Диссертация (Математическое моделирование детонации алюминизированных взрывчатых веществ), страница 9

Численное моделирование методики М-40, а также разлета ПДзарядов без оболочкиПостановка задачи моделирования методики М-4редставлена на рис 33.Рис. 33. Численное моделирование методики М-40 при временах: а – 0 мкс; б – 20 мксс66Шаг равномерной не одвижной сетки былринят равным,мм,таким образом, олное количество ячеек расчетной сетки составило 3 7Красной линией выделено « ятно» инициирования, редставляющее собойлощадкусоответствующегоСкорость разгонаромежуточномудетонаторудиаметраластины о ределялась с ис ользованием виртуальныхдатчиков Ис ользовались 9 датчиков (обозначены номерами -9 на рис 33),зафиксированных в узлах расчетной сетки на одинаковом расстоянии друг отдруга По скачку лотности, зарегистрированному на датчике, о ределялосьвремярихода к нему материалавременластины На основанииолученныхрихода и известных расстояниях между датчиками вычислялисьскорости ластины в заданных интервалах расстоянийРис.

34. Сравнение скоростей полета пластины по методике М-40 определенныхэкспериментально и численно для: а – окфола-3,5 (ρ=1,75 г/см3); б – А-IX-1 (ρ=1,65 г/см3)На рис34редставлены графики зависимостейолученных врезультате численного моделирования, а также экс ериментальных данныхдля зарядов окфола-3, с лотностью ,7 г/см3 (а) и для зарядов из A-IX- слотностью,6г/см3 (б) На рис 34 заметно, что скорости метанияластины, а также динамика разгона для уравнений JWL1, JWLиэкс ериментальных данных различаются незначительно (не более 3%)На следующем эта е работы моделировалось расширение ПДридетонации цилиндрического заряда А-IX- (ρ= ,6 г/см3) ф х4 в воздухе и вбарокамере (остаточное давление , атм) Расчет роводился в двумернойосесимметричной остановке на не одвижной «эйлеровой» сетке с шагом ,67мм В качестве граничного условия также высту ало свободное вытеканиематериала за границы сетки В заряде детонация инициировалась о всейоверхностилоского торца заряда, что обес ечивало моделированиелоского детонационного фронта Схема остановки задачи редставлена нарис 35.Рис.

35. Схема постановки задачи численного моделирования детонации цилиндрическогозаряда A-IX-1 (ρ=1,65г/см3)О ределение скоростироводилось с ис ользованием не одвижныхдатчиков аналогично расчетам о методики М-4на расстоянииДатчики устанавливалисьмм друг от другаГрафики зависимости скоростиредставлены на рис 36, 37 Изродуктов детонации от расстоянияредставленных рисунков видно, чторасчетные данные о скорости расширения ПД как для JWL , так и для JWLсущественно занижены о сравнению с экс ериментальными результатами(до 3,3 раз)68Рис. 36. Скорость радиального расширения продуктов детонации A-IX-1 (ρ=1,65г/см3)при детонации заряда в: а – барокамере (с остаточным давлением 0,1 атм); б – воздухеРис. 37.

Скорость расширения продуктов детонации A-IX-1 (ρ=1,65г/см3) в торцевомнаправлении при детонации заряда в: а – барокамере (с остаточным давлением 0,1 атм);б – воздухеПричиной такого несоответствия могут являться микрокумулятивныеструи,обнаруженныевработе[100]Микрокумулятивныхструиорождаются микродефектами в ри оверхностном слое заряда и являютсянеизбежным следствием технологиирессования ВВ Было выдвинуторед оложение, что скорость данных струй может значительно ревышатьскорость окружающих родуктов детонации, что фиксировалось в о ытахДляроверкиданногоред оложениябыларед ринятао ытка69моделирования роцесса детонации заряда с ри оверхностными дефектамиразличных конфигурацийМоделирование зарядов с микропорамиПроводилосьсодержащихконфигурациимоделированиена своейторцевойзарядовизоверхностиРешался ряд двумерныхА-IX-(ρ= ,6 г/см3),микро орыразличнойлоскосимметричных задач нане одвижной «эйлеровой» сеткеРис.

