robert c. ripley- cylindrical explosive dispersal of metal particles: predictive calculations in...

26
Cx-?  MARTEC  Smart  Solutions  for  Engineering,  Science  and  Computing  Cylindrical  Explosive  Dispersal  of  Metal  Particles:  Predictive  Calculations  in  Support  of  Experimental  Trials  Martec  Technical  Report  #  TR-07-66  December  2007  20090914172   for:  Dr.  Yasuyuki  Horie  US  Air  Force  Research  Laboratory  Eglin  Air  Force  Base  Florida,  USA  32542  Smart  Solutions  for  Engineering,  Science  &  Computing  M.ins  02.425.5101  1888  Brunswick  Street,  Suite  400  02.421.1923  Halifax, Nova  Scotia 3J  3J8 anada  [email protected]  martec.com  

Upload: nikeshoxxx

Post on 06-Apr-2018

221 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: Robert C. Ripley- Cylindrical Explosive Dispersal of Metal Particles: Predictive Calculations in Support of Experimental Trials

8/3/2019 Robert C. Ripley- Cylindrical Explosive Dispersal of Metal Particles: Predictive Calculations in Support of Experiment…

http://slidepdf.com/reader/full/robert-c-ripley-cylindrical-explosive-dispersal-of-metal-particles-predictive 1/30

Cx-?  

MARTEC 

Smart Solutions fo r Engineering,  Science an d Computing 

Cylindrical Explosive Dispersal of Metal Particles: Predictive Calculations in Support of  Experimental Trials 

Martec Technical Report # TR-07-66 

December 2007 

20090914172 Prepared for: 

Dr. Yasuyuki Horie US Air Force Research Laboratory 

Eglin Air Force Base 

Florida, USA 32542 

Smart Solutions for Engineering, 

Science & Computing 

M.ins 02.425.5101 1888 Brunswick Street, Suite 400 02.421.1923 

Halifax, Nova Scotia 3J 3J 8 anada [email protected] 

martec.com 

Page 2: Robert C. Ripley- Cylindrical Explosive Dispersal of Metal Particles: Predictive Calculations in Support of Experimental Trials

8/3/2019 Robert C. Ripley- Cylindrical Explosive Dispersal of Metal Particles: Predictive Calculations in Support of Experiment…

http://slidepdf.com/reader/full/robert-c-ripley-cylindrical-explosive-dispersal-of-metal-particles-predictive 2/30

KfcPUKI UUUUMfcNIAMUN MACit 

Public report ing  burden fo r this collection of  information   s estimated  to average  hour pe r response   ncluding the  t ime fo r reviewing  -rVT IvL,-O.K-/\I\.- 1 i\.-{Jy-\jZbgathenng an a maintaining the data needed nd  comple t ing an d reviewing the  col lection of  information en d comments regarding  th of  nfo rmat ion , nc lud ing suggestions fo r reducing  this burden to  Washington  Headquarters  Service irectorate  fo r Information Opera  1215 Jefferson Davis Highway uite 1204 Arl ington. VA  22202-4302 nd  to the  Office  of  Management an d Budget 

PaperworK Reduc t ion Project (0704-0188) Washing ton C 20503 

PLEASE DO  NOT RETURN YOUR FORM TO  THE ABOVE ADDRESS. 1. REPORT DATE (DD-MM-YYYY)

08 JUN 2008  

2. REPORT TYPE 

Final Technical Report 

4. TITLE AND SUBTITLE 

Mode l ing Fragmentation and Reactive Dispersal of Explosively Loaded  

Metals 

DATES COVERED (From  - To ) 19  JUN 2006-31 MAY 2007  

5a . CONTRACT NUMBER  

5b . RANT NUMBER  

FA9550-06-1-0551  

5c . PROGRAM ELEMENT NUMBER  

6. AUTHOR(S)

Robert C. Ripley 

5d . PROJECT NUMBER 

5e . TASK NUMBER 

5f . WORK UNIT NUMBER  

7 ERFORMING ORGANIZATION NAME(S) AND ADDRESS(ES)  

US Air Force Research Laboratory  

Eglin Air  Force Base  Florida. USA 32542  

Martec Limited 1888 Brunswick St. uite  40 0 

Halifax ov a cotia 3J 3J8 Canada Tel: 902.425.5101  

PERFORMING ORGANIZATION REPORT NUMBER  

9. SPONSORING/MONITORING AGENCY  NAME(S) AND ADDRE SS(ES) USAF/AFRL  AFOSR 87 5 North Randolph Street Arlington VA   2 2 203 

10 . SPONSOR/MONITOR'S ACRONYM(S) 

AFOSR 

11 . SPONSORING/MONITORING  AGENCY REPORT NUMBER  

N/A  

12 . DISTRIBUTION AVAILABILITY STATEMENT 

Distribution Statement A: pproved for public release. istribution is unlimited. 

13 . SUPPLEMENTARY NOTES 

14 . BSTRACT 

The  Explosive dispersal of densely-packed  metal particles in cylindrical RDX-based charges was studied 

numerically in support of experimental trials. Simulations were conducted using a reactive  multiphase fluid 

dynamic code. undamental studies using a large-scale explosive were performed to show  scaling  phenomena

while avoiding potential initiation and critical diameter effects. Spherical tungsten particles  were applied in 

high metal mass fraction cylindrical and spherical charges in two configurations: a particle matrix uniformlv 

embedded in a solid explosive versus an annular shell of particles surrounding a high-explosive core. The  effe

of particle number density was investigated by varying the nominal particle diameter from  27 to  20 um  while

maintaining a constant metal mass fraction. Results were compared with steel particles  to evaluate th e influence of material density dispersal. Preliminary laboratory-scale simulations were performed using th e 

anticipated experimental configuration fo r the High Explosives R&D facility at Eglin AFB  trials. The effect o

particle size and density were investigated, and information  to assist in the experiments was  obtained. Results  were consistent with the fundamental study involving the large-scale  explosives, particular} he shape of the 

cylindrical dispersed dense particle slug, and the relative performance of th e large and small particles. 

15 UBJECT TERMS  

16 ECURITY CLASSIFICATION OF 

a. REPORT 

Unclassi f ied  b. ABSTRACT 

Unclassi f ied  C. THIS PAGE  

Unclassif ied  

17. LIMITATION OF 

ABSTRACT 

Unclassified  

18. NUMBER 

OF PAGES 

19a. NAME OF RESPONSIBLE PERSON 

J . F l lerup  

19b. TELEPONE NUMBER 

UndS^mdSr&^^rr, 298 

(Rev 

8-9

(703) 588.1777 rescr ibed by  ANSI-StdZ39-18 

Page 3: Robert C. Ripley- Cylindrical Explosive Dispersal of Metal Particles: Predictive Calculations in Support of Experimental Trials

8/3/2019 Robert C. Ripley- Cylindrical Explosive Dispersal of Metal Particles: Predictive Calculations in Support of Experiment…

http://slidepdf.com/reader/full/robert-c-ripley-cylindrical-explosive-dispersal-of-metal-particles-predictive 3/30

REVISION CONTROL 

REVISION   REVISION  DATE  

Page 4: Robert C. Ripley- Cylindrical Explosive Dispersal of Metal Particles: Predictive Calculations in Support of Experimental Trials

8/3/2019 Robert C. Ripley- Cylindrical Explosive Dispersal of Metal Particles: Predictive Calculations in Support of Experiment…

http://slidepdf.com/reader/full/robert-c-ripley-cylindrical-explosive-dispersal-of-metal-particles-predictive 4/30

-

SIGNATURE PAGE  

CYLINDRICAL EXPLOSIVE  DISPERSAL OF METAL PARTICLES: 

PREDICITIVE CALCULATIONS  IN  SUPPORT  OF EXPERIMENTAL TRIALS 

Technical Report # TR-07-66 1 1 December 2007 

Prepared by: ryU   (yC 'kl>liA$_ , ate:  bc& I, (Pb~ ]  Laura Donahue, P.Eng. Research Engineer 

. Ripley, P.ETni. obert C. Research Engineer 

, .   dtC   I I   Zwl ate: 

Reviewed by :  )> A]oLM ate:  j 6  "jZ**?- 

RobertC. Ripley, P.Eng. Research Engineer  ^-  

Approved by: r^/cbbs/ £- U^M -u t. ate:  (J<-\  ^ 3-ou7 David R. Whitehouse, P.Eng. Manager-Combustion Dynamics Group 

Page 5: Robert C. Ripley- Cylindrical Explosive Dispersal of Metal Particles: Predictive Calculations in Support of Experimental Trials

8/3/2019 Robert C. Ripley- Cylindrical Explosive Dispersal of Metal Particles: Predictive Calculations in Support of Experiment…

http://slidepdf.com/reader/full/robert-c-ripley-cylindrical-explosive-dispersal-of-metal-particles-predictive 5/30

"•ull.-

EXECUTIVE SUMMARY The explosive dispersal of densely-packed metal particles n cylindrical RDX-based charges 

was studied numerically in support of experimental trials. Simulations were conducted using a reactive multiphase fluid dynamic code. 

