点火管气固两相流模拟喷射装置的设计与计算

潘玉竹,余永刚

(南京理工大学动力工程学院,南京 210094)

点火管气固两相流模拟喷射装置的设计与计算

潘玉竹,余永刚

(南京理工大学动力工程学院,南京 210094)

为了研究火炮装药床中的点传火特性,根据高低压发射原理,设计了一种点火管气固两相流的模拟喷射装置,建立了模拟装置中高低压室的内弹道方程组,并进行了数值计算。计算结果表明,通过调整装药量、药形参数、节流孔面积及喷孔面积的大小,可以满足点火管多种工况下模拟实验的要求。对于单孔管状药,增大装药量或者减小弧厚,均可以使破膜时间提前,稳定喷射持续时间延长;增大节流孔面积或者喷孔面积,均会导致稳定喷射时的平均压力降低。

流体力学;点火管;高低压发射;内弹道设计;数值模拟

火炮装药床的点火过程是内弹道循环中十分复杂的一个阶段,也是影响火炮内弹道性能稳定的关键因素。粗劣的点火不仅会使弹道不稳定,精度下降,有时还会产生危险压力波,导致一些恶性事故的发生。因此,研究点火过程及其规律已成为内弹道学的一个重要组成部分。

为了深入研究点火机理,Rocchio等人[1]在标准的美M83点火管顶端多开4个喷孔,在实验中达到了满意的点火效果。East[2]试验了2种快速点传火装置,通过在中心点火管中采用本萘药条(黑火药、硝化棉和硝化甘油的混合物),获得了优于黑火药的点火性能。国内对火药的点传火过程也进行了比较系统的研究[3-4]。

笔者根据高低压发射原理,设计了一种点火模拟装置,用来模拟点火管内各种工况下气固两相流的流动[5]。为使点火管在多种工况下进行模拟实验,采用调整装药量、药形参数、节流孔面积及喷孔面积大小的方法。

1 装置设计

根据高低压发射原理设计出点火模拟装置,如图1所示。它主要由高压室和低压室串联组成。火药在高压室中点燃,产生的火药燃气通过高低压室之间的节流孔由高压室流入低压室,使低压室内的压力上升。当达到一定压力时,低压室上的喷孔膜片打开,低压室内的火药燃气由喷孔向外喷出。

为了研究多种工况下火药的点传火特性,可以通过调节高压室中的装药量、药形参数、节流孔面积等参数来满足低压室中具体的点火压力喷射要求。在低压室置入惰性固体颗粒模拟火药床,当喷孔膜片打开时,气固两相流从喷孔喷出,通过光学测量技术便可以得到气固两相流的温度、速度和流量等各种参数。

2 理论模型

2.1 基本假设

1)火药仅在高压室中燃烧,且燃烧遵循几何燃烧定律,燃速采用指数燃烧公式。

2)火药燃气服从诺贝尔-阿贝尔方程。

3)气体在节流孔和喷孔内的流动为等熵流动。

4)高低压室压力采用平均压力,只考虑压力随时间的分布,不考虑压力随空间的分布。

5)热散失及流动损失采用间接方法修正。

2.2 基本方程

2.2.1 高压室内弹道方程组

式中:ψ和Z分别为火药已燃百分数和火药已燃相对厚度;˙m1和η1分别为从高压室流出的火药燃气质量流量和相对流量;p1为高压室压力。

2.2.2 低压室内弹道方程组

式中:˙m2和η2分别为从低压室流出的火药燃气质量流量和相对流量;p2为低压室压力;p20为喷孔破膜压力。

2.2.3 高压室与低压室之间的耦合关系

式中:A1为节流孔面积;Φ1为节流孔流量系数;k为绝热指数;ρ1为高压室中火药燃气密度。

2.2.4 低压室与环境之间的耦合关系

当低压室压力达到破膜压力时,喷孔打开。根据等熵流动的假设,有:

式中:A2为喷孔面积;Φ2为喷孔流量系数;pa为喷孔外部大气压力;ρ2为低压室中燃气密度。

2.3 数值模拟

在数值计算中采用的火药是单孔管状药,高压室容积和低压室容积分别取为V01=100 ml,V02=185 ml。编制计算程序,对上述方程组进行求解,便可得到高压室压力和低压室压力随时间的变化规律。在本文中,定义ti为低压室压力达到破膜压力的时间,简称破膜时间;pi为稳定喷射时的平均压力;Δp/pi≤10%为形成稳定喷射的条件;pi±Δp为形成稳定喷射的压力变动范围;Δt为稳定喷射持续的时间。下面讨论装药量、药形参数、节流孔面积及喷孔面积对低压室压力的影响。

