炸药爆炸产物后燃反应能量的计算方法研究(2)
1.1 研究的意义和应用前景
炸药用途广泛，同时存在诸多危害。一般情况下，TNT的化学和物理性质比较，但不管是环境密封与否，装药的量是多少，甚至假设在外界煤油供氧的状态下，只要有较高的能量激发，TNT就会对周边环境进行简短稳定的爆轰式作功。TNT爆炸时，释放高温高压气体，产生大量热能，并破坏周围物体造成财产经济损失。
对于负氧平衡的炸药，其在爆轰反应过程后，总是会形成大量的富含燃料的爆炸产物，严重影响了炸药总能量的释放。以TNT（三硝基甲苯）为例，其在起爆后可以释放出大约4.6 kJ/g的爆热（即能量），其爆轰产物中含有丰富的C、CO等燃料组分，如将这些燃料组分充分燃烧，可以产生两倍于爆炸的能量。关键问题是如何使爆轰产物中可以燃烧的组分继续燃烧，即发生后燃反应，以增加TNT的能量输出。采用数值模拟的形式来研究炸药后燃效应。
1.2国内外研究概况
1.2.1炸药后燃效应的实验研究
炸药在不同气体环境下的后燃反应的研究上，国外起步较早。Ornellas[1]首先在一份科技报告中对几十种的炸药在量热弹中起爆后放出的热和产物组分进行了测量，发现了量热弹中充有不同气体时的放热量和生成物差别，这些实验数据来自1961年至1982年之间的断断续续的研究，这也是第一次对受限空间炸药后燃反应进行的较系统的研究。Cooper[2]在其《Explosives Engineering》一书中也对TNT的后燃反应热进行了理论计算。此后，对后燃反应的研究从量热弹扩展到了其它受限空间。Wolański等人[3]对TNT在充有空气和50%氧气/50%氮气的密闭钢管中的冲击波压力时程曲线进行了测量，使用纹影法和高速照相对TNT爆轰产物的混合和后燃过程进行了拍照，并根据压力时间曲线使用Le Chatelier程序[4]对后燃效应释放的能量进行估算，结果表明在50%氧气/50%氮气中放出了更多的能量。此后，Trzciński等人[5]又对RDX基含铝炸药在量热弹中的释放的热量进行了测量，结果表明量热弹中充入氮气和氩气的结果几乎一样，证明了氮气和氩气都可以作为惰性气体用在量热弹中，而高压氧气的出现则可以使量热弹中的含铝炸药爆炸产物燃烧完全。Gel’fand等人[6]使用双频感光装置测得了TNT、钝化RDX等几种炸药在室内起爆后的热辐射-时间曲线和温度-时间曲线，从两种曲线图上可以很明显的看到后燃反应放热导致的辐射和温度升高。
国内关于后燃反应的研究报道较少，裴明敬等人[7]在氧弹量热计中对含铝温压炸药的燃烧进行了一些研究。此外在开放空间（空气中）对含铝温压炸药二次燃烧（即后燃）进行了大量的实验研究[8-12]。
1.2.2 后燃效应的数值模拟
Kuhl等人研究了后燃反应程度与受限空间大小与形状和空气含量的关系[13]，研究了常压量热计中后燃反应的程度并给出了燃烧分析模型[14]，并且对不同尺寸容器中的后燃效应进程进行了数值模拟[15]。对于RDX基的含铝炸药在自由场爆炸和有约束爆炸情况Trzciński等人[16]也进行了研究，并与钝化RDX炸药实验做了对比，结果表明含铝炸药发生了后燃反应，并将实验结果与热力学计算程序CHEETAH[17]的计算结果进行了对比。Donahue[18]结合高压区域的JWL状态方程[19]和低压区域的γ状态方程，提出了一种所谓的后燃状态方程，并把在26 m3的爆炸容器内TNT的情况进行了模拟且与实际的结果进行了对比。
国内也进行了后燃模拟的研究。辛春亮等人[20]对基于燃烧效应的TNT在空中爆炸进行了数值模拟，然后和现有的结果进行对比。韩勇[21]则采用不同尺寸圆筒结构试验研究了含铝炸药的爆炸情况，并使用LS-DYNA和Lee-Tarver中的特有的点火增长模型模拟了两个含铝炸药的圆筒实验。