Fundamental studies using a large-scale  explosive were performed to show scaling phenomena 

while avoiding potential nitiation and critical diameter  ffects. Spherical ungsten particles 

were pplied n ig h etal as s raction ylindrical nd pherical harges n wo configurations:  particle matrix uniformly embedded n  solid explosive versus n annular 

shell of particles surrounding a high-explosive core. The  effect of particle number density was  investigated by varying the nominal particle diameter from 27 to  20 urn while maintaining a 

constant metal as s raction. esults were compared with teel articles o valuate he influence of material density on dispersal.  

Preliminary aboratory-scale simulations were performed using he anticipated experimental 

configuration fo r th e High Explosives R&D facility at Eglin AFB trials. The effect of particle 

size and density were investigated, and information to assist in the experiments was obtained. 

Results ere onsistent ith he undamental tudy nvolving he arge-scale xplosives, particularly he hape f he ylindrical ispersed ense article lug, nd he elative performance of th e large and small particles. 

Funding or his project was provided by he U.S . Air Force Office of Scientific Research 

under Grant FA9550-06-1-0551. 

Page 6: Robert C. Ripley- Cylindrical Explosive Dispersal of Metal Particles: Predictive Calculations in Support of Experimental Trials

8/3/2019 Robert C. Ripley- Cylindrical Explosive Dispersal of Metal Particles: Predictive Calculations in Support of Experiment…

http://slidepdf.com/reader/full/robert-c-ripley-cylindrical-explosive-dispersal-of-metal-particles-predictive 6/30

V^

TABLE OF CONTENTS 1.0 NTRODUCTION2.0 UMERICAL METHODS

3. 0 ARGE SCALE EXPLOSIVE DISPERSAL3.1 PHERICAL EXPLOSIVE  DISPERSAL3.1.1 article Morphology  Effects3.1.2 article Distribution Effects

3.2 YLINDRICAL  PARTICLE DISPERSAL4.0 RELIMINARY LABORATORY-SCALE INVESTIGATIONS 0 

4.1 XPLOSIVE  DETAILS 0 

4.2 5/W-27 RESULTS 1 

4.3 5/W-120 RESULTS 4 

4.4 5/AL-31 RESULTS 7 

5.0 ISCUSSION/CONCLUSIONS 1  

6.0 EFERENCES 22  

Page 7: Robert C. Ripley- Cylindrical Explosive Dispersal of Metal Particles: Predictive Calculations in Support of Experimental Trials

8/3/2019 Robert C. Ripley- Cylindrical Explosive Dispersal of Metal Particles: Predictive Calculations in Support of Experiment…

http://slidepdf.com/reader/full/robert-c-ripley-cylindrical-explosive-dispersal-of-metal-particles-predictive 7/30

LIST OF FIGURES FIGURE  :  SCHEMATIC OF  MATRIX AND SHELL CONFIGURATIONS. INITIATION LOCATIONS  ARE INDICATED BY RED 

CIRCLES 3  FIGURE 2: AVE DIAGRAM FOR 2.5 KG SPHERICAL MATRIX CHARGES. THICK  LINES, 12 0 HM;  THIN LINES, 27 ^M ; 

SOLID LINES, TUNGSTEN; DASHED LINES, STEEL; BLACK  LINES (N O SYMBOLS) , FIREBALL; LIGHT BLUE  

LINES, SHOCK; AND, BLACK  LINES WITH SYMBOLS, PARTICLE FRONT

FIGURE 3:  WAVE DIAGRAM FOR 2.5 KG SPHERICAL TUNGSTEN MATRIX AND SHELL CONFIGURATION CHARGES. 

THICK  LINES, 12 0 HM; THIN LINES, 27 HM;  SOLID LINES, MATRIX; DASHED LINES, SHELL; BLACK  LINES, 

FIREBALL; LIGHT BLUE LINES, SHOCK; AND, BLACK  LINES WITH SYMBOLS, PARTICLE FRONT FIGURE  4:  WAVE DIAGRAM FOR CYLINDRICAL DISPERSAL OF  2.5 KG TUNGSTEN CHARGES  (2 7 n M  DIAMETER). 

THICK  LINES, CYLINDRICAL CHARGE; THIN LINES, SPHERICAL CHARGE; SOLID LINES, MATRIX; DASHED  

LINES, SHELL; BLACK  LINES  (N O SYMBOLS), FIREBALL; LIGHT BLUE LINES, SHOCK; AND, BLACK  LINES  

WITH SYMBOLS, PARTICLE  FRONT 6

FIGURE 5:  FLUID DENSITY  (COLOUR) AND PARTICLE CONCENTRATION (LINES  - LOG) FOR 27  HM TUNGSTEN 

PARTICLES IN 2.5 KG (TOP) SHELL AND (BOTTOM) MATRIX CONFIGURATIONS. HADING INDICATES  

STRENGTH OF  DENSITY  GRADIENT

FIGURE 6:  CONCENTRATION OF DISPERSED  27  HM TUNGSTEN PARTICLES IN 2.5 KG MATRIX AND SHELL 

CONFIGURATIONS  AT  (LEFT) T= 1.0 MS AND (RIGHT) T = 8.0 MS

FIGURE 7:  RADIAL VELOCITY DISTRIBUTION OF  27  MM  TUNGSTEN  PARTICLES  IN 2.5 KG MATRIX AND SHELL CONFIGURATIONS AT  (LEFT) T= 1.0 MS  AND (RIGHT) T = 8.0 MS

FIGURES:  PREPARED  EXPERIMENTAL CHARGES 0 

FIGURE 9:  CHARGE DIMENSIONS IN MILLIMETRES 0 

FIGURE 10: EARLY-TIME  EXPLOSIVE DETONATION AND PARTICLE DISPERSAL OF  A5/W-27. FLOOD INDICATES PRESSURE LEVEL; SOLID LINES DENOTE PARTICLE  CONCENTRATION OF  0 MG/M

3 TO  0.1 KG/M

3 (LOG  

SCALE) 1 

FIGURE 11: EARLY-TIME  PARTICLE SPEED PROFILE FOR  A5/W-27. FLOOD INDICATES PARTICLE SPEED LEVEL; SOLID 

LINES  DENOTE PARTICLE  CONCENTRATION OF  0 MG/M3 TO  0.1 KG/M

3(LOG SCALE) 2 FIGURE 12: LATE-TIME  PARTICLE DISPERSAL AND SHOCK  PROPAGATION  OF  A5/W-27. FLOOD INDICATES  FLUID 

PRESSURE LEVEL; SOLID LINES  DENOTE PARTICLE  CONCENTRATION OF  0 MG/M3 TO  0.1 KG/M

3 (LOG  

SCALE) 13 

FIGURE 13: LATE-TIME A5/W-27 PARTICLE  SPEED. SOLID LINES DENOTE PARTICLE CONCENTRATION OF 10 MG/M3 

TO  0.1 KG/M3 (LOG SCALE) 13 

FIGURE 14: GAUGE HISTORIES  FOR A5/W-27 (LEFT) PRESSURE AND (RIGHT) PARTICLE NUMBER DENSITY 4 FIGURE 15: EARLY-TIME EXPLOSIVE DETONATION AND PARTICLE DISPERSAL OF A5/W-120. FLOOD INDICATES FLUID PRESSURE LEVEL; SOLID LINES DENOTE PARTICLE  CONCENTRATION OF  10 MG/M

