炸药悬浮液流动特性的耗散粒子动力学模拟研究

The controlling on the fluid behavior of energetic suspensions is one of the crucial technologies influencing the inner defects of munitions. Energetic suspension is a multiscale complicated fluid,existing experiments, theories and numerical simulations are all the macroscale work, hardly spread to the mecoscale phenomena.The absence of mecoscale information maybe is the reason that the good engineering controlling of munitions defects cannot be achieved. Now,it is difficult that the expriments are fully used to investigate the mecoscale phenomena of complicated fluids.Therefore,this project is designed to study the fluid characteristic of energetic suspensions by mecoscale simulation method of dissipative particle dynamics, the detail includes: i) the effect of the interface interaction between the continuous phase (TNT,HTPB) and the disperse phase (HMX,RDX) on the fluid of energetic suspensions; ii) the effect of structures and properties of fluid modifiers and other additives on the fluid behaviors of energetic suspensions; iii) the mechanism improving the fluid behavior of energetic suspension systems by temperature, shear and the above factors. Theoretically, we would clear the cooperated mechanism that several factors such as the interface,fluid modifiers,nano-particles,temeperature,shear and so on improve the fluid behaviors and command the means of controlling the viscosity of systems, in order to support the upgrade of munitions in the new warhead.

炸药悬浮液流动行为的调控是影响弹药内部缺陷的核心技术之一。炸药悬浮液是具有多尺度特征的复杂流体，现有的实验、理论和数值模拟研究多数都是基于宏观尺度上的，介观尺度的研究很少；而介观层面信息的缺失，或许就是工程上仍然无法实现对弹药缺陷较好控制的原因之一。完全依赖实验手段认识复杂流体介观尺度上的现象，目前还存在较多的困难，所以本项目拟利用介观尺度耗散粒子动力学模拟方法，研究炸药悬浮液的流动特性，具体包括：1）连续相（TNT、HTPB）与分散相（HMX、RDX）的界面作用对炸药悬浮液流动的影响；2）流动改性剂等添加组分的结构及理化性质对炸药悬浮液体系流动的影响；3）温度、剪切等与上述因素共同改善炸药悬浮液体系流动行为的机制。明晰两相界面作用、流动改性剂、纳米粒子、温度、剪切等因素影响体系流动行为的协同机制并掌握调控体系粘度的手段，为新型战斗部弹药升级提供支撑。

炸药悬浮液流动行为的调控是影响弹药内部缺陷的核心技术之一。炸药悬浮液是具有多尺度特征的复杂流体，现有的实验、理论和数值模拟研究多数都是基于宏观尺度上的，介观尺度的研究很少；而介观层面信息的缺失，或许就是工程上仍然无法实现对弹药缺陷较好控制的原因之一。完全依赖实验手段认识复杂流体介观尺度上的现象，目前还存在较多的困难，所以本项目以TNT基熔铸炸药体系为主要研究对象，采用耗散粒子动力学等介观尺度模拟方法，开展了以下研究：1）熔融态TNT炸药纯流体粘度模拟的粗粒化DPD模型以及参数建立。以纯TNT炸药熔融态流体的实验粘度数据与温度关系为基础，掌握了其粗粒化DPD模型及其相关参数的计算方法。为实际悬浮液体系的模拟奠定了方法基础。2）基于“溶剂化效应”修正的爱因斯坦理论模型预测纳米炸药悬浮液粘度的研究。针对爱因斯坦粘度理论模型无法准确预测纳米悬浮液流体粘度的不足，提出了基于纳米颗粒的“溶剂化效应”修正颗粒体积的新思路，在不改变爱因斯坦粘度理论的前提下有效解决模型本身的缺陷；在此基础上，获得了纳米炸药流体中的纳米颗粒尺寸及其分布等因素对粘度的影响规律；3）大颗粒形状及流动改性添加剂影响炸药悬浮液体系粘度特性的研究。考虑到实际体系中，高能固体炸药颗粒较大（微米级甚至毫米级），因此采用固定炸药大尺度颗粒的DPD模型，获得了大颗粒形状（球形、立方体等）对TNT流体粘度的影响规律；在此基础上，有基于实验结果，构建了聚合物流动改性剂与TNT流体的粗粒化模型，获得了聚合物流动改性剂的分子链构象以及分子量影响TNT流体粘度的规律。本项目获得的纳米粒子、温度等因素影响体系流动行为的协同机制，将为含有纳米炸药颗粒的新型战斗部弹药升级提供支撑。