點火管氣固兩相流模擬噴射裝置的設(shè)計與計算

潘玉竹,余永剛

(南京理工大學(xué)動力工程學(xué)院,南京 210094)

點火管氣固兩相流模擬噴射裝置的設(shè)計與計算

潘玉竹,余永剛

(南京理工大學(xué)動力工程學(xué)院,南京 210094)

為了研究火炮裝藥床中的點傳火特性,根據(jù)高低壓發(fā)射原理,設(shè)計了一種點火管氣固兩相流的模擬噴射裝置,建立了模擬裝置中高低壓室的內(nèi)彈道方程組,并進(jìn)行了數(shù)值計算。計算結(jié)果表明,通過調(diào)整裝藥量、藥形參數(shù)、節(jié)流孔面積及噴孔面積的大小,可以滿足點火管多種工況下模擬實驗的要求。對于單孔管狀藥,增大裝藥量或者減小弧厚,均可以使破膜時間提前,穩(wěn)定噴射持續(xù)時間延長;增大節(jié)流孔面積或者噴孔面積,均會導(dǎo)致穩(wěn)定噴射時的平均壓力降低。

流體力學(xué);點火管;高低壓發(fā)射;內(nèi)彈道設(shè)計;數(shù)值模擬

火炮裝藥床的點火過程是內(nèi)彈道循環(huán)中十分復(fù)雜的一個階段,也是影響火炮內(nèi)彈道性能穩(wěn)定的關(guān)鍵因素。粗劣的點火不僅會使彈道不穩(wěn)定,精度下降,有時還會產(chǎn)生危險壓力波,導(dǎo)致一些惡性事故的發(fā)生。因此,研究點火過程及其規(guī)律已成為內(nèi)彈道學(xué)的一個重要組成部分。

為了深入研究點火機理,Rocchio等人[1]在標(biāo)準(zhǔn)的美M83點火管頂端多開4個噴孔,在實驗中達(dá)到了滿意的點火效果。East[2]試驗了2種快速點傳火裝置,通過在中心點火管中采用本萘藥條(黑火藥、硝化棉和硝化甘油的混合物),獲得了優(yōu)于黑火藥的點火性能。國內(nèi)對火藥的點傳火過程也進(jìn)行了比較系統(tǒng)的研究[3-4]。

筆者根據(jù)高低壓發(fā)射原理,設(shè)計了一種點火模擬裝置,用來模擬點火管內(nèi)各種工況下氣固兩相流的流動[5]。為使點火管在多種工況下進(jìn)行模擬實驗,采用調(diào)整裝藥量、藥形參數(shù)、節(jié)流孔面積及噴孔面積大小的方法。

1 裝置設(shè)計

根據(jù)高低壓發(fā)射原理設(shè)計出點火模擬裝置,如圖1所示。它主要由高壓室和低壓室串聯(lián)組成?；鹚幵诟邏菏抑悬c燃,產(chǎn)生的火藥燃?xì)馔ㄟ^高低壓室之間的節(jié)流孔由高壓室流入低壓室,使低壓室內(nèi)的壓力上升。當(dāng)達(dá)到一定壓力時,低壓室上的噴孔膜片打開,低壓室內(nèi)的火藥燃?xì)庥蓢娍紫蛲鈬姵觥?/p>

為了研究多種工況下火藥的點傳火特性,可以通過調(diào)節(jié)高壓室中的裝藥量、藥形參數(shù)、節(jié)流孔面積等參數(shù)來滿足低壓室中具體的點火壓力噴射要求。在低壓室置入惰性固體顆粒模擬火藥床,當(dāng)噴孔膜片打開時,氣固兩相流從噴孔噴出,通過光學(xué)測量技術(shù)便可以得到氣固兩相流的溫度、速度和流量等各種參數(shù)。

2 理論模型

2.1 基本假設(shè)

1)火藥僅在高壓室中燃燒,且燃燒遵循幾何燃燒定律,燃速采用指數(shù)燃燒公式。

2)火藥燃?xì)夥闹Z貝爾-阿貝爾方程。

3)氣體在節(jié)流孔和噴孔內(nèi)的流動為等熵流動。

4)高低壓室壓力采用平均壓力,只考慮壓力隨時間的分布,不考慮壓力隨空間的分布。

5)熱散失及流動損失采用間接方法修正。

2.2 基本方程

2.2.1 高壓室內(nèi)彈道方程組

式中:ψ和Z分別為火藥已燃百分?jǐn)?shù)和火藥已燃相對厚度;˙m1和η1分別為從高壓室流出的火藥燃?xì)赓|(zhì)量流量和相對流量;p1為高壓室壓力。