3 TO  0.1 G/M

(LOG) 15  

FIGURE 16: EARLY-TIME PARTICLE  SPEED PROFILE FOR A5/W-120. FLOOD INDICATES PARTICLE SPEED LEVEL; SOLID LINES DENOTE PARTICLE CONCENTRATION OF  10 MG/M

3 TO  0.1 KG/M

3 (LOG) 5 FIGURE 17: LATE-TIME PARTICLE DISPERSAL AND SHOCK  PROPAGATION OF  A5/W-120. FLOOD COLOUR INDICATES  

FLUID PRESSURE LEVEL; SOLID LINES DENOTE PARTICLE CONCENTRATION OF  0 MG/M3 TO  0.1 KG/M

(LOG SCALE) 16  

FIGURE 18 : LATE-TIME  A5/W-120 PARTICLE  SPEED. SOLID LINES DENOTE PARTICLE CONCENTRATION OF 10 MG/M3 

TO  0.1 KG/M3 (LOG SCALE) 16

FIGURE 19 : GAUGE  HISTORIES FOR A5/W-120 (LEFT) PRESSURE AND (RIGHT) PARTICLE NUMBER DENSITY 7  FIGURE 20 : EARLY-TIME  EXPLOSIVE DETONATION AND PARTICLE DISPERSAL OF  A5/AL-3 1 . FLOOD INDICATES 

FLUID PRESSURE LEVEL; SOLID LINES DENOTE PARTICLE  CONCENTRATION OF  0 MG/M3 TO  0.1 G/M

(LOG SCALE) 18 FIGURE  21: EARLY-TIME PARTICLE SPEED PROFILE  FOR A5/AL-3 1 . FLOOD INDICATES PARTICLE SPEED LEVEL; 

SOLID LINES  DENOTE PARTICLE  CONCENTRATION OF  0 MG/M3TO0.1 KG/M

3 (LOG SCALE) 8 FIGURE 22 : LATE-TIME PARTICLE DISPERSAL AND SHOCK  PROPAGATION OF  A5/AL-3 1 . FLOOD INDICATES FLUID 

PRESSURE LEVEL; SOLID LINES DENOTE PARTICLE CONCENTRATION OF  0 MG/M3 TO  0.1 KG/M

3(LOG 

S C A L E ) 19 

FIGURE 23 : LATE-TIME  A5/AL-31 PARTICLE SPEED. SOLID LINES DENOTE PARTICLE CONCENTRATION OF  0  MG/M3 

TO  0.1 KG/M3 (LOG SCALE) 19  

FIGURE 24 : GAUGE HISTORIES  FOR AS/AL-31 LEFT) PRESSURE  AND (RIGHT) PARTICLE NUMBER DENSITY 0 

Page 8: Robert C. Ripley- Cylindrical Explosive Dispersal of Metal Particles: Predictive Calculations in Support of Experimental Trials

8/3/2019 Robert C. Ripley- Cylindrical Explosive Dispersal of Metal Particles: Predictive Calculations in Support of Experiment…

http://slidepdf.com/reader/full/robert-c-ripley-cylindrical-explosive-dispersal-of-metal-particles-predictive 8/30

^B 

LIST OF TABLES 

TABLE 1 : ETALIZED EXPLOSIVE  CHARGE  COMPOSITION

TABLE 2: HARGE DETAILS 1  

Page 9: Robert C. Ripley- Cylindrical Explosive Dispersal of Metal Particles: Predictive Calculations in Support of Experimental Trials

8/3/2019 Robert C. Ripley- Cylindrical Explosive Dispersal of Metal Particles: Predictive Calculations in Support of Experiment…

http://slidepdf.com/reader/full/robert-c-ripley-cylindrical-explosive-dispersal-of-metal-particles-predictive 9/30

Cylindrical Explosive Dispersal of Metal Particles: Predictive Calculations in Support of Experimental Trials 

1 .0 NTRODUCTION 

Some heterogeneous explosive formulations consist of a condensed explosive surrounded by a 

dense metal particle ayer. The dispersal of inert particles rom  high explosive charge s investigated numerically n th e current work. The modeling is motivated by an experimental 

effort at the High Explosives R&D acility at Eglin AFB hat aims to simulate dispersal and 

afterburning effects using dense metal particles as casing surrogates. Modeling calculations are 

used to predict th e arrival time and duration of the dispersed particle cloud including its time- 

varying concentration and velocity. This nformation will allow optimal configuration of th e 

diagnostics and optics n order to avoid the obscuring effects of th e ireball while capturing 

particle kinetic  ffects n he near ield. nert particles are he ocus of th e present work o  

study undamentals nd o calibrate equipment, while avoiding complexities ntroduced by 

reactive particle luminescence and reaction products in the flow field. 

TR-07-66 

Page 10: Robert C. Ripley- Cylindrical Explosive Dispersal of Metal Particles: Predictive Calculations in Support of Experimental Trials

8/3/2019 Robert C. Ripley- Cylindrical Explosive Dispersal of Metal Particles: Predictive Calculations in Support of Experiment…

http://slidepdf.com/reader/full/robert-c-ripley-cylindrical-explosive-dispersal-of-metal-particles-predictive 10/30

Cylindrical Explosive Dispersal of Metal Particles: Predictive Calculations in Support of Experimental Trials 

2.0 UMERICAL METHODS  All simulations are performed using Chinook, a 3D parallel unstructured mesh CFD code or 

th e simulation of time-accurate explosive events. This code, developed by Martec Limited, ha s been validated and used fo r spherical nert particle dispersal 1], cylindrical eactive particle 

scenarios [2 ] and multiphase explosions [3 ] featuring high metal mass fractions. 

The governing equations are the Euler equations fo r conservation of mass, momentum, energy, 

material concentrations and particle number density (number of particles per unit volume). t 

features th e second-order HLLC approximate Riemann solver [4 , 5] which is used fo r both the 

fluid and particle phases, each of which ha s independent velocity and temperature fields. The 

Godunov-type solver can handle all sound speeds in a generalized Riemann solver framework 

fo r th e condensed explosive, multicomponent detonation products, granular material, discrete 

particle system and air. The particle model developed in [1 ] is used, capable of simulating th e 

solid flow from solid continuum to a highly dilute particle system, with th e associated variance 

in sound speed (from 0 m/s o 0 /s). Gas-particle nteractions  re simulated using phase exchange ource erms, hich re ased n raditional mpirical orrelations or rag 

(momentum), eat ransfer convection) nd as s ransfer particle ombustion). he  governing equations and particle exchange source terms are described in [6 , 7] . 

Equations of state EOS)  re equired o model ach material nd o close he ystem of equations: 

• Mie-Griineisen EOS fo r condensed reactants [8 ] with Walsh and Christian temperature 

fitting [9 ] 

• Jones-Wilkens-Lee ( JWL) fo r gaseous detonation products [10]; explosive fitting  

parameters calculated using Cheetah [11] 

• Ideal Gas Law  fo r surrounding atmosphere and air-blast (gamma = 1.4) 

• Phenomenological EOS  fo r solid particles (both dense and dilute) [1 ] 

To ccount or arly-time article oading, omentum cceleration actors or hock interaction ith acked etal articles re mployed. he ear-field ense ranular heterogeneous low effect is ncluded in th e governing equations and drag model; n he ar  

field, drag is the main driving force within th e expanding detonation product gases and air. 

TR-07-66 

Page 11: Robert C. Ripley- Cylindrical Explosive Dispersal of Metal Particles: Predictive Calculations in Support of Experimental Trials

8/3/2019 Robert C. Ripley- Cylindrical Explosive Dispersal of Metal Particles: Predictive Calculations in Support of Experiment…

http://slidepdf.com/reader/full/robert-c-ripley-cylindrical-explosive-dispersal-of-metal-particles-predictive 11/30

Cylindrical Explosive Dispersal of Metal Particles: Predictive Calculations in Support of  Experimental Trials 

3.0   LARGE SCALE EXPLOSIVE DISPERSAL The effect of particle morphology and distribution were nvestigated through  eries of D 

and D alculations. 

lthough mall-scale

 harges 25 

50 ) re lanned or he 

preliminary experiments at Eglin AFB, metalized explosive charge sizes of 2 .5 and 20 kg  are 

studied n hi s ection o how dispersal phenomena while avoiding potential nitiation and 

critical diameter  ffects. The explosive ormulations considered are given n Table  W = 

tungsten, Fe  = steel). 

