泄压结构特性与弹药慢烤响应烈度的关系研究

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降低弹药在热刺激作用下响应烈度的常用方法是在弹体上设计泄压结构。为探究慢速烤燃试验时泄压结构特性在弹药响应过程中所起的作用,以典型混合熔铸炸药B炸药为研究对象,基于压力平衡方法,设计了三种尺寸、不同泄压结构的烤燃弹,其中烤燃弹的壳体尺寸分为Ф35mm、Ф76mm和Ф130mm,泄压孔面积分别为装药表面积的2%、2.5%和3%,并在3.3°C/h的升温速率下分别进行了多点测温的烤燃试验。试验结果表明,泄压孔发生作用是导致烤燃弹点火时间延后的主要因素;泄压孔的占比面积相同时,尺寸越大的烤燃弹在泄压孔作用后,其点火延后时间越短;随着泄压孔面积的增大,不同尺寸烤燃弹慢烤响应等级均会降至燃烧反应。在试验研究的基础上,采用Fluent软件对慢烤过程中炸药点火前和点火后两个阶段分别进行数值模拟分析。点火前基于炸药通用烤燃模型(Universal Cookoff Model,UCM),建立了炸药熔化后受浮升力驱动流动,反应速率随压力、反应进程等变化的B炸药烤燃计算模型,研究了慢烤升温过程中炸药内部温度场及内部压力的变化。结果表明,烤燃过程中B炸药内部的升压速率由慢到快,泄压结构使烤燃弹密封性降低,在泄压孔冲开前弹体内部压力低于同时刻密闭烤燃弹的内部压力;泄压孔冲开后,反应气体释出,降低了气相反应速率,导致了炸药内部温度的下降,反应气体的释出与气泡驱动对流共同作用导致了点火时间的延后;通风导致炸药自热反应速率的降幅程度随弹体尺寸的增大而提高;有泄压结构的不同尺寸烤燃弹点火时间的不同,是由于各自泄压结构对点火时间延后的作用不同所导致。点火时刻密闭烤燃弹的内部压力随烤燃弹尺寸的增大而减小;对流传热的作用使点火点出现在炸药的顶部区域,泄压孔的作用对点火点位置影响很小。基于源项和动网格技术,对点火后炸药燃烧产生的端面退移与燃气流动现象进行模拟,研究了炸药燃烧后泄压结构特性对烤燃弹内部压力释放的影响。模拟结果表明,点火后初期弹体内会出现压力峰值且峰值会随泄压面积增大而减小,峰值的大小影响炸药点火后的烈度演化;不同泄压面积的烤燃弹自由空间的温度场都保持均匀;相同泄压面积下,烤燃弹端面沿圆周均匀分布的多泄压孔比几何中心单泄压孔导致更高的压力峰值,增大发生剧烈响应的风险。上述研究结论对熔铸炸药的烤燃机理分析及缓释结构的设计均具有重要的参考价值。
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