TNT爆炸温度场热作用规律实验研究.pdf

第 卷 第 期兵 器 装 备 工 程 学 报 年 月 收稿日期:修回日期:作者简介:郑勇杰()男硕士研究生:.通信作者:苏健军()男研究员:.:./.爆炸温度场热作用规律实验研究郑勇杰苏健军姬建荣严家佳(西安近代化学研究所 西安)摘要:为研究 装药空中爆炸温度场的热效应开展了、和 三种质量的 药柱在空气中的爆炸实验 采用/热电偶获取了不同爆心距处的温度时间曲线分析了 装药温度峰值随距离和装药质量变化的规律 实验结果表明:在自由场中爆炸时热电偶响应温度时间曲线呈单峰状 随着爆心距的增加升温速率和降温速率逐渐下降曲线的下降部分因未反应产物的二次燃烧会产生波动延长温度持续时间爆心距变化会对温度持续时间造成较大影响但是质量的改变对温度持续时间影响较小在自由场爆心近距离内时间变化率最大不超过 温度峰值与装药质量成正比与爆心距成反比在相同传播距离下峰值下降的幅度随装药质量增大而减小关键词:爆炸力学 装药热电偶响应温度自由场本文引用格式:郑勇杰苏健军姬建荣等.爆炸温度场热作用规律实验研究.兵器装备工程学报():.:.():.中图分类号:文献标识码:文章编号:()():./.:引言热是常规战斗部的毁伤元之一其主要作用形式为高温火球及高温高速流场 在早期实际使用中由于战斗部打击精度不足弹目交会时往往超出热效应作用范围难以起到毁伤效果因此研究人员对爆炸温度场的热毁伤效果研究较少 随着武器精确打击能力的大幅提升战斗部与目标的距离已处于爆炸温度场的作用范围热对目标的毁伤作用已成为了研究者们关注的热点但对热的毁伤效果和毁伤模式的研究较少因此研究爆炸温度场热效应对于炸药威力评价和毁伤评估有着重要意义针对高温火球热效应的研究前人做了许多的工作 郭学永等运用红外热成像仪获取不同质量的炸药爆炸火球的表面温度分析了温度场的分布情况确定了 产生不同程度热毁伤的半径李秀丽等采用同样方法获得炸药表面爆炸温度分析了一定质量下 的高温持续时间以及高温云团膨胀体积仲倩等根据爆炸火球动态模型表征参量数据对爆炸火球变化规律进行了定量描述分析了 装药爆炸火球热毁伤效应确定了 装药火球辐射量张玉磊等则通过测量 炸药爆炸后的火球表面温度场得到了爆炸火球表面最高温度、持续时间、火球尺寸和火球温度变化速率等参数并分析了火球温度变化速率的变化原因 姬建荣、王代华等 开展了基于钨铼热电偶的接触式爆炸温度测试方法研究提供了高温流场接触式测量方法对于热毁伤效果评估有重大的价值张玉磊等采用/热电偶获取了长直坑道内不同爆心距和不同质量 装药的响应温度 时间曲线得到了温度峰值和传播速度随距离变化的规律分析了装药质量对温度峰值和热作用持续时间的影响金朋刚等在密闭爆炸仓内测量了 炸药在不同气体环境中爆炸场温度发现实际使用中 爆炸反应完全性较低大量能量未释放密闭条件可以提高 爆炸能量释放率 综上所述当前对火球热效应的研究主要集中在自由场火球表面温度热效应以及密闭空间内爆炸温度场热作用规律及热毁伤效果评估研究针对自由场火球内温度场热作用规律研究还有许多可供完善的空间 为研究 在自由场的爆炸温度场热作用规律开展了不同装药质量 空中爆炸实验采用/钨铼热电偶温度传感器获取了不同爆心距温度时间曲线分析了不同装药量下爆炸温度场热毁伤威力场特征及火球内温度场分布规律以期为爆炸场热毁伤威力场构建和毁伤评估分析提供参考 爆炸温度场热作用规律实验.实验样品炸药样品为质量、和 的 炸药样品均为长径比约 的压制柱形裸药药柱密度约./药柱均以压装 炸药为传爆药传爆药柱质量为被试样品的 采用 号电雷管在药柱上端面中心起爆.测试设备及实验布局实验采用木质门型吊药架将 样品爆心布置在垂直地面高.处热电偶温度测点共 个安装高度与装药炸高(.)相同 根据实验装药质量的不同各测点爆心距离不同如表 所示表 不同装药量各测点爆心距 装药质量/各测点爆心距离/.爆炸场温度测试采用丝型的/钨铼热电偶温度传感器安装结构如图 所示 偶丝的直径为.