38. Моделирование микропор различных конфигураций в поверхностном слое70Схемыостановки задачредставлены на рис38Микро орырассматривались трех видов ( о форме роекции на лоскость симметрии):круглые (рис 38-а), треугольные (рис 38-б) и рямоугольные (рис 38-в), схарактерными размерами ; , ;; , мм Пористый слой нагружалсялоским детонационным фронтом.Порезультатамсхло ыванииормикрокумулятивныхмоделированияиструй,быломикроканаловкоторыеимеютустановлено,роисходитскорость,чториобразованиезначительноревышающую скорость детонационной волны и обладают высокойлокальной лотности энергии В ходе численных расчетов было оказано,что скорость таких струй ри схло ывании микро ор у оверхности зарядадостигаеткм/c ри срыве с торца, что согласуется с экс ериментальнымиданнымиРис.

39. Схема моделирования детонации заряда с объемнораспределеннымимикропорамиТакже был роведен численный расчет роцесса детонации заряда ВВ,содержащего оры рямоугольного о еречного сечения, рас ределенные овсему объему и имеющие шахматное рас оложение ври оверхностнойзоне Схема остановки и результаты моделирования редставлены на рис39.При моделировании в качестве уравнения состояния A-IX-быловыбрано УРС JWL2 Из графиков, редставленных на рис 40, видно, чтоскорость расширенияродуктов детонации в торцевом на равлении,моделировании зарядов сриорами согласуется с экс ериментальнымиданными, хотя расчетная кривая и лежит несколько ниже71Рис.40.

Скорость разлета ПД при срыве с торца пористых и беспористых зарядов A-IX-1(ρ=1,65г/см3)Занижение скорости расширения ПДри моделированииористыхзарядов может быть связано с неучтенным фактором догорания ПДвзрывчатых веществ с отрицательным кислородным балансом на воздухе ритурбулизации отока, обес еченной микрокумулятивными струями3.5. Численное моделирование с учетом вторичного энерговыделения.В ПД удельная те лота реакции окисления алюминия сильно зависитот газовой фазы, окружающей частицу Данная величина вычисляется сучетом те лоты реакций алюминия с CO, CO2, H2O, O2 и др и концентрацийданных соединений в ПД К римеру, для ТНТ удельная те лота реакцииокисления алюминия с ПД оценивается в 4, МДж/кг, в то время как длясгорания в кислороде воздуха, эта величина составляет 3 МДж/кг [93]. Сучетом ред оложений о многостадийном горении алюминия, основанных, втом числе и на численном счете, было высказаноред оложение, чтохарактерные времена догорания алюминия в кислороде воздуха зависят отего место оложения в начальный момент в заряде Слои взрывчатоговещества, которые находятся ближе к месту инициирования и к оболочкесмогут раньше всту ить во взаимодействие с кислородом воздуха, чем слои,которые находятся в центре, и в них раньшероизойдет вторичное72выделение энергии за счет догорания алюминия или конденсации субокисловAlO или Al O в Al O3 Характерное время данного роцесса составляет отнескольких миллисекунд до ста миллисекунд [101].Рис.

41 Схема численного моделирования детонации цилиндрического заряда AIX1+10%Al, помещенного в стальную оболочку.О исанная выше модель горения алюминия с ПД и со свободнымкислородом воздуха, а такжеосновучисленногоолученные в работе [98] данные, легли вмоделированияПодробноеэкс еримента и результаты численных расчетовЧисленное моделированиетолщинойио исаниередставлены нижероводилось для трубок длиной 8мм, толщинамоделирования данной методикиластиныисхемыимм,мм Постановка задачиредставлена на Рис 41.Шаг равномерной не одвижной сетки былринят равным,33 ммТаким образом, олное количество ячеек расчетной сетки составило 9Красной линией выделено « ятно» инициирования, редставляющее собойлощадкусдиаметром,соответствующимразмеруромежуточногодетонатора На ротиво оложном торце в ередней части заряда оказанастальнаяластина, в верхней части заряда – стальная цилиндрическаяоболочкаСкорость разгонавиртуальныхдатчиковластины о ределялась с ис ользованиемИс ользовались7датчиковна равлении и 7 в торцевом (обозначены номерамиврадиальном- 4 на рис 41),73зафиксированных в узлах расчетной сетки на одинаковом расстоянии друг отдругаРис 42.

