燃燒輕氣炮多級漸擴型燃燒室流場特性數值研究*

鄧 飛,張相炎,劉 寧

(南京理工大學機械工程學院,江蘇 南京210094)

燃燒輕氣炮多級漸擴型燃燒室流場特性數值研究*

鄧 飛,張相炎,劉 寧

(南京理工大學機械工程學院,江蘇 南京210094)

為了分析多級漸擴型燃燒室結構對燃燒輕氣炮氫氧燃燒特性的影響,通過計算流體力學方法,分別對采用傳統圓柱型燃燒室和多級漸擴型燃燒室的燃燒輕氣炮氫氧燃燒發射過程進行數值模擬。對比結果表明,多級漸擴型燃燒室結構能夠明顯地減小燃燒室壓力波動幅度,提高氫氧燃燒穩定性;多級漸擴型燃燒室內形成回流區,可以減小氣流軸向運動速度;火焰擴展形態與漸擴型結構相吻合,燃燒反應區表面變化平穩;多級漸擴型燃燒室結構對氫氧火焰傳播過程和壓力波動現象有著重要影響。

爆炸力學;壓力波動;火焰擴展;多級漸擴型燃燒室;燃燒輕氣炮

燃燒輕氣炮(combustion light gas gun,CLGG)是一種利用低分子量可燃氣體燃燒產生的高溫、高壓 氣 體 推 動 彈 丸 運 動 的 新 型 發 射 系 統[1]。D.Kruczynski等[2]進 行 的 45 mm 口 徑 燃 燒 輕 氣 炮 實 驗 ,燃料氣體初始裝填壓力通常在30 MPa以上,點火燃燒后高壓高溫氣體膨脹推動彈丸運動,在燃燒室內會產生巨大的壓力波動。Liu Ning等[3]采用 氫氧層流燃燒 速 度 擬 合 公 式數 值 模 擬 了 燃 燒輕 氣 炮 氫氧 氣體燃燒過程,提出通過合理控制氫氧氣體的裝填條件,能夠對氫氧預混燃燒過程進行穩定控制。針對整裝式液體發射藥火炮液體燃料的 燃 燒 不 穩 定,膛 內 易 發 生 壓 力 波 動 和 膛 炸 等 問 題,R.Talley 等[4]提 出采用多級漸擴型藥室結構來控制液體燃 料 的 燃 燒穩定性。J.Despirito[5]則采 用 CFD 方法 對 多 級漸 擴型藥室結構和圓筒結構的整裝式液體發射藥火 炮 內 彈 道 過 程 進 行 數 值 計 算 研 究 。 薛 曉 春 等[6-7]在 5 級漸擴型觀察室內開展了雙束燃氣射流在液體藥模擬工質中擴展的實驗研究和數值模擬,觀察了雙股燃氣射流在充液室中的擴展過程,討論了漸擴型結構對 Taylor空腔與 Kelvin-Helmholtz不穩定性效應正反饋機制的抑制作用。莽姍姍等[8]在4級漸擴型圓柱觀察室中測量了高壓燃氣射流在液體模擬工質中擴展速度等特征,對比研究了內壁形狀對射流擴展過程的影響。

針對燃燒輕氣炮氫氧氣體燃燒穩定性問題,本文中提出在燃燒輕氣炮中采用多級漸擴型燃燒室結構,基于計算流體力學方法在CFX軟件中模擬計算分析多級漸擴型燃燒室氫氧燃燒流動與穩定特性。結果表明,采用多級漸擴型燃燒室結構能夠減小燃燒輕氣炮氫氧氣體燃燒壓力波動現象。同時分析了多級漸擴型燃燒室氣流運動速度、火焰擴展的變化規律,為下一步實驗研究提供依據。