Table 1:  Metalized  explosive charge composition Comp  %  vol. 

%wt. 

A5/W 

%wt. 

A5/Fe 

A5 (98.5% RDX)  60.3  11.5   24.2 

Meta l  39.7  88.5  75.8 

Figure llustrates he harges nvestigated n he urrent tudy. n he irst harge configuration,  matrix of metal particles s embedded uniformly n  olid high explosive, 

while n he second configuration n explosive core s surrounded by n annular hell f particles. Both 2 .5 and 20 kg  charges were analyzed. The  charge outer diameters ranged from  

5.7 to 9 .0 cm  fo r th e 2.5 kg  charge and from  1.4  to  8 .0 cm  fo r the 20 kg  charge depending 

on configuration. The shell thickness was  0.3 and 21.0 mm in th e 2.5 and 20 kg A5/tungsten 

spherical charges, respectively. For th e cylinders, the charge length is twice th e outer diameter. 

Because of the cylindrical charge aspect atio, he spherical charge of th e am e mass ha s 

smaller outer diameter. 

MATRIX  SHELL 

o 0 vol% A5  

40 vol% W 100vol%A5  56vol%W 

44 vol% Ail 

Figure 1:  Schematic of matrix an d shell configurations. Initiation locations are indicated

 by red

 circles. 

TR-07-66 

Page 12: Robert C. Ripley- Cylindrical Explosive Dispersal of Metal Particles: Predictive Calculations in Support of Experimental Trials

8/3/2019 Robert C. Ripley- Cylindrical Explosive Dispersal of Metal Particles: Predictive Calculations in Support of Experiment…

http://slidepdf.com/reader/full/robert-c-ripley-cylindrical-explosive-dispersal-of-metal-particles-predictive 12/30

Cylindrical Explosive Dispersal of Metal Particles: Predictive Calculations in Support of Experimental Trials 

3.1  SPHERICAL EXPLOSIVE DISPERSAL 

3.1.1  Particle Morphology Effects The ffect f particle aterial nd iameter n he ispersal ynamics as nvestigated through D alculations nvolving pherical harges ontaining 7 nd 20 rn iameter tungsten nd teel articles. he etal articles ere istributed n  niform atrix 

throughout the charge, with voids filled with A5 explosive. This configuration is similar to  that 

studied by Zhang et al. [1]. 

Figure  llustrates he effect of particle diameter and material. ue o greater nertia, he 

dispersed ront of larger particles emains  t nearly constant velocity onger than hat of the 

smaller particles, which decelerate and are overtaken by th e shock ront. Charges containing 

steel particles have  aster shock peed nd arger ireball ndicating ess momentum and 

energy ransfer to he particles n heir acceleration and heating  s compared o he heavier tungsten particles of the same size. However, because of th e lower steel particle inertia, arge 

steel particles are dispersed ahead of th e ungsten particles until r > 4.0 m, and mall teel 

particles pass th e same size tungsten particles at r =  .3 m fo r th e same explosive fraction.  

6- 

E _  

E  

£ 

1   Fireball 

V  \r  x 

Shock 

- j*

j \<-''  Particle Front 

1   «   iL-^*^ - * *  Tungsten  

Steel 

i  ....

0 2 Radius (m ) 

Figure 2:  Wave diagram fo r 2.5 kg spherical matrix charges. Thick lines, 120 urn; thin  lines, 27 urn; solid lines, tungsten; dashed lines, steel; black lines (n o symbols), fireball; 

light blue lines, shock; and, black lines with symbols, particle front. 3.1.2  Particle Distribution Effects The effect of th e distribution of particles within he harge was nvestigated or he am e 

weight fraction of tungsten to  A5  as that of th e matrix charge specified in Table  . The matrix 

configuration was compared with n annular particle hell surrounding he explosive core 

TR-07-66 

Page 13: Robert C. Ripley- Cylindrical Explosive Dispersal of Metal Particles: Predictive Calculations in Support of Experimental Trials

8/3/2019 Robert C. Ripley- Cylindrical Explosive Dispersal of Metal Particles: Predictive Calculations in Support of Experiment…

http://slidepdf.com/reader/full/robert-c-ripley-cylindrical-explosive-dispersal-of-metal-particles-predictive 13/30

•• 

Cylindrical Explosive Dispersal of  Metal Particles:  Predictive Calculations  in Support of  Experimental Trials 

(Figure  ). The blast performance of shell versus matrix configurations was previously studied 

fo r aluminized explosives in a chamber [3]. For metal particles in th e shell configuration, th e 

tap density was used to determine a metal volume fraction of 55.7% with th e voids filled with 

air. 

Figure 3 llustrates th e wave diagram fo r the 2 .5 kg  spherical matrix and shell configurations. 

At early times in th e near field, the particles overtake the shock front fo r th e interval 0.3 <  r <  1.0 m. The time at which th e particles cross the shock occurs later for th e shell configuration 

than fo r th e matrix, and th e crossing distance is greater fo r increasing particle size. 

Particle Front 

Matrix 

Shell 

2 Radius (m ) 

Figure 3:  Wave diagram  fo r 2.5 kg spherical tungsten matrix an d shell configuration charges. Thick lines, 120 um: thin lines, 27 um: solid lines, matrix; dashed lines, shell; black lines, fireball; light blue lines, shock; and, black lines with symbols, particle front. For th e matrix configuration elative o he hell configuration, he shock s slightly arther 

ahead nd he ireball s arger. This s due o he detonation ransitioning o n air blast 

immediately at the en d of th e charge, without th e confinement effect of a dense particle bed. 

The hell configuration provided more confinement nd he ireball ecompression s more 

pronounced and occurs ater as indicated in Figure 3. Consequently, the particles n the shell 

shocked by th e detonation are 8 00  K  hotter initially and th e dispersed particles in the shell are 

up  to 450 K  hotter. 

For oth article izes n eneral, he ar-field ispersed article ront rom he atrix 

configuration s ahead of that fo r the shell configuration. One exception s th e 20 kg charge 

with small particles, where the dispersed particles from the shell are ahead of  the matrix fo r r > 3.25 m. Otherwise, th e results obtained fo r the 20 kg charge exhibit similar behaviour to that 

of the smaller charge. 

TR-07-66 

Page 14: Robert C. Ripley- Cylindrical Explosive Dispersal of Metal Particles: Predictive Calculations in Support of Experimental Trials

8/3/2019 Robert C. Ripley- Cylindrical Explosive Dispersal of Metal Particles: Predictive Calculations in Support of Experiment…

http://slidepdf.com/reader/full/robert-c-ripley-cylindrical-explosive-dispersal-of-metal-particles-predictive 14/30

Cylindrical Explosive Dispersal of  Metal Particles: Predictive Calculations in Support of  Experimental Trials 

3.2   CYLINDRICAL PARTICLE DISPERSAL Two-dimensional alculations ere performed o alculate he dispersal f particles rom  

centrally-initiated ylindrical harges. he last low ield as xpected o eature igh directional dependence, particularly n he near-field. Results along  adial slice rom he 

charge entre re ompared with pherical ispersal esults o tudy he ffect of charge geometry on th e blast (Figure  4). This comparison is no t simply a change in th e degree of blast 

expansion odelled n ne dimension, ut ather he ull harge hape nd xpansion s resolved. Only a single cylindrical charge aspect ratio was simulated; esults are expected to  

vary fo r other charge geometries. 

The cylindrical charge has a faster particle front and shock velocity than th e spherical esult, 

despite having  smaller nitial diameter. n both he pherical nd cylindrical charges, he 

shock nd article ronts re aster or he atrix harges s ompared ith he hell configuration, although at later t imes the shock and particle fronts fo r th e shell case eventually 

pass th e equivalent matrix positions. 

