研究數值模擬高溫高壓射孔增壓計算
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摘 要：在210MPa、300℃條件下射孔為國內最高指標的高溫高壓射孔系統，該射孔系統中，伴隨著射孔器材的爆炸，爆炸沖擊波將在容器中將產生動態壓力增量，該壓力增量將與靜態工作壓力疊加作用在高溫高壓釜體上，從而導致在射孔彈爆炸瞬時容器內工作壓力增大。
關鍵詞：數值模擬；高溫高壓；射孔；增壓
目前國內外已有相關研究機構對炸藥在容器中爆炸引起的動態壓力增量進行了相關研究，但對研究釜體中射孔彈的爆炸在容器內壁引起的壓力增量具有一定借鑒意義，但二者在很多關鍵因素上有較大差別：①已有研究中炸藥在釜體中爆炸時釜體內壓力為常壓，本釜體中射孔彈爆炸時釜體中已有較高壓力；②已有研究中試驗溫度為常溫，本釜體中試驗溫度為高溫；③已有研究中炸藥與釜體之間僅有單層介質，本釜體中射孔彈的高能炸藥與釜體之間有多層復雜介質（包括射孔彈殼、空氣、射孔槍管和水）；④已有研究中炸藥的爆炸是朝向空間的各個方向的，本釜體中射孔彈的爆炸是定向的。以上種種差別決定了對在本釜體中計算射孔彈爆炸引起的動態壓力增量不能完全沿用已有的研究方法，需要有針對性地建立一種數學模型，并對該數學模型進行數值模擬。
1 基本參數
射孔槍置于容器內部的井筒中，射孔槍端部距離上密封頭800mm。容器為PCrNi3MoVA材料，內徑350mm，試驗射孔前最高工作壓力210MPa，最高工作溫度300℃，井筒內徑190mm，高度為350mm。射孔槍外徑為102mm，壁厚10mm，所用材料為P110石油套管，屈服強度862MPa。射孔彈所用炸藥類型為PYX，額定裝藥量50g，其中D=55mm，d=20mm，L=76mm，r=64°。
2 條件的合理簡化和實施
本文中射孔彈的射流成型原理與一般的武器戰斗部射流成型原理相同，但已有的射流成型研究中，主要考慮含能材料本身的成型與射流規律，而忽略其爆轟產物對非射流方向的作用，因為對于錐柱狀裝藥，其射流方向的能量是主要的，而其它方向的能量是次要的。而本項目恰恰需要考慮這次要部分的能量作用于容器所引起的響應。計算模型共包含6種不同的材料，分別為超高壓容器用鋼、槍套、導熱油、鹽水、空氣、炸藥及其藥形罩、巖石。其中需要考慮流固耦合效應的物質包括：容器與導熱油的流固耦合作用、井筒與鹽水的流固耦合作用、炸藥起爆后爆轟產物與槍套及其底部爆破片的流固耦合作用、槍套底部擊穿后爆轟產物與巖石、流體的流固耦合作用。
同時考慮上述幾種不同的流固耦合作用在計算中的難以實現，為此，提出3條合理簡化措施：①首先忽略射孔彈內部藥型罩的聚能作用，而使炸藥的爆轟波直接作用于槍套，即射孔彈爆炸以及射流成型過程中主要沿縱向傳播的能量均勻分布到周圍空間，這樣計算得到的爆炸載荷是保守的；②槍套底部的爆破片被擊穿的過程較為復雜，且其消耗的能量占比較少，該過程可以忽略不計；③射流成型并擊穿巖石進入巖石內部的過程非常復雜，且能量消耗占比較大。在射流成型過程分析中，僅忽略縱向方向上射流與巖石的交互作用，但仍然考慮射流在容器介質內的演化，直至其到達設定的計算邊界。
3 計算分析
3.1 靜載荷作用下的容器應力分析
210MPa的內壓作用下，容器壁面的等效應力分布，其中容器內壁面等效應力最大，其值為471MPa，而容器外壁面的等效應力為139MPa。
3.2 爆炸載荷下的流場動力響應與容器應力分析
介質靜水壓力對應力波的傳播具有較大的影響，隨著靜水壓力的提高，流體的體積被壓縮，密度和體積聲速增大，這些因素使得爆炸沖擊波在高靜水壓介質中傳播的壓力峰值和沖量大于低靜水壓力時的情況，對結構潛在的破壞作用增大。但另一方面，隨著靜水壓力的提高，流體粘滯性增大，導致縱波在傳播過程中的能量較多地被消耗吸收，從而造成壁面回波的振幅迅速衰減，對結構的破壞作用減弱。上述兩種因素的作用機制對結構的影響是相反的，結構的具體響應行為是上述兩種因素相互競爭作用所產生的結果。計算過程中，從兩方面考慮工作壓力的影響，其一，工作壓力屬于靜水壓力，靜水壓力不同導致流體介質物性參數的不同，從而對爆炸瞬態過程產生較大的影響；其二，靜水壓力產生的應力場與爆炸載荷單獨作用產生的應力場疊加計算。
3.3 增壓計算
考慮210MPa工作壓力所引起的流體物性改變條件下，承受爆炸載荷時的不同時刻等效應力云圖。在第79μs，應力波到達容器內壁面，等效應力的峰值在第515μs出現在容器內壁，大小為8.25MPa。這說明在166mm的設計壁厚下，由于爆炸載荷單獨引起的等效應力是非常低的。210MPa和50g PYX共同作用下容器內壁面的壓力載荷時程曲線，第1119μs時，壓力載荷峰值達到216MPa，即爆炸載荷引起的瞬時壓力載荷增量為6MPa。
4 結論
通過爆炸載荷下的流場動力響應與容器分析，得到了由于爆炸載荷引起的疊加瞬態壓力時程曲線以及應力分布的演化情況。由于瞬時壓力載荷增量的絕對值較小，可粗略地采用最為保守的動力系數法，動力系數取2計算，根據上述計算結果容器內壁面在210MPa和爆炸載荷共同作用下承受的等效應力瞬態峰值為484MPa，未超過材料在工作溫度下的屈服強度，當工作壓力分別為210MPa、50g PYX引起的爆炸載荷等效壓力增量為12MPa。
參考文獻：
[1]蘇昉等.石油醚在流體靜高壓下的超聲聲速、衰減、密度和絕熱壓縮系數[J].高壓物理學報，1994，8（2）：81-86.
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