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2023-06-20
研究温度分布特性
【摘要】：图2.17活性射流成形过程中温度分布数值模拟结果活性药型罩顶部轴线处微元温度随时间的变化如图2.18所示。图2.20活性药型罩底部微元温度随时间的变化从机理上分析，在爆炸驱动作用下，活性药型罩材料温升需要一定时间才能导致活性材料聚合物基体发生分解，释放足够多氧化剂后，活性金属粉体才能与氧化剂发生剧烈的化学反应。
活性药型罩微元在聚能装药爆轰波的作用下，获得压垮和闭合速度，且冲击波会在活性药型罩微元内传播。由于冲击波作用于微元的时序差异，活性药型罩各截面会出现绝热剪切变形，随后罩体材料在速度惯性的作用下相继发生显著挤压剪切及大变形。活性药型罩剪切变形主要包括两部分，一是活性药型罩在冲击波作用下沿垂直表面的绝热剪切变形，二是药型罩在压垮和闭合运动过程中，由于活性射流直径减小而产生的径向挤压剪切变形。
因此，活性射流微元内部温度升高主要由两部分组成，一是冲击波引起的温度升高，二是塑性变形引起的温度升高。而冲击波引起的温度升高与冲击波压力幅值成正比，随冲击波峰值压力的增加而增加。
活性射流成形过程中温度分布数值模拟结果如图2.17所示。t=4 μs时，爆轰波到达活性药型罩顶部，造成顶部温度显著上升。在爆炸驱动的作用下，活性药型罩微元继续运动，被压垮并在轴线处发生剧烈碰撞，活性射流头部开始形成，活性射流和杵体交界区域温度最高，如图2.17（b）和（c）所示。与此同时，可以看出活性药型罩外壁因靠近炸药，温度首先升高，且随着内壁微元在轴线处碰撞，温度也显著升高。活性射流进入自由状态后，头部温度最高，而活性射流与杵体交界区域处温度逐渐下降，如图2.17（d）和（e）所示。其主要原因在于，在活性射流形成初始阶段，活性射流与杵体界面处微元碰撞十分剧烈，导致交界面部分微元局部温度较高，然而随着微元在轴线处碰撞结束，活性射流和杵体内温度分布趋于稳定。
图2.17 活性射流成形过程中温度分布数值模拟结果
活性药型罩顶部轴线处微元温度随时间的变化如图2.18所示。温度峰值首先出现于活性药型罩外壁观测点1处，随后，观测点2～观测点6处相继出现温度峰值，且观测点6处微元温度峰值最大。这主要是因为装药起爆后，爆轰波首先作用于活性药型罩外壁，再逐渐传至内壁，且内壁在轴线处碰撞较剧烈，从而形成温度峰值。活性药型罩内壁在剧烈碰撞下温度持续上升，该过程持续时间约为5 μs。装药起爆后约8 μs时，活性药型罩内壁温度达到最高值，约为1 450 K，随后活性药型罩顶部轴线处微元温度逐渐下降并趋于稳定。
图2.18 活性药型罩顶部轴线处微元温度随时间的变化
活性药型罩中部微元温度随时间的变化如图2.19所示。曲线上存在两处显著温度峰值。第一个温度峰值主要由爆轰波作用于活性药型罩中部使其温度升高造成，第二个峰值则主要由活性药型罩中部被压垮于轴线处发生剧烈碰撞导致，随后温度逐渐下降并趋于稳定。活性药型罩底部微元温度随时间的变化如图2.20所示，与活性顶部和中部微元不同，由于底部无法压垮形成活性射流，底部仅在爆轰波作用下产生瞬间温升，随后温度逐渐下降并趋于稳定。
图2.19 活性药型罩中部微元温度随时间的变化
实际上，与传统金属射流显著不同，活性射流成形过程中不仅受冲击波作用产生温升，同时会被爆轰压力激活，发生一定程度的化学反应，造成温度进一步升高。需要特别说明的是，与炸药、推进剂等显著不同，活性射流的化学反应具有延迟性，即在爆轰波和爆轰产物的共同作用下，材料并不立刻发生化学反应，而是经过一段延迟时间，该延迟时间即活性射流反应弛豫时间。
图2.20 活性药型罩底部微元温度随时间的变化
从机理上分析，在爆炸驱动作用下，活性药型罩材料温升需要一定时间才能导致活性材料聚合物基体发生分解，释放足够多氧化剂后，活性金属粉体才能与氧化剂发生剧烈的化学反应。也就是说，在反应延迟时间之前，活性射流能够发生一定程度的化学反应，但该化学反应仅在局部高温区发生。
同时，活性射流温升也显著影响活性材料化学反应速率。温升越高，化学反应速率越快。可以看出，活性射流成形过程中，局部高温首先出现于杵体与活性射流交界区，活性射流进入自由状态后，头部温度最高，且远高于杵体和侧翼部分，且从活性射流头部至尾部，温度整体呈降低趋势。因此，活性射流头部化学反应速率快，尾部化学反应速率较慢。而该化学反应特性将导致活性射流各部分发生化学反应的时间不同，化学能将分布式时序释放。
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