The cylindrical harge  lso hows  greater nfluence of particle distribution shell versus 

matrix) on ireball ize. he maximum ireball xtent or he cylindrical matrix charge s approximately .2 , he ireball xtends only 0.6 m n he adial direction or he hell configuration. everberations n he ireball vident n he hell onfiguration re ot s distinct in the matrix charge  results due to a more  diffusive multiphase flow field. 

£ g ) E 

Particle Front 

Sphere 

Cylinder 

2 Radius (m) 

Figure 4:  Wave diagram  fo r cylindrical dispersal of 2. 5 kg tungsten charges (27 um  diameter). Thick lines, cylindrical charge; thin lines, spherical charge; solid lines, matrix; dashed lines, shell; black lines (n o symbols), fireball; light blue lines, shock; and, black 

lines with symbols, particle front. 

TR-07-66 

Page 15: Robert C. Ripley- Cylindrical Explosive Dispersal of Metal Particles: Predictive Calculations in Support of Experimental Trials

8/3/2019 Robert C. Ripley- Cylindrical Explosive Dispersal of Metal Particles: Predictive Calculations in Support of Experiment…

http://slidepdf.com/reader/full/robert-c-ripley-cylindrical-explosive-dispersal-of-metal-particles-predictive 15/30

Page 16: Robert C. Ripley- Cylindrical Explosive Dispersal of Metal Particles: Predictive Calculations in Support of Experimental Trials

8/3/2019 Robert C. Ripley- Cylindrical Explosive Dispersal of Metal Particles: Predictive Calculations in Support of Experiment…

http://slidepdf.com/reader/full/robert-c-ripley-cylindrical-explosive-dispersal-of-metal-particles-predictive 16/30

Cylindrical Explosive Dispersal of Metal Particles: Predictive Calculations in Support of Experimental Trials 

t = 0.5 ms  t = 1.0 ms  t = 2.0 ms 

t = 0. 5 ms  t = 1.0 ms  t = 2. 0 ms Figure 5:  Fluid density (colour) an d particle concentration (lines - log) for 27 uni tungsten particles in 2. 5 kg (top) shell an d (bottom) matrix configurations. hading 

indicates strength of density gradient. 

TR-07-66  

Page 17: Robert C. Ripley- Cylindrical Explosive Dispersal of Metal Particles: Predictive Calculations in Support of Experimental Trials

8/3/2019 Robert C. Ripley- Cylindrical Explosive Dispersal of Metal Particles: Predictive Calculations in Support of Experiment…

http://slidepdf.com/reader/full/robert-c-ripley-cylindrical-explosive-dispersal-of-metal-particles-predictive 17/30

Cylindrical Explosive Dispersal of Metal Particles: Predictive Calculations in Support of Experimental Trials 

m4  

10'3 

Sphere, Shell 10

,J 

C10

„E 10  >  ic  V 

fio

 

—  n E 

« to  c V 

1 °

I Jio 3  

2  S—A  

&  

|0°  _  

41  

oicr2 

- m   10? -  

E 3 Z

i V o  

§10;

K . C\ 10 s - 

u  f ~ ~   ; ;   \\ .  .2

S i 2 r»ia

4 - 1 1 1  10\s 

o tr e  0.  

g r«10« 

Ii|   ' 0 i o C r e  a 

1CT6

10s  

J   ,   I  1 ) 1  10 5  

'"0 2 3  4   5  1tr 

Radius (m)  Radius (m ) 

Figure 6:  Concentration of dispersed 27 fim  tungsten particles in 2.5 kg matrix and shell configurations at (left) t = 1.0 ms and (right) t = 8.0 ms. 

Sphere, Matrix Sphere, Shell Cylinder, Matrix Cylinder, Shell 

2 Radius  (m ) 

900  

1 600  

1  > 

1  r e  Q. 

300  

t= 8.0  ms   Sphere, Matrix 

Sphere, Shell Cylinder, Matrix  Cylinder, Shell 

2 Radius  (m ) 

Figure 7:  Radial velocity distribution  of 27 um tungsten particles in 2.5 kg matrix and shell configurations at (left) t = 1.0 ms and (right) t • 8.0 ms. 

TR-07-66  

Page 18: Robert C. Ripley- Cylindrical Explosive Dispersal of Metal Particles: Predictive Calculations in Support of Experimental Trials

8/3/2019 Robert C. Ripley- Cylindrical Explosive Dispersal of Metal Particles: Predictive Calculations in Support of Experiment…

http://slidepdf.com/reader/full/robert-c-ripley-cylindrical-explosive-dispersal-of-metal-particles-predictive 18/30

Cylindrical Explosive Dispersal of Metal Particles: Predictive Calculations in Support of Experimental Trials  10 

4.0  PRELIMINARY LABORATORY-SCALE INVESTIGATIONS A series of simulations were performed using th e proposed configuration fo r th e experimental 

trials to be  performed at the High Explosives R&D facility at Eglin AFB. Only cylindrical A5  charges surrounded by an annular shell of metal particles were considered. Both tungsten and 

inert aluminum particles were simulated to investigate th e effect of particle size and material 

density on th e dispersal. Figure 8 illustrates the charges used in the experiments with nominal 

200 g mass. 

Figure 8:  Prepared experimental charges. 

4.1  EXPLOSIVE DETAILS 

A schematic of the charge is given n Figure 9 , with component mass raction details of th e 

three harges nvestigated isted n able . ll harges nvolve n 5 xplosive ore surrounded by a shell of monodisperse particles, with inter-particle voids illed with air. The 

explosive detonation is initiated by  a small region of hot products on  th e centre axis at one  end  

of the charge. 

The volume fraction of ai r and metal in the shell is relatively constant throughout all charges 

(approximately 44% ai r and 56% metal),  s s th e explosive mass 10.5 g). The densities of 

A5, ungsten, nd aluminum  re assumed to be  65 0 kg/m3, 9250 kg/m 3

, and 2700 kg/m3, 

respectively. 

Hot Spot 

Axis of 

Metal  " 1  

1  

:5.0 

Explosive  ;e.3 

Symmetry  * 0.8 l Figure 9:  Charge dimensions in millimetres. 

TR-07-66 

Page 19: Robert C. Ripley- Cylindrical Explosive Dispersal of Metal Particles: Predictive Calculations in Support of Experimental Trials

8/3/2019 Robert C. Ripley- Cylindrical Explosive Dispersal of Metal Particles: Predictive Calculations in Support of Experiment…

http://slidepdf.com/reader/full/robert-c-ripley-cylindrical-explosive-dispersal-of-metal-particles-predictive 19/30

Cylindrical Explosive Dispersal of  Metal Particles: Predictive Calculations  i n  Support of  Experimental Trials  II 

Table 2:  Charge details Charge Identification  Label 

A5/W-27  A5/W-120  A5/A1-31 Particle Diameter (jim)  27.0  120.0  31.0 

Shell Composition (%  vol)  A ir   44.16   44.16  44.76 

Metal  55.84   55 . 84   55.24  

Total Mass (g)  Explosive  10.5  10.5  10.5  

Metal  151.0  151.0  20.9  

4.2   A5/W-27 RESULTS 

Select results for th e A5/W-27 charge are illustrated in Figures 10-14. The early-time (1-10 ns ) detonics phenomena are shown n Figure 0. This image illustrates th e explosive detonation, 

normal nd blique hock ransmission nto he article ayer, nd nitial article ayer dispersal pattern. The form of the dispersed particle cloud is affected by both th e asymmetric 

end nitiation ocation, and th e open nds of th e charge. The patial particle speed profile s 

given n Figure  1, and shows that maximum particle speeds of approximately  500 m/s are 

located at th e ends of th e shell, while particle velocities are relatively constant along th e outer 

length of th e shell. There is a considerable velocity gradient present through th e thickness of 

the particle cloud, as th e particles on  th e outer edges of the shell are less confined and are thus 

accelerated more quickly by  th e shock. 