2.3.1 装药量对低压室压力的影响

为了研究装药量对低压室压力的影响,节流孔直径和喷孔直径分别取为7 mm和6 mm,装药为7/1火药,破膜压力为10 MPa。选取装药量分别为22 g、19 g和16 g,利用编制的内弹道程序,得到低压室压力随时间的变化曲线如图2所示。

由图2可以看出,在药形不变的情况下,随着装药量的增大,破膜时间ti提前,稳定喷射时的平均压力 pi变大,稳定喷射持续的时间 Δt变长。ω=16 g时,破膜时间ti=12.6 ms,形成稳定喷射的压力范围为9.3±0.9 MPa,稳定喷射持续时间Δt=17.5 ms;ω=19 g 时,ti=10 ms,压力范围为9.9±0.9 MPa,Δt=22.5 ms;ω=22 g时,ti=8.2 ms,压力范围为11.4±1.1 MPa,Δt=25.3 ms。

2.3.2 药形参数对低压室压力的影响

为了研究药形参数对低压室压力的影响,节流孔直径和喷孔直径分别取为7和6 mm,装药均采用单孔管状药,破膜压力为10 MPa。选取火药分别为7/1、12/1和18/1,利用编制的内弹道程序,得到低压室压力随时间的变化曲线如图3所示。

由图3可以看出,对于单孔管状药,弧厚越大,破膜越晚,稳定喷射持续时间 Δ t越短。弧厚的变动对稳定喷射时的平均压力 pi影响不是很大。对于7/1火药,破膜时间ti=10 ms,稳定喷射的压力范围为9.9±0.9 MPa,稳定喷射持续时间 Δt=22.5 ms;对于12/1火药,ti=16.1 ms,压力范围为9.1±0.9 MPa,Δt=12.6 ms;对于 18/1火药 ,ti=24.3 ms,压力范围为 9.1±0.9 MPa,Δt=7.6 ms。

在改变药形参数的同时,如果对节流孔面积的大小也进行适当的调整,可以得到另外的喷射匹配关系。

2.3.3 节流孔面积对低压室压力的影响

为了研究节流孔面积对低压室压力的影响,选取节流孔直径分别为5、6和7 mm,装药为7/1火药,装药量为19 g,破膜压力为10 MPa。利用编制的内弹道程序,得到低压室压力随时间的变化曲线如图4所示。

由图4可以看出,节流孔面积的变化对破膜时间ti及稳定喷射持续时间Δt的影响不是很大,但对稳定喷射时的平均压力pi影响很大。节流孔面积越大,稳定喷射时平均压力越小。d=5 mm时,破膜时间 ti=11.3 ms,稳定喷射的压力范围为13.9±1.3 MPa,稳定喷射持续时间Δt=28.5 ms;d=6 mm时,ti=9.6 ms,压力范围为10.7±1.0 MPa,Δt=23 ms;d=7 mm时,ti=10 ms,压力范围为 9.9±0.9 MPa,Δ t=22.5 ms。

2.3.4 喷孔面积对低压室压力的影响

为了研究喷孔面积对低压室压力的影响,选取喷孔直径分别为5、6和7 mm,装药为 7/1火药,装药量为19 g,破膜压力为10 MPa。利用编制的内弹道程序,得到低压室压力随时间的变化曲线如图5所示。

由图5可以看出,3种工况下的破膜时间ti相等,均为10 ms。随着喷孔面积的增大,稳定喷射时的平均压力pi减小,稳定喷射持续时间Δt明显缩短。d=5 mm时,稳定喷射的压力范围为14.0±1.4 MPa,稳定喷射持续时间 Δ t=35.4 ms;d=6 mm 时,压力范围为9.9±0.9 MPa,Δt=22.5 ms;d=7 mm 时,压力范围为9.1±0.9 MPa,Δt=10.8 ms。

3 结 论

在本文数值计算的条件下,可得出如下结论:

1)通过调整装药量、药形参数、节流孔面积及喷孔面积的大小,可以满足点火管多种喷射压力工况下的模拟实验要求。

2)对于单孔管状药,在药形一定的情况下,随着装药量的增大,破膜时间提前,稳定喷射时的平均压力增大,稳定喷射持续时间变长。在装药量一定的情况下,弧厚越大,破膜越晚,稳定喷射持续时间越短。

3)增大节流孔面积或者喷孔面积,均可降低稳定喷射时的平均压力。但增大喷孔面积会明显缩短稳定喷射持续时间。

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]陆欣,周彦煌.炮用发射装药点火管现状及未来发展趋势[J].弹道学报,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,张莺,等.火焰在传火管装药床中的传输特性研究[J].爆炸与冲击,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.枪炮内弹道学[M].北京:北京理工大学出版社,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,硕士,主要从事含能材料燃烧推进理论研究。E-mail::yuzhu1013@yahoo.com.cn