测温 详细参数见表 其中 表示实际温度 同时为了测量精度爆炸火球内温度每个相同爆心距的温度测点都水平放置电偶丝正对爆心且每个测点都布置了多个热电偶最终测量结果为其测量值取平均图 热电偶结构示意图.表 钨铼热电偶参数 型号测量范围/允许误差/响应时间/钨铼 现场布设时为避免距离较近处测试装置阻挡爆炸产物流动进而影响后方测试结果不同距离处测点左右错开 实验布局如图 所示兵 器 装 备 工 程 学 报:/./图 场地布设示意图.结果与分析.响应温度 时间关系分析爆炸场热流介质温度分布与演化是一个极其复杂的过程热介质温度瞬间变化时间量级可达 级而热电偶本身又存在热惯性导致其测量结果会往往滞后于流体温度的变化所以热电偶测得的响应温度并不直接反映热流质的温度而是热流介质作用于偶丝结构后的温升值响应温度反映了该区域高速热流对偶丝结构的热作用强度因而常用于衡量爆炸场不同位置的热作用强度其主要由热流介质温度及其与被加热热电偶间的表面传热系数两方面因素决定热电偶传感器测得的、和 的 响应温度时间变化曲线如图 所示 由图 可以看出 温度 时间曲线呈单峰形曲线刚开始陡峭上升之后上升速率逐渐变小直至为零曲线到达峰值开始下降下降速率先增大后减小 而随着爆心距的增加曲线上升及下降速率逐渐减小时程曲线变得相对平缓 这反应了升温速率与降温速率的变化升温速率初始极高可达 /之后逐渐降低降温速率则是先增大后减小随着爆心距增大升温速率和降温速率总体呈现减小趋势 炸药起爆后爆炸产物会和未反应物质的混合物迅速膨胀同时混合物与空气中的氧继续反应加快膨胀速度温度极快升高这时升温速率高即曲线斜率大 随着升温速率与爆炸产物和热电偶结温度差成正比热电偶结被加热的过程中温差逐渐减小升温速率随之减小曲线斜率减小 图()和()中 与 分别在.和 的曲线下降部分出现了温度的波动 出现这种波形的原因是随着与空气接触面积增大装药爆轰产物中的未反应还原性物质与空器中的氧发生的二次燃烧反应加剧并持续释放出大量热量使火球极限尺寸持续较长时间图 响应温度 时间曲线.温度作用效果按 等人推导的火球最大直径计算公式:.(/)/()式中:为火球最大直径 为装药质量 为爆温 可得、和 的火球最大半径分别为.、.和.排除误差 在.以外的测点应位于火球外其他测点可视为都位于火球内部 因此 在爆心距.之外的测点基本只受到高温气流影响温度峰值很低已经接近常温不考虑其作用效果图()中 装药爆炸后.处响应温度持续时间.处约为.处约为.图()中 装药爆炸后.处响应温度持续时间.处约为.经过对比发现.处 与 装药的响应温度持续时间可达.处的.倍和.倍这是因为爆轰产物中还原性物质在膨胀过程中与空气发生湍流混合和燃烧反应随着距离增大爆轰产物中的还原性物质逐渐被消耗浓度越来越低同时随着爆炸产物的膨胀爆炸产物内的压力、温度迅速减小当产物温度下降到一定程度来不及发生燃烧反应的剩余可燃物质温度会低于着火点从而熄火因此离爆心越近波形响应时间越长越往外响应时间的差距越来越小郑勇杰等:爆炸温度场热作用规律实验研究进一步分析火球内的响应温度作用时间根据前面分析不计 的测点表 给出了 和 在爆心距 和 处测点不同温度区间的持续时间由表 可知 和 两种质量装药在、.、处大于 区间的持续时间都比较接近最大差距为 在大于 区间持续时间相差最大为.从大于 区间持续时间相差开始扩大最大差值可达 之后大于 和大于 的差值变大达到了 和 而且在 和.两处响应温度在各个区间的持续时间基本相同最大偏差不超过 而爆心距从 到.各个温度区间的变化率为、.、.、各个温度区间变化率为 、.、.、.温度持续时间的变化率都达到了 以上持续时间都有很大的衰减表 不同温度区间的持续时间 爆心距/质量/温度区间/.由图 可以发现当爆心距 为 时 和 的温度持续时间基本相同当爆心距 为.时 的 的持续时间明显低于 装药的持续时间因此质量对于响应时间的影响随爆心距的增加而增大而质量相同时离爆心越远温度衰减速度越快响应温度持续时间越短离爆心越近温度衰减速度越慢响应温度持续时间越长图 响应温度区间 持续时间关系曲线.