертационнойработе,обес ечиваетсястрогостьюредставленных вматематических9остановок, разработкой адекватных физико-математических моделей,устойчивостьюисходимостьюис ользуемыхчисленныхметодов,тестированием вычислительных алгоритмов, а также сравнением результатовчисленного моделирования с результатами экс ериментальных и расчетнотеоритических исследований других авторовАпробация работы.