消焰剂对大口径火炮炮口烟焰的影响

王丹宇,南风强,廖昕,肖忠良,堵平,王彬彬

(南京理工大学 化工学院,江苏 南京 210094)

0 引言

随着科技的发展,战争对火炮射程、威力的要求不断提高,火药配方及装药结构也变得越来越复杂,因此,在火炮射击过程中产生的炮口有害现象越来越复杂,且危害性极大,比如炮口烟焰极易暴露火炮发射位置,对战地伪装带来不利的后果。此外,射击时产生的超高压冲击波和有毒有害气体对附近的人员和武器设备造成严重损害。目前对炮口烟焰特征及影响的了解主要从大量的外场试验进行研究分析,这不仅造成了人力物力的浪费,同时也存在诸多的安全隐患。

随着仿真技术的发展,学者们建立不同的模型对炮口烟焰等有害现象进行模拟仿真。Zhuo 等和Kim 等采用了迎风法(AUSMPW +)建立了弹丸发射过程中不同速度不同压力下的数值分析模型。Seo 等采用可浸入边界法对炮口冲击波进行形成数值研究,并对炮口流场的演化进行了分析,结果表明,弹丸形状是噪声产生机理的主要参数。吴伟等基于无网格算法对枪口外二次焰进行模拟仿真,发现降低压力后可有效抑制炮口二次焰的生成。Aurell 等采用3 种不同配方的装药对M4 卡宾枪在半封闭环境中进行试验,发现加入钾盐后的发射药在枪口闪光明显降低且排放颗粒物的粒径缩小。Li 等采用内弹道模型针对不同发射频率及撞击强度对炮口冲击波的影响进行模拟仿真,发现冲击的频率及强度对弹丸的损伤效果有重要影响。学者们主要着眼于对炮口流场,包括炮口冲击波、射流的研究分析,很少对炮口烟焰进行模拟计算,尚无考虑消焰剂的化学反应模型研究,无法仿真大口径炮在射击过程中炮口烟焰给战场带来的危害。

本文在考虑化学反应的大口径火炮炮口流场仿真模型基础上,考虑加入消焰剂后,对化学反应模型进行优化,并对炮口外流场进行模拟仿真,分析在弹丸发射过程中,炮口二次焰及炮口烟的形成及发展状况。同时,基于压力隐式算子分割(PISO)算法,对大口径炮发射过程中的压力场及速度场进行隐式耦合计算,提高了计算的鲁棒性和计算精度。

1 某155 mm 火炮模型建立

1.1 模型假设

由于炮口流场是非定常、多相,并伴随着剧烈化学反应的复杂流场,因此,本文在建立模型的过程中做了如下的假设及简化:

1)当弹丸飞出炮口后,火药气体形成的射流呈轴对称分布,其中,对称轴为火炮身管的轴线;

2)在建立化学反应基元模型过程中,只考虑发射药成分中C、H、O、N 4 种主要元素;

3)将弹丸到达炮口的时刻作为模拟的初始条件(=0 ms),不考虑身管内多相流对初始流场的影响。

1.2 控制方程

当弹丸离开炮口后,高度欠膨胀的火药气体被迅速释放,形成了具有粘性的气流混合区,因此在计算过程中,需考虑黏性对火药燃气扩散的影响。故在Navier-Stokes 方程中引入湍流模型建立155 mm 炮口流场模型:

式中:为火药燃气的平均速度;为火药气体的密度;为湍流动能;、μ分别为火药燃气起始时刻和时刻的动力黏度;σ、σ、、为模型系数;f为自由剪切修正系数;为湍流耗散率;f为涡流拉伸修正系数;、为环境湍流值;S、S分别为湍流动能和湍流耗散率的平均应变张量的模;P、P为应变力张量。

1.3 加入消焰剂后的化学反应模型

某155 mm 火炮装药结构较为复杂,装药量较大,弹丸发射过程中,容易产生较为严重的炮口烟焰有害现象。炮口焰主要是指在弹丸飞射出去的后效期内,具有剩余能量的发射药燃气在炮口附近产生的可见光,其包含着大量的可燃组分,如CO、H等。炮口烟主要是因为由于反应产生的固体颗粒与空气形成的胶体体系。在实际射击过程中往往会在发射药中加入消焰剂。在本次模拟中加入1.5% KSO,来对炮口烟焰进行仿真。

对于某155 mm 口径的火炮,其采用发射药的主成分主要为硝基胍(CHNO)。因此在本次模拟中,考虑加入1.5% KSO的消焰剂后,采用的化学反应基元模型如表1 所示。

表1 化学反应模型中采用的基元反应Tab.1 Elementary reactions used in chemical reaction model

依据道尔顿分压定律,每一种气体组分的分压p均满足:

式中:ρ是组分的密度;R是组分的气体常数,M是组分的摩尔质量;是混合物的密度;是混合物的温度;是普适气体常数,=8.314 J/(mol·K)。

由于在火炮发射过程中,在身管内部始终保持高温、高压的环境,系统中火药气体的热力学性质和运输性质发生较大的变化,例如定压比热、定容比热等参数,不再是与温度和压力相关的线性函数,其更多地表现出非线性特征。故而组分的生成焓h和内能e的表示如(3)式和(4)式所示:

式中:W是组分的分子量;、、、、、是拟合系数,可以通过Chemkin 热力学数据库选定。

(5)式代入(3)式积分,得到生成焓h为

2 数值模拟及结果分析

2.1 计算条件设置

本文对某155 mm 火炮的炮口烟焰进行模拟仿真分析以弹丸将要离开炮口为计算的起始点,炮口外的大气环境作为计算的背景域,身管内气体由内弹道气动力数学模型计算得到,其分布压力和速度分别为