1 多級漸擴型燃燒室物理模型

燃燒輕氣炮多級漸擴型燃燒室結構如圖1所示,輕質可燃發射藥氣體分別通過燃燒室底端的輸送管注入燃燒室,軸線上的點火管可沿軸線多點同時點火,點火過程通過在點火點輸入點火能量代替。并根據燃燒輕氣炮裝填條件和混合氣體點火燃燒特點,提出如下假設:(1)發射藥氣體在點火前已經完全混合,點火后混合氣 體 進 行預混燃燒;(2)采用 一 步 化 學 反 應 式,不 考 慮 中 間 產 物;(3)膛 內 氣 體 滿 足Peng-Robinson實際氣體狀態方程;(4)不考慮高溫已燃氣體與固體壁面之間的熱力學過程;(5)發射過程中燃燒室無氣體泄露。

圖1 燃燒輕氣炮多級漸擴型燃燒室結構Fig.1 Multistage divergent chamber structure of combustion light gas gun

2 數學模型

2.1 氣體控制方程

燃燒輕氣炮氫氧混合氣體燃燒過程為三維非定常可壓縮黏性湍流反應流,控制體內的氣體組分都滿足質量守恒方程、動量守恒方程、能量守恒方程以及組分輸運方程[9]:

式 中 :ρ為 流 體 密 度 ,t為 時 間 ,u為 速 度 矢 量 ,p為 壓 強 ,xi、xj、xk為 坐 標 分 量 ,Si、Sj、Sk分 別 為 守 恒 方程 的 源 項 ,μeff為 有 效 黏 性 系 數 。

2.2 湍流模型

燃燒室氣 體湍流 流動控 制方程 采用 RNG k-ε雙方程 模型[10],該 模 型 在 標 準 的k-ε雙 方 程 模 型 上 進行了改進,其中湍動能k和湍動能耗散率ε控制方程如下所示:2

式 中 :Gk為 湍 動 能k的 產 生 項 ,μeff為 有 效 黏 性 系 數為 分 子 黏 性 系 數 ,為 湍 動黏 度 ,其 中Cμ為 計 算 常 數;;各 常 數 取 值

3 結果討論與對比分析

在 CFX軟件中采用 EDM 渦耗散燃燒模型對文獻[1]中的45 mm 燃燒輕氣炮實驗進行數值模擬計算,初始條件根據實驗數據獲得,燃燒室為傳統圓柱型結構,容積為5 L,彈丸質量為0.52 kg,發射藥氣體由氫氣、氧氣和氦氣組成,物質的量的比為2∶1∶2,身管長為100倍口徑,當彈底壓力達到172 MPa時彈丸開始向前運動。整個模擬計算從點火燃燒開始,直到彈丸飛離炮口,采用沿軸線5點同時點火方式,同時在燃燒室相應位置依次設置壓力記錄點。圖2所示為壓力記錄點3的數值計算壓力曲線與實驗結果的對比圖。圖中可以看出,數值計算壓力曲線與實驗結果能夠在較大程度上相吻合,并且比較準確地計算出了最大壓力值。在前期0.5~1.5 ms內,數值計算的壓力上升速度稍大于實驗值。彈丸炮口初速實驗值為1 700 m/s,數值模擬結果為1 762 m/s,說明該模型能夠較好的模擬出燃燒輕氣炮氫氧燃燒內彈道過程,具有一定的合理性和適用性。

圖2 彈底壓力數值模擬與實驗結果對比圖Fig.2 Comparison of the projectile base pressure between simulation and experiment

3.1 多級漸擴型燃燒室結構對壓力波動的影響

3.1.1 單點點火時對壓力波動的影響為了分析多級漸擴型燃燒室結構對壓力波動的影響,采用膛底單點點火方式對燃燒輕氣炮氫氧燃燒過程進行模擬計算。計算所用的燃燒室為圖1所示的四級漸擴型結構,燃燒室共有4個漸擴室,3個漸擴臺階,各漸擴室的長度相同,各級的直徑以等差數列依次遞增,總容積為5 L。發射藥裝填參數與45 mm燃燒輕氣炮實驗數據保持一致。

