Phân mảnh của các hạt kim loại trong quá trình nổ không đồng nhất

R. C. Ripley1, L. Donahue1, F. Zhang2
1Martec Limited, Halifax, Canada
2Defence Research and Development Canada, Medicine Hat, Canada

Tóm tắt

Các loại chất nổ không đồng nhất chứa một hỗn hợp của vật liệu nổ tiêu chuẩn và các hạt kim loại phản ứng. Việc bổ sung các hạt kim loại làm thay đổi mật độ năng lượng và thời gian giải phóng năng lượng liên quan đến sự kiện nổ. Các bằng chứng thực nghiệm hiện có cho thấy rằng các hạt kim loại có thể bị hư hại hoặc phân mảnh trong quá trình nổ không đồng nhất, làm thay đổi sự phân bố kích thước hạt từ trạng thái ban đầu của chúng. Bài báo này bàn luận về việc thích nghi và ứng dụng lý thuyết phân mảnh cùng các mô hình vật lý cho sự hư hại của hạt trong quá trình kích nổ vật chất ngưng tụ, sự phân tán khí động học của các hạt nóng chảy và sự phân mảnh khi va chạm của các hạt gần các cấu trúc xung quanh. Các mô hình nén sốc và phân mảnh va chạm dựa trên các phương pháp năng lượng cho phân mảnh động học theo Grady và Kipp, trong khi sự phân tán khí động học được điều trị theo tiêu chí ổn định số Weber cho giọt. Các mô hình phân mảnh hạt này được xác thực với các trường hợp thử nghiệm cơ bản từ tài liệu. Các mô hình sau đó được áp dụng vào các kịch bản nổ không đồng nhất, bao gồm trường tự do và phản xạ tường trong một con phố đô thị bán kín. So sánh với hồ sơ thực nghiệm về áp suất cho thấy có sự tương đồng tốt mặc dù có những thách thức vốn có trong độ phức tạp của việc đo lường nổ không đồng nhất và mô phỏng đa pha.

Từ khóa

#hạt kim loại #nổ không đồng nhất #phân mảnh #lý thuyết phân mảnh #mô hình vật lý #hư hại hạt #kích nổ vật chất ngưng tụ #phân tán khí động học

Tài liệu tham khảo

Zhang, F., Frost, D.L., Thibault, P.A., Murray, S.B.: Explosive dispersal of solid particles. Shock Waves 10, 431–443 (2001)

Zhang, F., Thibault, P.A., Link, R.A.: Shock interaction with solid particles in condensed matter and related momentum transfer. Proc. R. Soc. Lond. A 459, 705–726 (2003)

Ripley, R.C., Zhang, F., Lien, F.-S.: Acceleration and heating of metal particles in condensed matter detonation. Proc. R. Soc. Lond. A 468(2142), 1564–1590 (2012)

Zhang, F., Yoshinaka, A., Anderson, J., Ripley, R.: Confined heterogeneous blast. In: 19th International Symposium on Military Aspects of Blast and Shock, Calgary (2006)

Frost, D.L., Zhang, F.: The nature of heterogeneous blast explosives. In: 19th International Symposium on Military Aspects of Blast and Shock, Calgary (2006)

Yoshinaka, A., Zhang, F., Wilson, W.: Effect of shock compression on aluminum particles in condensed media. In: 15th APS Topical Meeting on Shock Compression of Condensed Matter, Kohala Coast (2007)

Kim, K., Wilson, W., Peiris, S., Needham, C., Watry, C., Ortley, D., Zhang, F.: Effects of particle damage during detonation of thermobarics on subsequent reactions. In: 21st International Colloquium on the Dynamics of Explosions and Reactive Systems, Poitiers (2007)

Ogura, T., Okada, K., Abe, T., Wakabayashi, K., Ishikawa, K., Kuroda, E., Matsumura, T., Nakayama, Y., Yoshida, M.: Pyrometry study on fireballs generated upon the explosion of TNT. In: 34th International Annual Conference of ICT—Energetic Materials: Reactions of Propellants, Explosives and Pyrotechnics, vol. 18, pp. 1–12 (2003)

Goroshin, S., Frost, D.L., Levine, J., Yoshinaka, A., Zhang, F.: Optical pyrometry of fireballs of metalized explosives. Propellants Explos. Pyrotech. 31(3), 169–181 (2006)

Frost, D.L., Goroshin, S., Janidlo, S., Pryszlak, J., Levine, J., Zhang, F.: Fragmentation of reactive metal particles during impact with a plate. In: 13th APS Topical Meeting on Shock Compression of Condensed Matter, Portland (2003)

Frost, D.L., Cairns, M., Goroshin, S., Leadbetter, J., Ripley, R.C., Zhang, F.: Reflected heterogeneous blast. In: 20th International Symposium on Military Aspects of Blast and Shock, Oslo (2008)

Leadbetter, J., Ripley, R.C., Zhang, F.: Explosive dispersal of metal particles in urban street structures. In: International Symposium on the Effects of Munitions with Structures 12.1, Orlando (2007)

Leadbetter, J., Ripley, R.C., Zhang, F.: Fragmentation of metal particles in urban street explosions. In: 20th International Symposium on Military Aspects of Blast and Shock, Oslo (2008)

Ripley, R.C., Cloney, C., Donahue, L., Frost, D.L., Zhang, F.: Enhanced loading due to reflected heterogeneous blast. In: 21st International Symposium on Military Aspects of Blast and Shock, Jerusalem (2010)