综上所述离爆心越远爆炸火球内响应温度作用持续时间越短且能发现温度区间取得越大时间变化率越接近而装药质量的变化主要是影响温度梯度的分布对于温度持续时间的影响较小且爆心距越小不受质量变化影响的温度区间越大装药质量变化的影响越小.温度峰值的影响因素分析不同爆心距测点处的温度峰值 如表 所示表 不同爆心距的温度峰值 质量/温度峰值/.由表 可知 和 的 装药爆炸在 处的温度峰值由.和.分别下降到.处的.和.降幅分别为.和.炸药爆炸后火球阵面向外急速膨胀与外界冷空气的交接面越来越大火球内高温气流与外界冷空气的热交换速率提高温度降低速度加快而装药质量相对更大的炸药的火球移动速度更快火球外表面与空气的接触时间相对较短热交换损失的热量更小温度降低速度相对较低 随着爆心距的增加爆炸热温度峰值总体呈下降趋势 在相同爆心距下装药质量越大各测点的温度峰值越高 在相同的兵 器 装 备 工 程 学 报:/./爆心距变化下装药质量更大的火球在移动相同距离情况温度峰值的降低的更少如图 所示图 响应温度峰值 爆心距关系曲线.结论为研究 爆炸温度场在自由场的热作用规律开展了不同质量 装药的空中爆炸实验获取了不同爆心距下热电偶的响应温度时间曲线得到结论如下:)空中爆炸后热电偶响应温度时间曲线呈单峰状曲线升温速率逐渐降低降温速率先增后减下降部分由于未反应颗粒的二次反应燃烧会使得波形出现波动延长响应温度持续时间.处 装药的响应温度持续时间可达.处的.倍 随着爆心距的增大曲线的升温速率和降温速率都会逐渐降低)在自由场中爆炸时爆心距会对温度的持续时间会有很大的影响随着爆心距的增加持续时间会逐渐降低.处 与 装药的响应温度持续时间可达.处的.倍和.倍而质量的变化后不同温度区间的持续时间作用几乎没有发生变化 种质量 的不同温度区间的持续时间最大差距不超过)空爆时 的质量和爆心距对温度峰值都有很大的影响 装药质量与温度峰值成正比爆心距与温度峰值成反比相同传播距离下装药质量越大峰值下降的幅度越小 和 的 装药爆炸场温度由 到.下降幅度分别为.和.参考文献:郭学永李斌解立峰.温压药剂的热毁伤研究.火炸药学报():.():.李秀丽惠君明.温压炸药的爆炸温度.爆炸与冲击():.():.仲倩王伯良黄菊.火球动态模型在温压炸药热毁伤效应评估中的应用.爆炸与冲击():.():.张玉磊翟红波李芝绒等.和温压炸药的爆炸火球表 面 温 度 对 比 试 验 研 究 .爆 破 器 材.():.():.姬建荣苏健军李芝绒等./热电偶对爆炸产物的热响应分析.火炸药学报():./.():.王代华宋林丽张志杰.基于钨铼热电偶的接触式爆炸温度测试方法.探测与控制学报():.():.张玉磊李芝绒张俊锋等.坑道内爆炸热作用规律的试验研究.火炸药学报():.():.金朋刚郭炜任松涛等.密闭环境中能量释放特性研究.爆破器材():.():.(下转第 页)郑勇杰等:爆炸温度场热作用规律实验研究张京辉余永刚.弹道枪水下全淹没式发射膛口流场演化特性的数值模拟研究.兵工学报():.():.张旋代淑兰余永刚等.水下机枪密封式发射膛口流场特性分析.兵器装备工程学报():.():.莽珊珊余永刚.高压燃气射流在整装液体中扩展过程的实验和数值模拟.爆炸与冲击():.():.任成虎.超空泡射弹内弹道特性规律研究.南京:南京理工大学.:.周永升侯健可学为.水下內弹道装药特性仿真分析及试验研究.舰船电子工程():.():.():.科学编辑 张俊 博士(上海海洋大学副教授)责任编辑 徐佳忆(上接第 页).():.徐华.减小铂铑热电偶丝不均匀热电动势.四川兵工学报():.():.阚金玲刘家骢.一次引爆云爆剂的爆炸特性.爆炸与冲击():.():.():.爆炸与冲击相关损伤.蔡继峰译.北京:人民卫生出版社:.:.科学编辑 姚术健 博士(中南大学副教授、博导)责任编辑 胡君德李超畅等:水下贴壁发射膛口动态过程仿真