Axi»! Dlitanca m)   Axla) Dbtinea m ) 

t = 0.0070 m« 

0.04 

t =0  10O ms 

0  4  

Axial Distance m)   Axial Dittance  1 1 1 )  

Figure 10: Early-time explosive detonation  an d particle dispersal of A5/W-27. Flood  indicates pressure level; solid lines denote particle concentration of 10 mg/ra

3 to  

0.1 kg/m 3 (log scale). 

TR-07-66 

Page 20: Robert C. Ripley- Cylindrical Explosive Dispersal of Metal Particles: Predictive Calculations in Support of Experimental Trials

8/3/2019 Robert C. Ripley- Cylindrical Explosive Dispersal of Metal Particles: Predictive Calculations in Support of Experiment…

http://slidepdf.com/reader/full/robert-c-ripley-cylindrical-explosive-dispersal-of-metal-particles-predictive 20/30

Cylindrical Explosive Dispersal of Metal Particles:  Predictive Calculations in Support of Experimental Trials  1 2  

t = 0.0100 m s 

0  <  

o 1 

Axial Distinct (m ) 

Figure 11: Early-time particle speed profile fo r A5/W-27. Flood indicates particle speed level; solid lines denote particle concentration of 10 mg/rn

3 to 0.1 kg/m log scale). 

Figure 2 llustrates he ater-time first millisecond) particle dispersal nd shock pressures. The form of the dispersed particle cloud is quite different than th e early-time orm shown n 

Figure 0, with he maximum particle displacements occurring mid-length along th e charge. This appears to be  due to colliding waves along the charge center, and may be  dependent on  

the charge aspect ratio. 

Three coalescing hocks are evident in Figure  2, especially at th e later times. These shocks 

originate rom he nitial xpansion  t he nitiation nd , he shock ransmitted hrough he 

particle bed, and the transmitted shock out the far end  of the tube. Differences in th e speeds of 

these hocks du e o changes n he particle bed condition confinement) are examined n 

subsequent sections. The results indicate that th e incident shock is followed by a second high  

pressure region at the leading edge of the particle slug, seen most prominently in Figure 2 at  

t= 1.0610 ms. This may be a ballistic effect, as the high-drag dense particle slug compresses 

th e air ahead of it. 

As hown n igure 3, he peak particle peeds n he bulk of the lug have decayed o approximately half of  th e earlier-time speeds shown in Figure 11 . 

TR-07-66 

Page 21: Robert C. Ripley- Cylindrical Explosive Dispersal of Metal Particles: Predictive Calculations in Support of Experimental Trials

8/3/2019 Robert C. Ripley- Cylindrical Explosive Dispersal of Metal Particles: Predictive Calculations in Support of Experiment…

http://slidepdf.com/reader/full/robert-c-ripley-cylindrical-explosive-dispersal-of-metal-particles-predictive 21/30

'••r  

Cylindrical Explosive Dispersal of Metal Particles: Predictive Calculations in Support of  Experimental Trials  1 3  

t = 0.0110ms  t = 0.3610 m s 

Early-time  solution  

Preoure (Pa) 170000 160000 

150000  

140000 130000 120000 

—| 10000 

—   100000 

Axial Distance m ) 

Prewjrt(Pa) 

1  170000  

„_   laoooo E  ieoooo 

- ' r—

140000  130000  c  120000 

$ 05 110000  

tooooo 

a 0000 •o o o o  • 0000 

M•a   _^^^^^^ e 

°0  1  :  Axial Distance m) 

1  = 0.7110 ms  t =  1.0610 ms  

170000 160000 150000  140000 130000 

120000 110000 

Axial Distance m)  Axial Distance m) 

Figure 12: Late-time particle dispersal an d shock propagation of A5/W-27. Flood  indicates fluid pressure level; solid lines denote particle concentration of 10 mg/m   to  

0,1 kg/m 3 (log scale)* 

t =  0.3610 ms  

Axial Dktanci m)  

Figure 13 : Late-time A5/W-27 particle speed. Solid lines denote particle concentration of 10 mg/m

3 to  0.1 kg/m 3

 (log scale). Numerical gauges were placed  t  adial distances rom he mid-length of th e explosive cylinder (r = 0.2, 0.3, 0.4, 0.5 and 0.75 m). Figure 4 plots th e pressure and particle number 

density (number of particles per cubic metre) histories at these locations. The  pressure results 

show  airly significant econd peak, especially  t th e 0.4 o 0.75 m gauge ocations. This 

second peak is th e result of the ballistic shock discussed earlier. 

With the definition of a "particle window", number density nformation can be converted o 

determine he ime-dependent umber f particles assing hrough  olume or ater comparison to experimental PIV data. 

TR-07-66 

Page 22: Robert C. Ripley- Cylindrical Explosive Dispersal of Metal Particles: Predictive Calculations in Support of Experimental Trials

8/3/2019 Robert C. Ripley- Cylindrical Explosive Dispersal of Metal Particles: Predictive Calculations in Support of Experiment…

http://slidepdf.com/reader/full/robert-c-ripley-cylindrical-explosive-dispersal-of-metal-particles-predictive 22/30

Cylindrical Explosive Dispersal of  Metal Particles: Predictive Calculations in Support of Experimental Trials  1 4  

K 4 0 0 0 0 0  

£  a . 

I  

r>0.3m 

rtlii

f »  0.75  m  

"  

1 0 0005 001 0015  0 001 0015 

Figure 14: Gauge histories fo r A5/W-27 (left) Pressure an d (right) Particle number density  

4. 3 5/W-120 RESULTS In rder o tudy he ffect f particle iameter on he article ispersal haracteristics, simulations er e erformed ith 20 rn ungsten articles hile aintaining he ame explosive and metal mass fractions. The  explosive detonation and early-time dispersal pattern 

are llustrated n igure 5. he arger particles equire dditional ime o ccelerate s compared to  th e smaller particles du e to  th e greater inertia. 

The  resulting lower particle speeds are also very evident with a comparison of Figure 1 and 

Figure 6, which hows a drop in particle speed as compared with the smaller particles. The 

velocities n he  centre of the slug range rom approximately 200-300 m/s n th e case of th e 

12 0 um  particles, compared with peak particle velocities of approximately 8 00 m/s  at th e same 

location n the 27 um  particle slug. The  particle velocities through th e thickness are also ar 

more uniform than observed fo r the small diameter particles. 

TR-07-66 

Page 23: Robert C. Ripley- Cylindrical Explosive Dispersal of Metal Particles: Predictive Calculations in Support of Experimental Trials

8/3/2019 Robert C. Ripley- Cylindrical Explosive Dispersal of Metal Particles: Predictive Calculations in Support of Experiment…

http://slidepdf.com/reader/full/robert-c-ripley-cylindrical-explosive-dispersal-of-metal-particles-predictive 23/30

Cylindrical Explosive Dispersal of Metal Particles: Predictive Calculations in Support of Experimental Trials  1 5  

t- gimmi 

^B  «•;*•<$ — 1 5E-09 — 1E*09 

*  H 7E*08 —| 3E*09 

|  H e*OB J s e - o e  •6*08 

t •  m   4   1 

S   1   - AMDtabrwt i 

Figure 15: Early-time explosive detonation an d particle dispersal of A5/W-120. Flood  indicates fluid pressure level; solid lines denote particle concentration of 10 mg/m o  

0.1 kg/m 3 (log).  

t = 0.0100 m s  

0.04 

0l*ance(n1 

Figure 16 : Early-time particle speed profile fo r A5/W-120. Flood indicates particle speed level; solid lines denote particle concentration of 10 mg/m

3 to  0.1 kg/m 3

 (log). The ater-time ressure nd article oncentration rofiles or he 5/W-120 harge re  illustrated n Figure 7. The adial hock peed s greater fo r th e arger particle iz e du e o  lower overall drag forces compared to the smaller particles. Although the drag of an individual 

large particle s greater than the drag of a smaller particle, he total drag on a cloud of large 

diameter particles s ower han or n qual volume raction of small particles, herefore influencing th e strength of the shock transmitted through th e particle layer. 