式中:为弹丸距离膛底的距离;p、v分别为火炮身管内处的压力和速度;为弹丸到炮口的压力,=8.5 ×10Pa;为身管长度;为弹丸到出炮口时的速度,=960 m/s;为系数,其值为0.18。根据Chimkin 热力学数据库对155 mm 火炮计算得到加入1.5%KSO作为消焰剂后的火药燃气组分进行计算,结果如表2 所示。

表2 发射药燃气组分的质量分数Tab.2 Mass fractions of propellant gas components

2.2 计算方法

某155 mm 火炮由于其结构及装药条件较为复杂,因此在发射过程中,会在炮口产生较大的压力场及速度场。它们对弹丸的飞行及炮口焰烟的形成与发展造成巨大的影响。因此在计算过程中要将这两种炮口流场的相互作用考虑起来。在本次模拟中采用了PISO 算法,即把压力与速度进行耦合。具体而言,PISO 算法是一个根据已知条件对压力进行预测假设,在假设基础上加上若干个校正步骤对压力进行修正。

2.2.1 预测步

2.2.2 进一步修正

修正后的速度场为

式中:d=A/a。

3 模拟结果分析

本次数值模拟从弹丸到达炮口开始作为计算的起始点,利用上面所建的模型对炮口流场进行模拟计算。炮口CO、C 的质量分数随时间变化情况的仿真结果如图1 和图2 所示。

图1 火药燃气中C 的质量分数随时间变化云图(上为有消焰剂,下为无消焰剂)Fig.1 Cloud chart of C mass fraction in propellant gas over time (upper:with flame inhibitor;below:without flame inhibitor)

从图1 和图2 可以看出,加入了1.5% KSO后,火药燃气中C 和CO 的质量分数比起没有加入KSO的发射药有明显的降低。这是因为在高温条件下,KSO发生了链解反应,K 自由基可以与火药燃气中的其他自由基发生链终止反应:

图2 火药燃气中CO 的质量分数时间变化云图(上为无消焰剂,下为有消焰剂)Fig.2 Cloud chart of CO mass fraction in propellant gas over time (upper:without flame inhibitors;below:with flame inhibitor)

这使得反应体系中,链起始反应生成的中间产物很快被K、KOH 捕捉、消耗,使得活性自由基的浓度大大降低,从而使得C 或CO 等可燃气体的生成反应中止,炮口二次焰或炮口烟得到抑制。

图3 和图4 是加入消焰剂对炮口温度与压力影响的对比情况。

图3 火炮炮口温度随时间变化云图(上为无消焰剂,下为有消焰剂)Fig.3 Cloud chart of gun muzzle temperature over time (upper:without flame inhibitors;below:with flame inhibitor)

图4 火炮炮口压力随时间变化的云图(上为无消焰剂,下为有消焰剂)Fig.4 Cloud chart of gun muzzle pressure over time (upper:without flame inhibitor;below:with flame inhibitor)

从图3 的仿真结果显示,加入消焰剂后,炮口外的最高温度由3 000 K 降为2 200 K,并且,随着时间的增加,温度逐渐降低,因而可以认为在加入消焰剂后,由于减少了活性自由基而导致化学反应中止,减少炮口焰尤其二次焰的产生。

从图4 可见,在加入消焰剂后,炮口外产生的马赫盘大小要略小于没有添加的情况,但是冲击波则略大。但是,总体而言,消焰剂对炮口冲击波的影响不大。

4 试验验证

在外场环境中对155 mm 大口径火炮加入1.5% KSO作为消焰剂后,在相同的炮口弹丸速度等装药条件下进行射击试验,并采用高速摄像机对整个射击过程进行拍照。图5 为试验图片与仿真云图的对比图。

图5 试验照片(下)与仿真云图(上)的对比图Fig.5 Comparison of test photos (below) and simulated charts (upper)

从图5 可以看出,试验图片与仿真云图虽有一定的差异,但二者的轮廓形状和尺度范围还是有一致性的。

同时,在高速摄影照片及仿真云图中绘制相应的网格,采用估算法对炮口外火焰的面积进行估算,具体如图6 所示。

图6 试验照片(下)与仿真云图(上)的面积估算Fig.6 The area estimation of test photos (below) and simulation drawings (upper)

图6 中每一个单元格的面积记为1,则炮口外火焰面积如表3 所示。

表3 高速摄像及仿真云图中炮口外火焰的相对面积Tab.3 Relative area of flame outside muzzle in high-speed photos and simulated charts

从表3 可以看出,照片及仿真云图的面积对比的误差不超过5%,说明本文所建立的模型是科学合理的。

5 结论

为了模拟加入消焰剂后对炮口烟焰的产生及发展的影响,本文建立某155 mm 火炮的计算模型,并采用PISO 算法对计算过程的速度及压力进行耦合计算。得到以下主要结论:

1)加入消焰剂后,火炮炮口C 和CO 的质量分数相较于没有加入消焰剂的情况相比,有明显的降低,出炮口后可燃气体的最高温度从3 000 K 降低至2 200 K,低于不加消焰剂的情况。从而说明加入消焰剂后,由于K、KOH 能够有效捕捉并消耗化学反应链中的自由基,有效抑制了炮口烟焰的形成。但是,有无添加消焰剂对炮口冲击波影响不大。

2)模拟仿真的图片同实际外场试验的照片进行对比后发现,二者的轮廓形状及尺寸具有一致性。同时,对炮口外火球的面积进行估算,发现误差不超过5%,从而说明所建立的模型是科学合理的,为研究大口径火炮产生的炮口烟焰等有害现象提供了模型基础。