2.2.2 低壓室內(nèi)彈道方程組

式中:˙m2和η2分別為從低壓室流出的火藥燃?xì)赓|(zhì)量流量和相對流量;p2為低壓室壓力;p20為噴孔破膜壓力。

2.2.3 高壓室與低壓室之間的耦合關(guān)系

式中:A1為節(jié)流孔面積;Φ1為節(jié)流孔流量系數(shù);k為絕熱指數(shù);ρ1為高壓室中火藥燃?xì)饷芏取?/p>

2.2.4 低壓室與環(huán)境之間的耦合關(guān)系

當(dāng)?shù)蛪菏覊毫_(dá)到破膜壓力時,噴孔打開。根據(jù)等熵流動的假設(shè),有:

式中:A2為噴孔面積;Φ2為噴孔流量系數(shù);pa為噴孔外部大氣壓力;ρ2為低壓室中燃?xì)饷芏取?/p>

2.3 數(shù)值模擬

在數(shù)值計算中采用的火藥是單孔管狀藥,高壓室容積和低壓室容積分別取為V01=100 ml,V02=185 ml。編制計算程序,對上述方程組進(jìn)行求解,便可得到高壓室壓力和低壓室壓力隨時間的變化規(guī)律。在本文中,定義ti為低壓室壓力達(dá)到破膜壓力的時間,簡稱破膜時間;pi為穩(wěn)定噴射時的平均壓力;Δp/pi≤10%為形成穩(wěn)定噴射的條件;pi±Δp為形成穩(wěn)定噴射的壓力變動范圍;Δt為穩(wěn)定噴射持續(xù)的時間。下面討論裝藥量、藥形參數(shù)、節(jié)流孔面積及噴孔面積對低壓室壓力的影響。

2.3.1 裝藥量對低壓室壓力的影響

為了研究裝藥量對低壓室壓力的影響,節(jié)流孔直徑和噴孔直徑分別取為7 mm和6 mm,裝藥為7/1火藥,破膜壓力為10 MPa。選取裝藥量分別為22 g、19 g和16 g,利用編制的內(nèi)彈道程序,得到低壓室壓力隨時間的變化曲線如圖2所示。

由圖2可以看出,在藥形不變的情況下,隨著裝藥量的增大,破膜時間ti提前,穩(wěn)定噴射時的平均壓力 pi變大,穩(wěn)定噴射持續(xù)的時間 Δt變長。ω=16 g時,破膜時間ti=12.6 ms,形成穩(wěn)定噴射的壓力范圍為9.3±0.9 MPa,穩(wěn)定噴射持續(xù)時間Δt=17.5 ms;ω=19 g 時,ti=10 ms,壓力范圍為9.9±0.9 MPa,Δt=22.5 ms;ω=22 g時,ti=8.2 ms,壓力范圍為11.4±1.1 MPa,Δt=25.3 ms。

2.3.2 藥形參數(shù)對低壓室壓力的影響

為了研究藥形參數(shù)對低壓室壓力的影響,節(jié)流孔直徑和噴孔直徑分別取為7和6 mm,裝藥均采用單孔管狀藥,破膜壓力為10 MPa。選取火藥分別為7/1、12/1和18/1,利用編制的內(nèi)彈道程序,得到低壓室壓力隨時間的變化曲線如圖3所示。

由圖3可以看出,對于單孔管狀藥,弧厚越大,破膜越晚,穩(wěn)定噴射持續(xù)時間 Δ t越短。弧厚的變動對穩(wěn)定噴射時的平均壓力 pi影響不是很大。對于7/1火藥,破膜時間ti=10 ms,穩(wěn)定噴射的壓力范圍為9.9±0.9 MPa,穩(wěn)定噴射持續(xù)時間 Δt=22.5 ms;對于12/1火藥,ti=16.1 ms,壓力范圍為9.1±0.9 MPa,Δt=12.6 ms;對于 18/1火藥 ,ti=24.3 ms,壓力范圍為 9.1±0.9 MPa,Δt=7.6 ms。

在改變藥形參數(shù)的同時,如果對節(jié)流孔面積的大小也進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整,可以得到另外的噴射匹配關(guān)系。

2.3.3 節(jié)流孔面積對低壓室壓力的影響

為了研究節(jié)流孔面積對低壓室壓力的影響,選取節(jié)流孔直徑分別為5、6和7 mm,裝藥為7/1火藥,裝藥量為19 g,破膜壓力為10 MPa。利用編制的內(nèi)彈道程序,得到低壓室壓力隨時間的變化曲線如圖4所示。

由圖4可以看出,節(jié)流孔面積的變化對破膜時間ti及穩(wěn)定噴射持續(xù)時間Δt的影響不是很大,但對穩(wěn)定噴射時的平均壓力pi影響很大。節(jié)流孔面積越大,穩(wěn)定噴射時平均壓力越小。d=5 mm時,破膜時間 ti=11.3 ms,穩(wěn)定噴射的壓力范圍為13.9±1.3 MPa,穩(wěn)定噴射持續(xù)時間Δt=28.5 ms;d=6 mm時,ti=9.6 ms,壓力范圍為10.7±1.0 MPa,Δt=23 ms;d=7 mm時,ti=10 ms,壓力范圍為 9.9±0.9 MPa,Δ t=22.5 ms。