圖3(a)為單點點火時多級漸擴型與傳統圓柱型燃燒室中膛底壓力p1的對比曲線。當彈丸開始運動后,傳統圓柱型燃燒室膛底壓力直線上升至350 MPa,形成第1個壓力峰值,之后在3.4 ms時出現第2個壓力峰值;而在多級漸擴型燃燒室內,燃燒室膛底壓力在彈丸啟動后出現第1個壓力峰值,約為310 MPa,比傳統圓柱型結構小,之后按照一定的規律上下波動,波動幅度隨著彈丸向前運動逐漸減小,燃燒室的壓力波動維持在一定的幅度和頻率之內。圖3(b)所示為彈底壓力pb對比曲線,由圖中可知彈丸底部的壓力波動現象更嚴重,傳統圓柱型燃燒室的第1個壓力波動峰值達到了430 MPa,第2個峰值達到了575 MPa,彈底壓力波動幅度極大,嚴重影響了燃燒輕氣炮的內彈道性能;而在多級漸擴型燃燒室內,彈底最大壓力峰值僅為350 MPa,明顯低于傳統圓柱形燃燒室。這說明多級漸擴型燃燒室結構能夠有效控制燃燒輕氣炮燃燒室壓力波動幅度和波動規律,有效地減小彈底壓力波動現象,提高燃燒室氫氧燃燒穩定性。

圖3 單點點火時燃燒室結構對膛底壓力和彈底壓力的影響Fig.3 Influences of chamber structure on chamber bottom and projectile base pressures with single-point ignition

3.1.2 多點點火時對壓力波動的影響

為了進一步分析多級漸擴型燃燒室的壓力波動特性,將單點點火改為沿軸線五點同時點火,研究多級漸擴型結構在多點點火時燃燒室壓力波動特性。圖4(a)為采用五點點火時2個不同燃燒室結構膛底壓力p1變化曲線。

當采用軸線5點點火方式后,由于整個燃燒室內溫度、組分質量分數、壓力分布較為均勻等原因,燃燒室內壓力波動現象明顯減弱。從圖4(a)可以看出,在傳統圓柱型燃燒室內,多點點火方式消除了單點點火時的2個壓力峰值,燃燒室內壓力變化平緩;在多級漸擴型燃燒室內依然出現了呈一定變化規律的小幅度壓力波動,波動幅度保持在較小的范圍之內,最大僅約為40 MPa。圖4(b)所示為彈底壓力pb隨時間變化曲線,在傳統圓柱型燃燒室,盡管膛底壓力p1變化比較平穩,但是在彈丸底部依然出現2個明顯的壓力波動,在2.3 ms出現的壓力波動峰值達到了370 MPa;多級漸擴型燃燒室的彈丸底部壓力上升平緩,變化穩定,沒有出現明顯的壓力波動現象,壓力曲線較為理想。

圖4 多點點火時燃燒室結構對膛底壓力和彈底壓力的影響Fig.4 Influences of chamber structure on chamber bottom and projectile base pressures with multi-point ignition

通過以上分析可以得知,采用多級漸擴型燃燒室結構在單點點火時可以使燃燒輕氣炮燃燒室壓力在較小幅度內按照一定的規律上下波動,且波動幅度隨膛壓下降而逐步減小;采用軸線五點點火時燃燒室內壓力波動幅度減小,氫氧燃燒穩定性提高,尤其是多級漸擴型燃燒室彈底壓力波動現象明顯減弱,壓力變化平穩。

3.2 多級漸擴型燃燒室流場特性分析

3.2.1 多級漸擴型燃燒室流場流動特性

為進一步分析多級漸擴型燃燒室結構影響氫氧燃燒壓力波動現象的機理,對四級漸擴型燃燒室氣流軸向速度及其徑向分布規律、漸擴臺階面和近壁區域氣體流動特性等進行分析。圖5為單點點火方式時四級漸擴型燃燒室在壓力波動較明顯時燃燒室yz平面流場速度矢量和流線局部分布圖。燃燒室壓力波動從彈丸底部向膛底傳播,在第4級漸擴(右)臺階處形成明顯的湍流渦漩。在第3級漸擴室(左)近壁區域內形成柱形回流區,可以看出燃燒室內混合氣體湍流運動比傳統圓柱形燃燒室結構復雜。

圖5 t=3.36 ms時4級 漸 擴 型 燃 燒 室 流 場 速 度 矢 量 和 流 線 分 布 圖Fig.5 Velocity vector and streamline distribution of four-stage divergent chamber flow field at t=3.36 ms

