大长径比中心炸管式抛撒定容阶段两相流模拟

郭梦婷,陶如意,李子杰

(南京理工大学 能源与动力工程学院,江苏 南京 210094)

大长径比中心炸管式抛撒定容阶段两相流模拟

郭梦婷,陶如意,李子杰

(南京理工大学 能源与动力工程学院,江苏 南京 210094)

针对中心炸管式抛撒系统的定容阶段点传火、抛撒药燃烧作用过程,建立了理论模型并对其进行了仿真计算。鉴于点传火管里无装药且长径比较大,建立了一维纯气相模型,针对燃烧室内抛撒药燃烧过程,建立二维轴对称两相流模型,并通过能量交换将二者耦合。采用CE/SE方法编制了内弹道计算程序并进行了仿真计算,仿真计算结果与试验结果基本一致,验证了该文所建立的数学模型及相应的数值方法的正确性。仿真结果分析表明:无装药且长径比大的点传火管点传火过程较慢,但点火一致性良好,能够均匀释放点火能量,保证燃烧室内火药燃烧过程平稳可靠。

子母弹;中心炸管;两相流;数值计算

中心炸管式抛撒是子母弹常用的抛撒方式之一,是依靠位于母弹中心的炸管(装有高装填密度火药或炸药)来提供抛撒动能推动子弹运动的一种抛撒方式。在定容燃烧阶段伴随着的复杂物理化学变化过程,包括点火药燃烧、传火管传火、抛撒药着火燃烧生成高温高压燃气等作用过程,对整个发射过程起着至关重要的作用[1-2]。因此,开展中心炸管式抛撒系统定容阶段的内弹道模拟仿真对中心炸管式子母弹抛撒系统的研究具有重要的意义。

本文研究的中心炸管结构如图1所示,中心炸管为柱形,传火管位于中心炸管的轴线处,传火管中无点火药,固定在中心炸管的底座上,管壁上开有大小相等的传火孔。在底座上装有一个点火具,点火具里装有点火药。中心管内装有抛撒药,整个中心管呈密闭状态。点火药被激发后产生的高温高压燃气通过点火具上的小孔进入到点传火管,再经过点传火管上的传火孔进入中心管并点燃抛撒药,抛撒药燃烧使得中心管内压力升高,达到中心炸管所能承受的最大压力后,中心炸管炸裂。

图1 中心炸管结构示意图

目前,这种结构形式的燃气生成装置(也称燃气发生器)广泛应用于无后坐火炮、高低压发射装置和各种形式的抛撒系统。对其点火传火、火药燃烧、燃气流动、能量释放等过程的研究成果已有很多。但大部分研究都建立在装有火药的点传火管上[3-4],而对无装药点传火管情况下的研究甚少。本文将在点传火管无装药的情况下对大长径比中心炸管系统的点火传火、火药燃烧和燃气流动过程进行建模与仿真。

鉴于中心炸管内的各参量随着时间和空间均发生急剧变化,已无法用经典内弹道理论模型准确描述管内的物理化学现象,本文采用两相流内弹道模型来描述燃烧室内的物理化学过程。

1 基本假设

对点传火管和中心管分别建立数学模型并进行仿真计算。由于点传火管内没有装药,只有从点火具喷出的高温高压燃气,且点传火管的长径比(L/D=97)较大,因此对点传火管建立一维纯气相数学模型;中心管内装有抛撒药,对中心管建立二维两相流数学模型。

基本假设参考文献[5],针对本文研究对象的特点,增加如下假设:①假设点火药在点火具内瞬间燃烧完成,在点火具内形成高温高压燃气;②假设点火具作用后仅有气体流入到点传火管内,不考虑侧向传火孔处径向流动的影响,认为是一维流动。

2 控制方程

点传火管中建立的是一维纯气相数学模型,控制方程的守恒形式为

(1)

式中:

中心管内建立的是二维轴对称两相流数学模型,控制方程的守恒形式为

(2)

式中:

3 数值方法

3.1 离散格式

本文采用CE/SE方法[6]求解上述数学方程。CE/SE方法是求解双曲型守恒律方程的一种新的数值方法,与传统的数值计算方法相比,具有精度高、计算格式简单及捕获激波等强间断能力强的独特优势[7]。

3.2 源项处理

3.3 初始条件与边界条件

3.3.1 初始条件

点传火管、中心管内部的初始压力均为0.1 MPa,两相流模型中气固相初始速度均为0,初始温度为室温T0,气相密度由ρg=[(RT0/p0)+α]-1确定,α为余容,初始空隙率由装填条件确定。