Распределение давления в цилиндрическом заряде.По скачку лотности, зарегистрированному на датчике, о ределялосьвремя рихода к нему материала ластины или оболочки в среднем сеченииНа основании олученных времен рихода и известных расстояниях междудатчиками вычислялись скоростиластины и оболочки в заданныхинтервалах расстоянийРис.43. Численного моделирование детонации цилиндрического заряда AIX1+10% Al,помещенного в стальную оболочку для времени t=52,4мкс.74Для учетароцесса выделения энергиири сгорании алюминия вродуктах детонации добавлялась о ределенная энергия к текущемузначению внутренней энергии в расчетной ячейке (содержащей ПД) втечениео ределенноговычисляетсявремениотносительносзаданнойвременириходазадержкойврасчетнуюЗадержкаячейкудетонационной волныВесь объем заряда былоказано на Рис 43Воделен на две области AIX11, AIX12, какервом случае время начала до олнительногоэнерговыделения в этих двух областях было одинаковым Во второй серииэкс ериментов, время начала до олнительного энерговыделения былоразным для двух областейэнерговыделения длилось отВервой серии экс ериментов времямкс домксВо второй серииэкс ериментов в области AIX12 время энерговыделения длилось отмкс, а в области AIX11 отмкс домкс домс Данные значения времениэнерговыделения были одобраны так, чтобы олученные результаты былиблизки или сов адали сэкс ериментальными значениями, а также неротиворечили значениям времени, о исанным выше Результаты численныхрасчетовредставлены в Таблице 8Было оказано, что в случае, когдадо олнительное выделение энергии начинается одновременно во всемобъеме, наблюдаетсяриросто скорости, как для оболочки, так и дляластины В случае же равильно выбранных задержек о времени, скоростьоболочки растет, в то время как скорость ластины незначительно снижается75Таблица 8.Экс ериментЧисленное моделированиеAIX1,AIX1+AIX1,эксAIX11 + 10%Al,AIX11 + 10%Al,10%Al,AIX12+10%Al,t= ÷эксt= ÷AIX12+10%Al,мксt= , ÷мксмсl = 80 мм., δ=5ммСкорость ластины,96 ±3u, м/с9±610604%↓Скорость оболочки,86 ±3υ, м/с98 ±910+ 4%↑1170990+ %↑-7%↓1010970+ %↑+6%↑810700l = 120 мм., δ=10ммСкорость оболочки,6υ, м/с±67 ±3640+ %↑Таким образом, с омощью варьирования времени до олнительногоэнерговыделения можно численно моделировать эффект, наблюдаемый вэкс ерименте.Показано, чтори моделировании детонации взрывчатыхвеществ, содержащих в своем составе алюминий, необходимо отдавать отчетв том, что уравнения состояния, о исывающиеоведениеродуктовдетонации, должны быть различными для различных слоев заряда Во исанном выше случае не стояло задачи о ределения геометрическихразмеров областей заряда, в которых характер выделения энергии отсгорания частиц алюминия в воздухе резко различается от внутренних слоевБылаоказана возможность моделирования эффектов, наблюдаемых вэкс ерименте В ходе роведенной работы, также сделана серия численныхрасчётов, в которых роизводилось варьирования толщины внешнего слояСхемаэкс ериментаМоделированиеолностьюовторяларедыдущуюзадачуроводилось для трубок длинной 8 мм, толщиной стенкимм Толщины внешнего слоя составляла мм; , мм; мм Отметим, чторезультаты длямм в данном случае нериближаются к значениям,76олученным для AIX1, а также к случаю одновременного выделения энергиив двух слоях одновременно Это связано с тем, что энерговыделение длявнутреннего слоя AIX11 +%Al для значительного диа азона о временименьше, чем даже для AIX1 Проведенные исследования в ервую очередьна равлены на то, чтобы оказать влияние толщины внутреннего и внешнегослоя на общую закономерностьоведения наблюдаемых скоростейПолученные данные риведены в таблице 9.