當彈丸沿身管向前運動時,在彈底會形成膨脹波(稀疏波)擾動,膨脹波形成后開始向燃燒室底端運動,到達底端端面發生反射,開始向彈丸底部傳播,在彈底又發生反射,形成壓力波動現象。圖5所示的壓力波經彈底反射后向燃燒室底端傳播,由于漸擴臺階的作用,在漸擴臺階近壁處形成回流區,并在第4級漸擴室臺階處形成湍流渦漩。同時第4級漸擴室的湍流渦漩區的氣流分成2個部分,一部分沿流線向左端燃燒室底端運動,另一部分則向氣體密度、壓力因彈丸運動而減小的彈底區域流動填充,降低燃燒室內軸向壓力梯度,減小膛底、彈底的壓力波動幅度。處于燃燒室中部的第2、3級漸擴室近壁區域出現柱形回流區,氣體流動速度減小,同時由于底端端蓋的封閉作用,氣流在第1級漸擴室內形成湍流渦漩區。可以看出,多級漸擴型燃燒室結構通過在燃燒室內形成復雜的回流區和湍流渦漩,減小氣流軸向速度和軸向壓力梯度,對氫氧燃燒壓力波動現象有著重要影響。

3.2.2不同燃燒室結構流場軸向速度分析

考慮到不同燃燒室結構對燃燒室氣流軸向運動速度及其徑向分布的影響,在軸向距離z=0.25 m處在y正方向上沿徑向設置3個氣流軸向速度記錄點。圖6為采用單點點火時2個不同燃燒室內3個記錄點的軸向速度vz隨時間變化曲線(負值表示氣流向左端膛底運動)。

圖6(a)所示為多級漸擴型燃燒室3個記錄點的軸向速度曲線。y為記錄點與軸線的徑向垂直距離,中心軸 線處(y=0.0 mm)的軸 向速度 在膛底 形成第 1個壓 力 波 動 時 數 值 最 大,約 為 500 m/s,此 時燃燒室氣流由彈底向膛底運動。隨著徑向距離y的增大,各點的速度依次減小,壁面處的軸向速度僅為110 m/s,徑向速度梯度較大。可以看出,回流區對向膛底運動的氣流起著阻礙作用,近壁區域(y= 57.5 mm)的速度vz明顯小于軸線位置的速度;同時,由于多級漸擴燃燒室結構的影響,當氣流由膛底向彈底運動時 ,中心軸 線和壁 面處的 速度維 持在110 m/s以下,漸擴臺階拐點處(y=47.5 mm)的最 大速度約為370 m/s,燃燒室氣流的軸向速度減小,彈底壓力波動現象減弱。圖6(b)所示為傳統圓柱型燃燒室3個記錄點軸向速度隨時間變化曲線。在2.4 ms時,燃燒室軸線處(y=0.0 mm)氣流軸向 速 度達到最大值為約740 m/s,徑向中點(y=27.75 mm)處約為550 m/s,近壁區域(y=47.5 mm)的速 度最小,為220 m/s,圓柱型燃燒室內氣流最大軸向速度明顯大于多級漸擴型燃燒室。當燃燒室氣體由膛底向彈底運動時,壁面處的軸向速度達到了450 m/s,之后速度緩慢下降,在0.5 ms的時間內氣流以約310 m/s的速度持續向彈底運動,在3 ms時彈底形成了圖3(b)中所示的575 MPa極高壓力波動峰值。

圖6 不同燃燒室結構內3個記錄點的軸向速度隨時間變化曲線Fig.6 Velocity curve of the three probe points in different chamber structures

通過上述分析可以看出,多級漸擴型燃燒室氣流向膛底運動時,漸擴臺階面減小了近壁區域的氣流運動速度,形成較大的柱形回流區;當氣流由膛底向彈底運動時,由于各級漸擴室體積的變化,燃燒室氣流軸向運動速度水平降低,尤其是中心軸線區域;多級漸擴型燃燒室結構能夠減小燃燒室氣流軸向速度水平,減小壓力波動幅度。