3.3.2 边界条件

对于点传火管内的一维流动,上下边界均为固壁边界,边界条件由镜面反射法确定。中心管内二维流动的固壁边界条件采用有滑移条件进行处理,边界条件同样由镜面反射法确定,并且满足速度沿外法线方向的分量为0。

4 计算结果与分析

4.1 试验结果与仿真结果

对上述方程采用CE/SE方法分别对点传火管和中心管编制一维纯气相和二维轴对称两相流内弹道计算程序,并进行了仿真计算。虽然点传火管和中心管编写的计算程序不同,但是通过它们之间的质量与能量交换将二者耦合在一起,可以达到同时计算的目的。

对大长径比中心炸管式抛撒定容阶段进行了试验研究,点火具内装有3 g黑火药作为点火药,中心管内装有110 g的3/1樟抛撒药,图2为燃气发生器远点火端位置(测压孔处)压力随时间变化的试验结果与仿真结果的对比曲线。

图2 中心管测压孔处p-t曲线对比图

从图2可以看出,仿真结果与试验结果符合较好,说明所用数值方法可行。对中心管的数值模拟是从点火具点火瞬间开始的,点传火管里没有装药,只有从点火具喷射出的高温高压火药燃气,再经传火孔流向燃烧室,作为点火源点燃燃烧室内的抛撒药。由于从点火具喷出的燃气在传火管里既要轴向流动又要从传火孔流向燃烧室,所以从传火孔流向燃烧室的能量较小,导致燃烧室里的火药被点燃延迟。试验的测试点在点火管的另一端,传火管过大的长径比使得从点火具喷射出的燃气传播到另一端所用的时间较长,所以从图2看出,前1.5 ms左右测试点位置的压力几乎没有变化。

抛撒药被点燃后燃烧室的压力开始逐渐上升。从传火孔流入燃烧室的能量较小,抛撒药被逐层点燃的速度减慢,燃气生成的速率也就降低。因此从图2可以看出,4.5 ms前燃烧室内压力上升较为缓慢。5 ms左右抛撒药全面燃烧,燃烧室内压力迅速增大直至中心管炸裂。

4.2 仿真结果分析

子弹向外抛出的动力来自于燃气发生器所释放的能量,燃气发生器能量释放的特性对子弹抛出的运动规律有着很大的影响,因此对该燃气发生器能量释放特性的研究有重要意义。

图3给出了中心管在不同时刻的压力分布图。图3(a)所示为点火能量刚进入中心管时的压力分布。点传火管与中心管之间没有任何膜片,点火能量很快就流入到了中心管,小孔位置因为有能量的流入使得中心管在该处压力高于其他地方,点火能量由近点火端向尾端依次进入到中心管内,因此在轴向上有明显的压力梯度。在整个过程中,传火管和中心管的压力都在逐渐上升。在初始时期,中心管内抛撒药还未完全燃烧前,压力上升缓慢,传火管部分压力高于中心管,会有能量从传火管流入到中心管,如图3(b)和图3(c)所示。在径向上除了小孔位置处压力稍大,其余各点无明显压力波动;在轴向上,由于长径比较大,压力波的传播较为明显,压力大小在中心管两端交替上升;当抛撒药完全燃烧后,中心管内压力迅速增大且远远大于传火管内压力,已无能量从点传火管流入中心管,因此径向上的压力较为平稳,如图3(d)所示。

图3 燃气发生器不同时刻压力分布图

图4和图5分别为初期和后期某时刻中心管内气、固两相的速度等值线图。根据图4,点火能量从传火管小孔传入中心管,随后逐层点燃主装药。传火管里没有装药,射流进入的点火能量较小,因此在径向上的气相速度不是很大,如图5(a)所示。轴向上,在压力梯度的作用下,气相迅速向管两端流动,如图4(b)所示。同时,燃烧室的主装药颗粒在气相的冲击作用下运动,由于中心管的内径太小,气相在径向和轴向上的速度又都不大,因此固相颗粒的速度在径向和轴向上都不明显,如图4(c)和图4(d)所示。如图5(a)、图5(b)所示,在后期径向上已无明显的气相速度;由于压力波在轴向上的传播,气相轴向速度虽大于径向速度,但相较于初期已明显减小。

图4 t=0.31 ms时燃气发生器内速度等值线图

图5 t=5.23 ms时燃气发生器内速度等值线图

由以上分析可知,传火管均匀一致的点火条件对抛撒药平稳燃烧非常重要。只有当传火管均匀释放能量,中心管才能获得平稳的点火源,火药燃烧过程才能更加可靠。

5 结论

本文根据点传火管和中心管的不同结构及作用特点,分别建立了点传火管内一维纯气相数学模型和燃烧室内二维轴对称两相流数学模型,并进行了数值仿真计算。通过对计算结果的分析可以得到以下结果:

①采用本文方法的数值仿真结果与试验结果符合较好,说明本文建立的数学模型及数值方法合理,可为中心炸管式抛撒系统内弹道设计及优化提供理论依据。

②点传火管的点传火性能对中心管内抛撒药燃烧过程具有很大影响,从点传火管流向中心管的能量作为点燃抛撒药的点火源,它的大小与速度直接影响着抛撒药被点燃的时间及火药燃烧的速度,从图2中可以看出,由于进入中心管的能量较少,抛撒药被点燃延迟,因此4.5 ms前压力上升较为缓慢。

③这种大长径比点传火管无装药的结构形式使点传火过程时间增长,若点传火过程时间过长,可能会导致抛撒药着火,燃烧出现异常,抛撒系统的性能将会不稳定,因此今后对该结构形式的中心炸管式抛撒内弹道还要做进一步研究。

[1] 郭锦炎,季晓松.中心爆管子母弹抛撒内弹道过程的数值模拟[J].弹道学报,2010,22(2):62-66. GUO Jin-yan,JI Xiao-song.Numerical simulation of interior ballistics for dispersing of cluster munition using centralizing blast tube[J].Journal of Ballistics,2010,22(2):62-66.(in Chinese)

[2] 徐文旭.子母弹抛撒内弹道建模及仿真[J].兵工学报,2006,27(5):797-801. XU Wen-xu.Modeling and simulation of interior trajectory for cluster munition dispersing[J].Acta Armamentarii,2006,27(5):797-801.(in Chinese)

[3] 王珊珊,王浩.带有中心点传火管的燃气发生器两相流数值模拟[J].兵工学报,2013,34(9):1 065-1 071. WANG Shan-shan,WANG Hao.Numerical simulation of two-phase flow of gas generator with central igniter tube[J].Acta Armamentarii,2013,34(9):1 065-1 071.(in Chinese)

[4] 黄明,王浩.传火管不同装药结构传火性能试验研究[J].弹道学报,2003,15(1):83-86. HUANG Ming,WANG Hao.The experimental study on the performance of ignition and flame spreading in iginter for different chargeconstructions[J].Journal of Ballistics,2003,15(1):83-86.(in Chinses)

[5] 袁亚雄,张小兵.高温高压多相流体动力学基础[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,2005. YUAN Ya-xiong,ZHANG Xiao-bing.Multiphase flow dynamics foundation on high temperature and high pressure[M].Harbin:Harbin Institute of Technology Press,2005.(in Chinese)

[6] CHANG S C.The method of space-time conservation element and solution element-a new approach for solving the Navier-Stokes and Euler equations[J].Journal of Physics,1995,119(1):295-324.

[7] 翁春生,王浩.计算内弹道学[M].北京:国防工业出版社,2006. WENG Chun-sheng,WANG Hao.Computational interior ballistics[M].Beijing:National Defense Industry Press,2006.(in Chinese)

Simulation of Two-phase Flow in the Constant Volume of Dispersal System Using Centralizing Blast-tube With Large Length-Diameter Ratio

GUO Meng-ting,TAO Ru-yi,LI Zi-jie

(School of Energy and Power Engineering,Nanjing University of Science and Technology,Nanjing 210094,China)

Aiming at the processes of ignition and powder burning of dispersal-system with central tube bursting-type in the constant volume,the theoretical model was developed,and it was calculated by simulation.The one-dimensional pure gas-phase model was used for the igniter tube with no powder and large length-diameter ratio.The two-dimensional two-phase model was used for the burning process of powder in the combustor.The coupling function of two tubes was established through energy exchange.The calculation program of interior ballistics was programmed by CE/SE method.The calculated results well accord with the test results,and the established model and method are right.The simulation results show that:the ignition process of the igniter tube with no powder and large length-diameter ratio is slow,but the ignition consistency is well.The ignition energy can evenly release to ensure the process of powder burning stably and reliably.

cluster munition;central tube bursting-type;two-phase flow;numerical calculation

2016-11-01

郭梦婷(1990- ),女,硕士研究生,研究方向为兵器发射理论与技术。E-mail:913299049@qq.com。

陶如意(1980- ),女,副研究员,研究方向为兵器发射理论与技术。E-mail:tao801801@163.com。

TJ413.3

A

1004-499X(2017)01-0068-05