2.3.4 噴孔面積對低壓室壓力的影響

為了研究噴孔面積對低壓室壓力的影響,選取噴孔直徑分別為5、6和7 mm,裝藥為 7/1火藥,裝藥量為19 g,破膜壓力為10 MPa。利用編制的內(nèi)彈道程序,得到低壓室壓力隨時間的變化曲線如圖5所示。

由圖5可以看出,3種工況下的破膜時間ti相等,均為10 ms。隨著噴孔面積的增大,穩(wěn)定噴射時的平均壓力pi減小,穩(wěn)定噴射持續(xù)時間Δt明顯縮短。d=5 mm時,穩(wěn)定噴射的壓力范圍為14.0±1.4 MPa,穩(wěn)定噴射持續(xù)時間 Δ t=35.4 ms;d=6 mm 時,壓力范圍為9.9±0.9 MPa,Δt=22.5 ms;d=7 mm 時,壓力范圍為9.1±0.9 MPa,Δt=10.8 ms。

3 結(jié) 論

在本文數(shù)值計算的條件下,可得出如下結(jié)論:

1)通過調(diào)整裝藥量、藥形參數(shù)、節(jié)流孔面積及噴孔面積的大小,可以滿足點火管多種噴射壓力工況下的模擬實驗要求。

2)對于單孔管狀藥,在藥形一定的情況下,隨著裝藥量的增大,破膜時間提前,穩(wěn)定噴射時的平均壓力增大,穩(wěn)定噴射持續(xù)時間變長。在裝藥量一定的情況下,弧厚越大,破膜越晚,穩(wěn)定噴射持續(xù)時間越短。

3)增大節(jié)流孔面積或者噴孔面積,均可降低穩(wěn)定噴射時的平均壓力。但增大噴孔面積會明顯縮短穩(wěn)定噴射持續(xù)時間。

References)

[1]ROCCHIO J J,CHANG L M.Simulator diagnostics of the early phase ignition phenomena in a 105mm tank gun chamber[R].ADA195514,1988.

[2]EAST J L,BU RRELL W R.Solutions to ignition related problems in navy guns via a rapid ignition propagation(RIP)ignition[C].14th JANNAF Combustion Meeting CPIA.Publication 292.1977.

[3]陸欣,周彥煌.炮用發(fā)射裝藥點火管現(xiàn)狀及未來發(fā)展趨勢[J].彈道學(xué)報,1996,8(4):92-96.

LU Xin,ZHOU Yan-huang.The current research situation and future development trends about gun propellant igniter[J].Journal of Ballistics,1996,8(4):92-96.(in Chinese)

[4]王浩,梁世超,張鶯,等.火焰在傳火管裝藥床中的傳輸特性研究[J].爆炸與沖擊,1999,19(1):66-71.

WANG Hao,LIANG Shi-chao,ZHANG Ying,et al.Study of flame propagation characteristics in fire transfering tube[J].Explosion and Shock Waves,1999,19(1):66-71.(in Chinese)

[5]金志明.槍炮內(nèi)彈道學(xué)[M].北京:北京理工大學(xué)出版社,2004:293-297.

JIN Zhi-ming.Gun interior ballistics[M].Beijing:Beijing Institute of Technology Press,2004:293-297.(in Chinese)

Design and Calculation of Simulating Injection Device for Gas-Solid Two-Phase Flow in Igniter Tube

PAN Yu-zhu,YU Yong-gang

(Power Engineering College,Nanjing University of Science and Technology,Nanjing 210094,Jiangsu,China)

In order to study the ignition characteristics in the gun charge bed,a kind of simulating injection device for the gas-solid two-phase flow in the igniter tube was designed based on the high-low pressure launching principle.The interior ballistic equation group of high-low pressure chambers in the simulator was established and solved by means of numerical method.The calculation results showed that the different working conditions of the igniter tube can be simulated by use of adjusting the mass and shape of charge,the areas of the throttle and the nozzle hole.Thus this can meet the requirements of simulation and test of the igniter tube under different working conditions.With relation to cylindrical monoperforated grains,increasing the charge mass or decreasing the thickness of arc,all of these can bring forward the diaphragm breaking time and prolong the stable injecting duration time.The average pressure of stable injection can decrease with the area increase of the throttle or the nozzle holes.

fluid mechanics;igniter tube;high-low pressure launch;interior ballistic design;numerical simulation

TJ012.17

A

1673-6524(2010)04-0088-04

2010-03-09;

2010-07-22

潘玉竹(1985-),女,碩士,主要從事含能材料燃燒推進(jìn)理論研究。E-mail::yuzhu1013@yahoo.com.cn