双基药燃烧产物热物性参数计算分析

潘光浩,张领科,王 克,王戴思源

(南京理工大学 能源与动力工程学院,江苏 南京 210094)

19世纪70年代前,所有热武器的能源都是黑火药,但黑火药能量密度低,燃烧时产生大量烟雾,而且容易吸湿受潮。19世纪70年代末至80年代初出现了单基药和双基药,具有能量密度高,燃烧性能、力学性能和内弹道性能好,工艺性和经济性优良等优点。单基药广泛用作枪弹和中小口径炮弹的发射药,双基药一般用作大口径火炮和迫击炮的发射药。它们已成为重要的武器供能物质,在近现代战争中发挥关键作用。

在火炮发射过程中,火药燃烧产生的高温气体与身管内壁强制对流换热,壁面温度迅速升高。为准确得到整个过程中身管内壁面的温度,对流换热系数的求解是关键。对流换热系数与燃烧产物的动力黏度、导热系数和比定压热容有关。目前主要采用两种方法估算纯气体的热物性参数:一是完全经验法,即采用实验数据的拟合公式进行计算,但公式的使用范围不能超过用于拟合的实验数据的范围,而且对原始实验数据的精度和数量有要求;二是半经验半理论法,即用理论方法推导出公式型式,再根据实验数据确定公式中的常数。半经验半理论法有理论和实验数据的支撑,得到的公式更加符合实际且可靠,因此使用广泛。

对于混合气体生成物的热物性参数,则需要考虑其中的气体组分及含量。因此,本文主要讨论对于不同成分的双基药,在标准大气压下,不同温度对应的发射药燃烧混合气体生成物的热物性参数计算方法。

1 双基药燃烧机理

双基药主要由硝化棉和硝化甘油组成,两者的总含量占75%以上,其中硝化棉占50%以上。硝化棉和硝化甘油是双基药的基本能量组分。

对于双基药这类均质火药而言,在不考虑离解的情况下,其燃烧产物主要有CO、CO、HO(g)、H和N。因此双基药燃烧的通用方程式可写为

(1)

由于方程两边各元素物质的量应相等,可列出以下平衡式:

+=

(2)

2++=

(3)

2+2=

(4)

火药燃烧生成物也会发生水煤气反应,其平衡常数可写为

(5)

联立式(2)～式(5),得:

(6)

如表1所示,平衡常数取决于燃烧温度。计算时先假定一个燃烧温度,从水煤气平衡常数表中查出对应的,代入式(6)算出,再根据式(2)～式(4)求出、和。将求出的、、、代入式(5)求出,所得结果与最初假定燃烧温度后查表得到的差值小于0.1,否则需要重新计算。

表1 不同温度下水煤气平衡常数[1]

在确定平衡常数后,可求出双基药燃烧气体混合物各组分的含量,由此可以计算气体混合物的热物性参数。

2 基本成分的热物性计算方法

在求解对流换热系数时采用燃气和壁面的平均温度作为定性温度,该温度在实验数据范围内,因此可采用经验式求解火药燃气基本成分的热物性参数。

标准大气压下纯气体的动力黏度、导热系数、比定压热容可用以下多项式进行描述:

=0+1+2+3+4

(7)

式中:为第种热物性参数,为动力黏度;为导热系数;为比定压热容;0、1、2、3、4分别为第种热物性参数的多项式系数。

将文献[10-12]给出的标准大气压下不同温度对应的CO、CO、H、HO(g)和N数据进行多项式拟合,得到的热物性计算模型的参数如表2～表4所示。5种气体的拟合计算值与文献数据的对比结果如图1～图6所示。