While th e radial hock strength is increased fo r th e arger particles, the end shock speeds are 

reduced. t s hypothesized ha t his s du e to he ncreased confinement effect of th e mall 

particles. Drag orces  re greater fo r the shell of smaller particles, also resulting n  greater 

confining orce. s  consequence of the greater confinement, igher strength nd aster shocks expand from the ends of the charge in th e case of the smaller diameter particles. This  

theory also explains he absence of the ballistic hock present n he mall diameter results. 

Because of th e lower particle cloud drag forces, th e strength of th e compression wave ahead of 

the particle cloud is also reduced. 

TR-07-66 

Page 24: Robert C. Ripley- Cylindrical Explosive Dispersal of Metal Particles: Predictive Calculations in Support of Experimental Trials

8/3/2019 Robert C. Ripley- Cylindrical Explosive Dispersal of Metal Particles: Predictive Calculations in Support of Experiment…

http://slidepdf.com/reader/full/robert-c-ripley-cylindrical-explosive-dispersal-of-metal-particles-predictive 24/30

Cylindrical Explosive Dispersal of Metal Particles: Predictive Calculations in Support of Experimental Trials  16 

Figure 7  lso llustrates he educed displacement of the arge diameter particle  loud s compared with the cloud of small particles (Figure 2) . The slug of small particles has high total drag forces and low inertia, and therefore the  small particles are  accelerated more quickly. 

These timeframes occur relatively early in the overall expansion, and it is anticipated that after sufficient time, the large diameter particles will overtake the small particle position, as shown fundamentally  in Figure  ( r <  m). As shown in Figure 18 , the  average particle speeds for the large diameter particles is still lower than the  small particle speeds. 

t = 0.0110 m s  t = 0.3610 m s 

P»wure(Pa)  P<tUuri(P|)  UO0O0 

1   170000  _  160000  „ 160000  

•  j j 

Early-time 

solution  = 

150000 140000 130000 120000 

B  • 0 c  

-S   05  

=  150000 1*0000 130000  

120000 —   110000  110000  

o  m  

\  100000  100000 

\ 1  0000 

e o o o o   V5V  1 0000 

80000 70000 

\

K  

smt^ :  05   l  2   °0  u5  Axial Distance m )  Axial DIttane* m) 

t = o.; 11 0 ms  t = 1.0610 m s 

Pr»s«jre(P«)  Pitnurt (P w  

_ ^   1  170000 160000  1   170000  

i e o o o o  E   150000   E  i500oa 

140000  •->   140000  130000 

g     ^>w  130OO0 - M—  120000   • s  X.  120000 

-8   05   ^   ^W   '10000  «  05   *  — ~  >  110000  100000  >    -afe   \

§  / ±v  90000  

80000  •  /*—   >  i 90000 80000  

a .  /yj g *  X *0000  f ^nttm   • 70000 °  f \  0  

,  •  p  

05   15   O S   2  Axial Distinct m)   Axial Distance m ) 

Figure 17: Late-time particle dispersal and shock propagation  of  A5/W-120. Flood colour indicates fluid pressure level; solid lines denote particle concentration  of 10 mg/m

3 to 0.1 

kg/m3 (log scale). 

125 AKUI Dktanct m)  

Figure 18: Late-time A5/W-120 particle speed. Solid lines denote particle concentration  of 10 mg/m

3 to 0.1 kg/m 3

 (log scale). Figure 9 gives he numerical gauge esults or ive measurement ocations n he adial direction. The aster adial hock peed s vident when omparing o Figure 4, nd he  

TR-07-66 

Page 25: Robert C. Ripley- Cylindrical Explosive Dispersal of Metal Particles: Predictive Calculations in Support of Experimental Trials

8/3/2019 Robert C. Ripley- Cylindrical Explosive Dispersal of Metal Particles: Predictive Calculations in Support of Experiment…

http://slidepdf.com/reader/full/robert-c-ripley-cylindrical-explosive-dispersal-of-metal-particles-predictive 25/30

Cylindrical Explosive Dispersal of  Metal Particles: Predictive  Calculations  in Support of  Experimental Trials  17 

second pressure peak du e to the ballistic hock does not occur with th e arger particles. The 

relative particle number density trends are very similar to  th e mall particle results, however 

the number densities  re everal orders of magnitude ower du e o he educed number of 

particles in the shell. Specifically, there should be  9 0 times th e number of smaller particles per unit volume as larger particles. 

i800000 

j KKMOO  

Q.  

r  • 0   m  r  •0.3 m  r  «  0  4 m  r.OSm r  • 0V4 m  

1   r  a  0.3 m  

2 5E-09  r.04mi "O.itn raQVSm 

2E*09  "  —  .§ 1 SE'OS 

1E->08 

A  

5E»08  -  

1                                                                                                                                                                   1  1   1   1  

0001  0 00005  0001  00015 0002 00025 0003 00035 

Figure 19: Gauge histories for A5/W-120 (left) Pressure and (right) Particle number density 

4.4  A5/AL-31 RESULTS 

The effect of particle material density was nvestigated hrough simulations nvolving nert aluminum articles. he luminum articles er e odelled s nert o emove otential reactivity  ffects rom he analysis nd ocus on particle material  ffects only. The 1 m  

aluminum articles er e f comparable ize o he 7 m ungsten articles, owever 

represented only approximately 4% of the ungsten particle mass. Figure 20 llustrates he  detonation propagation, oblique shock formation, and particle dispersal or the first 0.01 ms.  

The particle layer disperses much more quickly than in either of the tungsten cases, du e to th e  

reduced article nertia. he articles av e ee n ispersed o pproximately wice heir original adius before he detonation reaches th e nd of the charge. The particle speeds are 

approximately double those observed fo r the small tungsten particles, as shown in Figure 21 . 

TR-07-66 

Page 26: Robert C. Ripley- Cylindrical Explosive Dispersal of Metal Particles: Predictive Calculations in Support of Experimental Trials

8/3/2019 Robert C. Ripley- Cylindrical Explosive Dispersal of Metal Particles: Predictive Calculations in Support of Experiment…

http://slidepdf.com/reader/full/robert-c-ripley-cylindrical-explosive-dispersal-of-metal-particles-predictive 26/30

Cylindrical Explosive Dispersal of Metal Particles: Predictive Calculations in Support of Experimental Trials  18 

t = 0.0010 ms 

Axial Dtitanct (m )  Axial Dlstane* (m ) 

Axial Distance (m )  Axial Dlitanca (m ) 

Figure 20: Early-time explosive detonation and particle dispersal of A5/A1-31. Flood  indicates fluid pressure level; solid lines denote particle concentration  of 10 mg/m  to 

0.1 kg/m 3 (log scale). 

Axial Distance (m ) 

Figure 21: Early-time particle speed profile for A5/A1-31. Flood indicates particle speed  level; solid lines denote particle concentration of 10 mg/m

3 to 0.1 kg/m3 (log scale). 

Figure 22 llustrates the pressure and particle concentration contours fo r times between 0.01 and 1.0 ms. In contrast to the  tungsten particle results, the  aluminum  particle cloud travels with the leading shock, with some particles travelling ahead of the shock. The results show leading trails of low concentration particles that begin at early time due to detonation pressures nd 

dense drag forces at the corners of the shell. These may be numerical artifacts and should be  investigated further. The radial hock speed is greater than or the 27 um tungsten particles, and there appears to be lower confinement given the  relative shock strengths along the axis of symmetry. This seems to indicate that the lower mass and lower inertia particle shell results in greater acceleration and  a net decrease in the  drag force. 

TR-07-66 

Page 27: Robert C. Ripley- Cylindrical Explosive Dispersal of Metal Particles: Predictive Calculations in Support of Experimental Trials

8/3/2019 Robert C. Ripley- Cylindrical Explosive Dispersal of Metal Particles: Predictive Calculations in Support of Experiment…

http://slidepdf.com/reader/full/robert-c-ripley-cylindrical-explosive-dispersal-of-metal-particles-predictive 27/30

Cylindrical Explosive Dispersal of Metal Particles: Predictive Calculations in Support of Experimental Trials  19  

t = 0.0il0ms 

Axial Dist inct (ml   Axlt! Dlittnce (m ) 

Figure 22: Late-time particle dispersal and shock propagation  of A5/A1-31. Flood  indicates fluid pressure level; solid lines denote particle concentration  of 10 mg/m

3 to  

0.1 kg/m 3 (log  scale). 