3.2.3多級漸擴型燃燒室火焰擴展過程分析

為了分析多級漸擴型燃燒室結構對氫氧氣體燃燒過程火焰擴散發展的影響,對采用單點點火的四級漸擴型燃燒室氫氧燃燒火焰擴散傳播過程進行分析。圖7為四級漸擴型燃燒室膛底點火位置的火焰擴散發展時序圖。

在0.9 ms時,火焰沿徑向擴散至壁面,充滿邊界壁面和臺階面死角向第 2級漸擴室傳播。1.1 ms時,火焰表面緊貼漸擴室壁面向前擴散,反應區變化平緩。在1.25 ms時,第2級漸擴室已經完全被火焰反應區覆蓋,不存在未燃區域。火焰向膛底擴散的速度較為緩慢,在1.65 ms時,膛底依然存在小區域的未燃區,這主要是由于膛底氣流流動緩慢,湍流摻混過程不強烈,同時,火焰在充滿第2級漸擴室后繼續向第3級漸擴室擴散,徑向擴散速度較快,火焰表面形狀與燃燒室結構壁面相吻合向前傳播。由此得知,多級漸擴型燃燒室結構能夠使火焰在向前擴展的同時快速充滿整個邊界,不形成反應死角,已燃火焰區發展平穩,火焰表面形狀隨機性減少,氫氧燃燒穩定性提高。

圖7 四級漸擴型燃燒室火焰擴展時序圖Fig.7 Flame distribution of four-stage divergent chamber at different times

4 結 論

通過計算流體力學方法在CFX軟件中數值模擬了采用不同燃燒室結構的燃燒輕氣炮氫氧燃燒過程,著重分析了多級漸擴型燃燒室結構對膛內壓力波動現象的影響,討論了多級漸擴型燃燒室流場氣流運動與火焰擴展傳播的特點,結論如下:

(1)與傳統圓柱型燃燒室相比,采用多級漸擴型燃燒室結構能夠明顯地減小燃燒室壓力波動現象,提高氫氧燃燒穩定性;當采用多點點火方式時,多級漸擴型燃燒室內出現幅度很小且有規律的壓力波動,但其對內彈道性能的影響很小;

(2)多級漸擴型燃燒室在漸擴臺階和近壁區會形成回流區和渦漩區,減小燃燒室氣流軸向運動速度和壓力波動;

(3)多級漸擴型燃燒室對氫氧燃燒火焰擴展過程有著重要影響。火焰向前傳播至漸擴臺階后,其徑向擴展速度增大,火焰擴展形態與多級漸擴型燃燒室結構相吻合,已燃反應區火焰表面變化平穩。

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Simulation on the flow characteristics of multi-stage divergent combustion chamber of combustion light gas gun

Deng Fei,Zhang Xiang-yan,Liu Ning
(School of Mechanical Engineering,Nan Jing University of Science and Technology, Nanjing 210094,Jiangsu,China)

In order to analyze influences of multistage divergent chamber structure of combustion light gas gun on the combustion characteristics of hydrogen-oxygen mixed gas,the propellant combustion launching process in the multistage divergent chamber and standard cylinder chamber combustion light gas gun was simulated with the computational fluid dynamics method respectively.Comparative results show that the pressure fluctuations in the chamber of combustion light gas gun are significantly reduced by using the multistage divergent combustion chamber structure,while the stability of hydrogen-oxygen mixed gas combustion is improved.Recirculation zones would be formed in the multistage divergent chamber,which can reduce the flow axial velocity.The flame shape and the divergent chamber structure coincide with each other during its expanding.The surface of combustion zones develops steady.The multistage divergent combustion chamber structure has considerable impact on the flame expansion process and pressure fluctuations in the combustion chamber.

mechanics of explosion;pressure oscillation;flame expansion;multi-stage divergent chamber;combustion light gas gun

O381;TJ302國標學科代碼:13035

:A

10.11883/1001-1455-(2015)03-0409-07

(責任編輯 王易難)

2013-09-24;

2013-12-23

鄧 飛(1988— ),男,博士研 究生,artillery1009@163.com。