表2 燃烧生成气体的动力黏度计算参数

表3 燃烧生成气体的导热系数计算参数

表4 燃烧生成气体的比定压热容计算参数

从图1～图6可以看出,不同气体的热物性参数模型计算结果与文献数据一致性好,说明数据拟合得到的计算模型可以较好地应用于标准大气压下纯气体热物性参数的求解。

图1 不同温度下CO2、CO的动力黏度

图2 不同温度下H2O(g)、H2、N2的动力黏度

图3 不同温度下CO2、CO的导热系数

图4 不同温度下H2O(g)、H2、N2的导热系数

图5 不同温度下CO2、CO的比定压热容

图6 不同温度下H2O(g)、H2、N2的比定压热容

3 混合气体的热物性计算方法

标准大气压下气体混合物的动力黏度、导热系数、比定压热容可用以下多项式进行描述:

m=m0+m1+m2+m3

(8)

式中:m为气体混合物的第种热物性参数,为动力黏度;为导热系数;为比定压热容;m0、m1、m2和m3分别为第种热物性参数的多项式系数。

3.1 动力黏度

标准大气压下气体混合物的动力黏度可用下式计算:

(9)

式中:1为标准大气压下纯组分气体的动力黏度;为混合物中组分气体的摩尔分数,为混合物中组分气体的相对分子质量,为混合物中气体种类。

3.2 导热系数

标准大气压下气体混合物的导热系数可用下式计算:

(10)

式中:2为标准大气压下纯组分气体的导热系数。

3.3 比定压热容

标准大气压下气体混合物的比定压热容可用下式计算:

(11)

式中:3为标准大气压下纯组分气体的比定压热容。

4 算例分析

表5给出了3种不同成分的双基药的组分含量,根据本文第一节介绍的双基药燃烧产物各组分含量的计算方法,可写出以下3个化学反应方程式:

CHON→2.14CO+22.76CO+
6.36HO+9.94H+4.75N

(12)

CHON→2.36CO+22.24CO+
6.64HO+9.26H+4.85N

(13)

CHON→2.56CO+21.64CO+
6.94HO+8.56H+4.95N

(14)

表5 双基药的组成含量 %

发射药中硝化棉在不同含氮量的情况下,3种热物性参数的计算结果与热物性拟合系数的参数见表6～表11,随温度的变化趋势见图7～图9。

表6 混合气体动力黏度计算结果

表7 燃烧生成混合气体的动力黏度拟合系数

表8 混合气体导热系数计算结果

表9 燃烧生成混合气体的导热系数数据

表10 混合气体比定压热容计算结果

表11 燃烧生成混合气体的比定压热容数据

图7 混合气体动力黏度随温度的变化

图8 混合气体导热系数随温度的变化

图9 混合气体比定压热容随温度的变化

由图7～图9可以看出,混合气体的动力黏度、导热系数和比定压热容均随着温度的升高而增大。以发射药1燃烧生成的混合气体热物性参数计算结果为参照,发射药2生成的混合气体的动力黏度与其差值在0.043%～0.334%范围内,发射药3生成的混合气体动力黏度与其差值在0.086%～0.7%范围内;发射药2生成的混合气体导热系数与其差值在1.596%～3.333%范围内,发射药3生成的混合气体导热系数与其差值在3.723%～5.128%范围内;发射药2生成的混合气体比定压热容与其差值在3.665%～3.883%范围内,发射药3生成的混合气体比定压热容与其差值在7.415%～7.859%范围内。发射药中硝化棉含氮量越高,混合气体的导热系数和比定压热容值都越小。但发射药中硝化棉含氮量对混合气体的动力黏度值影响较小,可忽略不计。

5 结论

本文通过拟合文献中给出的发射药燃烧生成气体数据,得到标准大气压下火药燃气各成分的动力黏度、导热系数、比定压热容计算模型。再根据双基药的基本成分确定火药化学反应方程式与各燃烧产物的物质的量,从而确定标准大气压下不同温度对应的双基药燃烧混合气体生成物的热物性参数计算公式。以3种不同硝化棉含氮量的双基药为例进行计算,结果表明:双基药中硝化棉的含氮量越高,燃烧混合气体生成物的导热系数和比定压热容值越小。但硝化棉含氮量的变化对混合气体的动力黏度值影响较小。