Ripley, R.C., Zhang, F.: Effect of aerodynamic breakup on combustion of aluminum particles from heterogeneous explosives. In: 23rd International Colloquium on the Dynamics of Explosions and Reactive Systems, Irvine (2011)

Grady, D.E.: The spall strength of condensed matter. J. Mech. Phys. Solids 36(3), 353–384 (1988)

Yew, C.H., Grady, D.E., Lawrence, R.J.: A simple model for debris clouds produced by hypervelocity particle impact. Int. J. Impact Eng 14, 851–862 (1993)

Davison, L., Grady, D.E., Shahinpoor, M.: High Pressure Shock Compression of Solids II: Dynamic Fracture and Fragmentation. Springer, New York (1996)

Grady, D.E., Kipp, M.E.: Fragmentation properties of metals. Int. J. Impact Eng. 20(1–5), 293–308 (1997)

Kolev, N.I.: Acceleration induced droplet and bubble fragmentation. In: Multiphase Flow Dynamics 2, 3rd edn, pp 207–248. Springer, Berlin (2007)

Gelfand, B.E.: Droplet breakup phenomena in flows with velocity lag. Prog. Energy Combust. Sci. 22(3), 201–265 (1996)

Pilch, M., Erdman, C.A.: Use of breakup time data and velocity history data to predict the maximum size of stable fragments for acceleration-induced breakup of a liquid drop. Int. J. Multiph. Flow 13(6), 741–757 (1987)

Gale, W.F., Totemeier, T.C.: Smithells Metals Reference Book, 8th edn. Elsevier Butterworth-Heinemann, Oxford (2004)

Hatch, J.E.: Aluminum: Properties and Physical Metallurgy, 2nd edn. ASM International, Materials Park (1984)

Caveny, L.H., Gany, A.: Breakup of Al\(_{2}\)O\(_{3}\) agglomerates in accelerating flowfields. AIAA J. 17(12), 1368–1371 (1979)

Zhang, F., Wilson, W.H.: Reaction of fragments from cased explosive charges. In: 20th International Symposium on Military Aspects of Blast and Shock, Oslo (2008)

Champagne, V.K., Helfritch, D.J., Trexler, M.D.: Some material characteristics of cold sprayed structures. Res. Lett. Mater. Sci. (2007). doi:10.1155/2007/27347

Christman, D.R., Isbell, W.M., Babcock, S.G., McMillan, A.R., Green, S.J.: Measurements of Dynamic Properties of Materials Volume III: 6061-T6 Aluminum, Tech. Rep. DNA Report DASA 2501-3, AD735966 (1971)

Grady, D.E., Kipp, M.E.: Impact failure and fragmentation properties of metals. Tech. Rep. SAND98-0387, Sandia National Laboratories, Albuquerque, USA (1998)

Dykhuizen, R.C., Smith, M.F., Gilmore, D.L., Neiser, R.A., Jiang, X., Sampath, S.: Impact of high velocity cold spray particles. Tech. Rep. SAND98-2682J, Sandia National Laboratories, Albuquerque, USA (1998)

Kipp, M.E., Grady, D.E., Swegle, J.W.: Experimental and numerical studies of high-velocity impact fragmentation. Tech. Rep. SAND93-0773, Sandia National Laboratories,Albuquerque, USA (1993)

Fauchais, P., Vardelle, A., Vardelle, M., Fukumoto, M.: Knowledge concerning splat formation: an invited review. J. Therm. Spray Technol. 13(3), 337–360 (2004)

Johnson, K.L.: Contact Mechanics. Cambridge University Press, Cambridge (1985)

Ripley, R.C., Zhang, F., Leadbetter, J.: Acceleration, heating, and reaction of aluminum particles in condensed explosive dispersal. In: 20th International Symposium on Military Aspects of Blast and Shock, Oslo (2008)

Needham, C.: Update on the status of numerical modeling of non-ideal explosives. In: 19th International Symposium on Military Aspects of Blast and Shock, Calgary (2006)

Donahue, L., Zhang, F., Ripley, R.C.: Numerical models for afterburning of TNT detonation products in air. Shock Waves 23(6), 559–573 (2013). doi:10.1007/s00193-013-0467-2

Zhang, F., Gerrard, K., Ripley, R.C.: Reaction mechanism of aluminum-particle-air detonation. J. Propuls. Power 25(4), 845–858 (2009)

Smirnov, N.: Combustion and detonation in multi-phase media: initiation of detonation in dispersed-film systems behind a shock wave. Int. J. Heat Mass Transf. 31(4), 779–793 (1988)

Lees, J., Williamson, B.H.J.: Combined very high pressure/high temperature calibration of the tetrahedral anvil apparatus, fusion curves of zinc, aluminum, germanium and silicon to 60 kilobars. Nature 208, 278–279 (1965)

Moriarty, J.A., Young, D.A., Ross, M.: Theoretical study of the aluminum melting curve to very high pressure. Phys. Rev. B 30(2), 578–588 (1984)

Gonor, A.L.: High-pressure vaporization and boiling of condensed material: a generalized Clausius–Clapeyron equation. In: 12th APS Topical Meeting on Shock Compression of Condensed Matter, Atlanta (2001)

Van Steenkiste, T.H., Smith, J.R., Teets, R.E.: Aluminum coatings via kinetic spray with relatively large power particles. Surf. Coat. Technol. 154, 237–252 (2002)

Janidlo, S.: High velocity impact and fragmentation of reactive metallic particles. Master’s thesis, McGill University, Canada (2004)