Figure 3 llustrates the particle peeds  t 0.36 ms. The aluminum results appear to how large difference n velocity t he entre of the particle  loud between he nner nd outer surfaces, however the area with large speed (approximately  500 m/s) occurs in a region with a relatively low particle concentration. 

t =  0.3610 ms 

J . 7 5  

3  a ,0 2 5  

Speed (mrs) H •  1500 

1250  '  V  1000 

790  

5 0 0  E  25 0 0 

0   05  1 .5   2  Axial Distance (in) 

Figure 23: Late-time A5/A1-31 particle speed. Solid lines denote particle concentration of 10 mg/m

3 to 0.1 kg/m 3

 (log scale). TR-07-66 

Page 28: Robert C. Ripley- Cylindrical Explosive Dispersal of Metal Particles: Predictive Calculations in Support of Experimental Trials

8/3/2019 Robert C. Ripley- Cylindrical Explosive Dispersal of Metal Particles: Predictive Calculations in Support of Experiment…

http://slidepdf.com/reader/full/robert-c-ripley-cylindrical-explosive-dispersal-of-metal-particles-predictive 28/30

Cylindrical Explosive Dispersal of Metal Particles: Predictive Calculations in Support of Experimental Trials  20  

The pressure nd particle number density histories t ive numerical gauge ocations re plotted in Figure 24 . The secondary shock which is most pronounced at 0.2 m appears to no t be due to a ballistic-type shock as observed in the  27 um tungsten case, but is due rather to a 

secondary recompression fluid shock (as seen in Figure 22). This wave may be stronger than in  ither of the tungsten cases as the particle cloud travels with the incident shock, nd the second wave is no t impeded by a lagging particle  cloud. 

800000 -! 

t* 0.2  in  r«0.3m 

"04m iiljai-orsm

86*10  

r t.llK

r • 1.4 m 

imt.im

r«f/4m

Pre

ePa

*

"   8E-10 

"E _  «  Z

4E-M0 

_  

200000  .  26*10 

0  0   i 

0 0005  0 00 1 «s) 

0 0015  0   02  3   00005 

«• 0 001   0X15 

Figure 24: Gauge histories for A5/A1-31 (left) Pressure and (right) Particle number density 

TR-07-66 

Page 29: Robert C. Ripley- Cylindrical Explosive Dispersal of Metal Particles: Predictive Calculations in Support of Experimental Trials

8/3/2019 Robert C. Ripley- Cylindrical Explosive Dispersal of Metal Particles: Predictive Calculations in Support of Experiment…

http://slidepdf.com/reader/full/robert-c-ripley-cylindrical-explosive-dispersal-of-metal-particles-predictive 29/30

Cylindrical Explosive Dispersal of Metal Particles: Predictive Calculations in Support of Experimental Trials 1 

5.0 ISCUSSION/CONCLUSIONS In he current tudy, he explosive dispersal of densely-packed metal particles n cylindrical 

RDX-based charges was studied numerically n support of experimental rials. imulations 

were conducted using Chinook , a reactive  multiphase CFD  code. 

Fundamental tudies nvolving arge-scale xplosives er e erformed o how caling phenomena while avoiding potential initiation and critical diameter effects. Spherical tungsten 

particles were applied n high metal mass raction cylindrical nd spherical charges n wo 

fundamental configurations: a particle matrix uniformly embedded in a solid explosive versus 

an annular shell of particles surrounding a high-explosive core. The effect of particle number 

density was investigated by varying th e nominal particle diameter from 27 to  20 um  while 

maintaining  constant metal mass raction. esults were compared with teel particles o 

evaluate th e influence of material density on dispersal. The  dispersal dynamics are recorded on 

wave diagrams nd  re observed  t adial ocations n erms of arrival ime, elocity and particle concentration. 

Preliminary aboratory-scale simulations were performed using he anticipated experimental 

configuration fo r th e High Explosives R&D facility at Eglin AFB trials. The  effect of particle 

size and density were investigated, and information to assist in the experiments was obtained. 

Results er e onsistent ith he undamental tudy nvolving he arge-scale xplosives, particularly he hape f he ylindrical ispersed ense article lug, nd he elative performance of th e large and small particles. 

Particle emperature nformation s available o estimate aluminum eactivity n blast lows. 

The nfluence of other actors uch s particle hape, ize distribution and nitiation ocation 

may be  investigated in the future. The  initial momentum transfer is accounted for in th e current 

simulations by applying a momentum acceleration factor to th e particle drag force fo r a short duration during th e detonics and near field phases. To improve th e predictability of early time 

particle oading, he omentum cceleration actor eveloped or hock nd etonation 

interaction with packed metal particles will be  employed in the future. 

TR-07-66  

Page 30: Robert C. Ripley- Cylindrical Explosive Dispersal of Metal Particles: Predictive Calculations in Support of Experimental Trials

8/3/2019 Robert C. Ripley- Cylindrical Explosive Dispersal of Metal Particles: Predictive Calculations in Support of Experiment…

http://slidepdf.com/reader/full/robert-c-ripley-cylindrical-explosive-dispersal-of-metal-particles-predictive 30/30

Cylindrical Explosive Dispersal of Metal Particles:  Predictive Calculations in Support of Experimental Trials 2 

6 . 0   REFERENCES [I] hang, F., Frost, D.L., Thibault, P.A., and Murray, S.B., Explosive Dispersal of Solid Particles, Shock Waves, 10 : 431-443 (2001). 

[2 ] rost, D. L., Goroshin, S., Levine, J ., Ripley, R. C, and Zhang F. , Critical Conditions fo r gnition f luminum articles n ylindrical xplosive harges, hock Compression ofCondensed Matter-2005, pp. 972 -975 (2006). 

[3 ] ipley, R.C., Donahue, L., Dunbar, T.E., nd Zhang, F. , Explosion performance of aluminized NT n  hamber, roc. 9th Military Aspects f Blast nd Shock, Calgary, Canada (2006). 

[4 ] oro, .F . 19 97 ) iemann olvers nd umerical Methods or luid ynamics, 

Springer-Verlag. 

[5 ] atten, P., Clark, N., Lambert, C. and Causon, D. M.., On th e choice of wavespeeds fo r th e HLLC Riemann solver, SIAM  J . Sci. Comput., 18(6) , pp. 1553-1570, Nov 1997 . 

[6 ] hang, F. , Tran, D. and Thibault, P. A., Multiphase models fo r detonation propagation in a dusty or porus medium, Combustion Canada '96, Ottawa, Ontario, June  996 . 

[7 ] aer, M. R. and Nunziato, J. W., A two-phase mixture theory fo r th e deflagration-to- detonation transition (DDT) in reactive granular materials, Int. J. Multiphase Flow, 12, 

pp . 8 6 1 - 8 8 9 ,  986 . 

[8 ] ader, C. L. , Numerical Modeling ofExplosives and Propellants, 2 n d  Ed., CRC Press, 

Boca Raton, Florida,  9 9 8 . 

[9 ] alsh, . . nd hristian, . . quation f tate f metals rom hock ave 

measurements, Physical Review, 97(6) , pp . 1544-1556 ,  955 . 

[10] ee , . ., ornig, H. . nd Kury, .  ., Adiabatic expansion of high explosive 

detonation roducts, CRL-50422, awrence ivermore aboratory, niversity f California,  96 8 . 

[II] ried, L. E., Howard, W. M., and Souers, P.C., "Cheetah 2.0 User's Manual," UCRL- MA-l 17541 (Revision 5), Lawrence Livermore National Laboratory,  9 9 8 . 

[12] ipley, R.C., Zhang, F., and Lien, F.-S., "Detonation nteraction with Metal Particles in Explosives," Proc. 13th International Detonation Symposium, Norfolk, VA (2006). 

[13] ichards, D.W., De Angelis, R.J., Kramer, M.P., House, J.W., Cunard, D.A., and Shea, D.P., Shock-Induced Deformation of Tungsten Powder", Adv. X-ray Analysis, 47,  351-356(2004).