科技日报记者 于紫月
记者从西安近代化学研究所获悉，该所联合西安交通大学科研团队针对火炸药等高固相含量复合材料，创新性地提出一种改进的粗粒化模型，高效实现了对数百万乃至千万计固体颗粒混合过程和颗粒受力的模拟仿真，并通过实验验证了该模型的准确性，为复合材料混合工艺的提质增效与安全保障提供了可靠的科学依据。近期，该成果在线发表于《化学工程杂志》（《Chemical Engineering Journal》）。
炸药主要由硝胺类化合物、金属等固体成分与少量高分子粘结剂混合制备而成，混合时颗粒间相互碰撞摩擦，极端情况下会瞬间释放大量能量。精准追踪大量颗粒运动与受力特征是该领域的研究难点，也是保障炸药混合工艺安全的基石。作为当前数值仿真的主流方法之一，粗粒化模型通过将若干真实颗粒“打包”成一个粗颗粒，以提高计算效率。然而，传统粗粒化模型计算结果与真实情况仍存在差距。
此次，科研团队改进了粗粒化模型，基于滚动摩擦力矩守恒原则，修正了滚动摩擦系数等关键物理参量，使得计算模拟的“纸上预测”更贴近“实战”。研究人员向科技日报记者打了个形象的比方：同一张照片，像素点越多图像越清晰，像素点越少图像越模糊。真实颗粒就像密集的像素点，而粗粒化模型在一定程度上减少了像素点，所以会“失真”。对此，该团队将真实颗粒的滚动摩擦力矩赋值于粗粒化模型中的粗大颗粒，推导出新的滚动摩擦系数。这一关键参量后被证实为数据保真的“钥匙”。
为验证该模型的准确性，团队进行了相关实验，利用特种混合装置将炸药的多种固体材料充分混合，实时追踪搅拌桨末端的扭矩，勾勒出一条扭矩随时间变化的曲线，并与仿真模型对比，证实了仿真模型可有效还原真实混合过程中的力学状态。
研究人员表示，该模型可分析不同工艺参数、结构参数对颗粒运动速度、状态、受力的影响，从而可指导混合工艺效率提升、筑牢安全“红线”。此外，该模型还适用于锂电池、药剂等复合材料，为工艺优化与安全性设计提供重要技术支撑。
网友评论