Таблица 9.Скорость ластины, u, м/с5мм990Скорость оболочки, υ, м/с970Толщина внешнего слоя, мм960940Из этих данных видно, что крайне важномм956911равильно теоретическиоценивать внешнюю толщину слоя для того, чтобыолученные в ходечисленных расчетов результаты о скоростям метания как оболочек, так иластинсогласовалисьсрезультатамиэкс ериментаДальнейшиеисследования в этой области также должны быть на равлены на детальноеизучение метания тел различной геометрии и конфигурации и варьированиеусловий взаимодействия алюминия в составе заряда с ПД и свободнымкислородом воздуха Большой интересредставляют о ыты с заменойсвободного кислорода воздуха на другие газы, такие как азот или углекислыйгаз Также необходимо роведение о ытов для других взрывчатых смесей,имеющих в своем составе алюминий, в том числе ВВ скислороднымбалансомДанныеисследованияоложительнымоказывают,чтовыделяющаяся энергия ри сгорании алюминия в различных слоях зарядаможет вносить различный вклад в общуюолезную работу взрываПерс ективной является работа о созданию взрывчатых составов, в которыхсодержание энергоемких материалов, таких как алюминий,слоях заряда будет разной.в различных77Дляоценкиредложены иреакционнойс особностиалюминиятакжебылироведены следующие о ыты: тонкий слой алюминиевогоорошка наносился не осредственно на боковую оверхность взрывчатоговещества и омешался в стальную оболочку диаметроми толщиной стенкисторон Даннаямм, длинной 8 мммм Инициирование заряда осуществлялось с двухостановка экс еримента, в случае, если считать влияниеалюминиевого орошка на кинетику разрушения оболочки несущественным,дает возможность оценить, как влияет сгорание алюминия в верхнем слоезаряда на метательную с особность В случае инертности алюминия можнобыло ожидать замедления оболочки, так как алюминий в данном случаевысту ает как до олнительная масса, которая ускоряется разлетающимисяродуктами детонации В случае реакции алюминия с родуктами детонацииследовало ожидать небольшого рироста скорости Полученные результатыредставлены в таблице 10.Таблица 10ВВПокрытиеM покр, г, г/см3WR 1/2L, м/с% в 1/2LОкфол--1,764 ±100ОкфолАСД-11,661,7734± 7Как видно изолученных результатов, слой изнанесенного на заряд дал109,5орошка алюминия,рирост в скорости в 9%, что в свою очередьсвидетельствует о реакции алюминия с разлетающимисяродуктамидетонации Эти о ыты особенно интересны тем, что заряд взрывчатоговещества, а также стальная оболочка в обоих случаях были одинаковымиРазличие заключалось лишь в тонком слое алюминия нанесенного наоверхность зарядаЭтоозволяет в ходе численного моделированияровести оценкувыделившейся в результате взаимодействия алюминиевогоорошка сродуктами детонации энергии Алюминий в данном случае задавался двумя78с особами: как слой взрывчатого вещества (случай), модельоведениякоторого о исывалось уравнениями состояния JWL, но с нулевой внутреннейэнергией (энергия задавалась только как до олнительная); или как инертноевещество (случай) В данном случаеараметрыодбирались такимобразом, чтобы алюминий вел себя как орошок, а не как монолитный слойметалла Схема экс еримента редставлена на рис 44.Рис 44.