基于流動與化學反應耦合的鎂/聚四氟乙烯煙火劑二維燃燒模型及數值計算

林長津,王浩,朱晨光(.南京理工大學能源與動力工程學院,江蘇南京0094;.南京理工大學化工學院,江蘇南京0094)

?

基于流動與化學反應耦合的鎂/聚四氟乙烯煙火劑二維燃燒模型及數值計算

林長津1,王浩1,朱晨光2
(1.南京理工大學能源與動力工程學院,江蘇南京210094;2.南京理工大學化工學院,江蘇南京210094)

摘要:針對鎂/聚四氟乙烯(MT)煙火劑燃燒過程中湍流對燃燒的影響關系,建立流動與化學反應相耦合的二維計算流體力學模型,模擬不同質量比MT煙火劑穩態燃燒過程,獲得了燃燒場溫度、組分分布特性,并將計算結果與文獻[10,16,18]值進行對比。對比結果表明:燃燒場溫度上升段大約20 mm,這與文獻[10]實驗值吻合較好,且溫升段距離與反應機理C2F4+ M?2CF2+ M區域位置相對應;當量質量比為33/67的MT火焰溫度最高,與熱力計算結果相一致,隨著質量比的增加,存在不完全反應;燃料Mg的消耗主要通過與CF2的氧化反應,Mg與F的反應過程不能忽略,且隨著質量比的增大,燃燒產物MgF的比例減少。

關鍵詞:兵器科學與技術;鎂/聚四氟乙烯煙火劑;湍流燃燒;耦合;數值模擬

Key words: ordnance science and technology; Mg-Teflon pyrolant; turbulence combustion; coupling; numerical simulation

0　引言

鎂/聚四氟乙烯(MT)基煙火劑作為一種高能材料,能夠產生高溫火焰和高溫固體顆粒,同時,它在紅外波段也具有高輻射能量,已在火箭發動機點火藥、紅外誘餌彈等方面得到廣泛應用[1-7]。通常,在MT基煙火劑中加入氟橡膠(Viton)以提高混合物的均勻性,并保護鎂顆粒在存儲過程中不被氧化,也即所謂MTV煙火劑。除了優越的性能輸出,它還具有良好的熱穩定性,及對大多數軍事煙火材料的兼容性[8]。

MT基煙火劑是由鎂、聚四氟乙烯微粒以及黏合劑氟橡膠通過機械混合壓制而成,其燃燒屬于多組分非均相離散顆粒群的耦合燃燒,與一般的含能材料相比,其燃燒機理更加復雜。國內外許多學者都曾對MT基煙火劑的燃燒特性進行了大量的實驗研究[1,9-13],包括動態特性、光譜特性、熱力性能和產物分析。但是,理論研究相對較少。Ladouceur 等[14]針對鎂和聚四氟乙烯的燃燒反應開展了動力學模型數值模擬研究,利用參與反應的化學組分、熱力學性質、動力學歷程以及速率常數等相關參數,采用完全預混反應的SANDLA編碼進行計算。Deyong 等[15]基于MT煙火劑的動力學模型,提出了18步反應機理。Christo等[16]對上述MT煙火劑反應動力學機理進行了敏感性研究,分析了影響燃燒產物和火焰溫度的主要因素,在組分均勻混合假設的基礎上,應用完全攪拌反應器(PSR)模型和預混模型模擬了MT煙火劑的燃燒過程。然而,在實際煙火劑氣相燃燒過程中,由于湍流的作用,各氣相組分是非均勻混合的,且與流體特性相關,忽略湍流對煙火劑燃燒過程的影響會造成較大誤差?；谝陨媳尘?本文建立了流動與化學反應相耦合的二維計算流體力學(CFD)模型,數值模擬了MT煙火劑的穩態燃燒過程,獲得了流場溫度和組分空間分布特性。該方法在煙火劑數值模擬中的應用,國內外研究報道相對較少,且研究結果對深入認識MT煙火劑的燃燒特性有一定的參考價值。

1　物理模型

根據Cudzilo等[17]提出的MT燃燒波結構,MT的多相燃燒分成:固相燃燒和氣相燃燒,如圖1所示。固相反應區包括聚四氟乙烯的熱分解和鎂金屬顆粒的反應;氣相反應區分為無氧區“a”和有氧區“b”,無氧區中,主要是均相反應。由實驗[8]可知,固相反應區消耗少量混合物(約7.4%),產生足夠熱量供給聚四氟乙烯的熱分解和鎂金屬的液化或蒸發,并為氣相區提供氣相反應組分。

圖1　MT煙火劑燃燒示意圖Fig.1 Combustion of MT pyrolant

針對以上MT煙火劑燃燒結構模型,提出以下基本假設:

1)假設MT的固相反應,僅產生氣相產物四氟乙烯(C2F4),同時釋放的熱量使鎂金屬氣化;

2)氣相反應機理采用Deyong等[15]提出的動力學理論,氣相反應速率遵循Arrhenius定律;

3)反應區氣相產物近似作為理想氣體處理,忽略火焰輻射對燃燒反應區的影響;

4)燃燒區氣體湍流模型采用Realizable k-ε模型。

2　數學模型

2.1控制方程

根據上述物理模型,建立二維定常流動燃燒基本控制方程,具體如下:

1)連續方程:

式中:ρ是氣體混合物密度;y為軸向;r為徑向;υy為軸向速度;υr為徑向速度。

2)動量方程:

式中:μ是粘性系數;Fy和Fr分別為軸向和徑向上的體積力;Δ·v表示速度矢量的散度。

3)能量方程:

式中:p為壓力;T為溫度;ρi為i組分的密度;cp為比熱容;φ為耗散功;Vi為i組分的擴散速度;Fi為i組分體積力;hi是i組分標準生成焓;wi是單位體積內i組分的化學反應速率。

4)組分輸運方程:

式中:Yi是i組分質量分數;Di為i組分擴散系數。

2.2湍流和燃燒模型

湍流模型選用Realizable k-ε方法,方程如下:

式中:C1= max;C2= 1.9;η= (2Eij· Eij)1/2,Eij=;σk和σε分別是湍動能k和耗散率ε的湍流普朗特數,σk= 1.0,σε= 1.2;Gk表示由于平均速度梯度引起的湍動能;μt是湍流粘性系數;E是總能量。

燃燒模型采用考慮18種詳細化學反應機理的動力學理論,如表1所示。

表1　MT煙火劑的反應動力學機理[15]Tab.1 Chemical kinetic mechanism of MT pyrolant

2.3網格劃分及初邊界條件

擬試樣藥柱尺寸為φ10 mm×20 mm,流場計算域為φ400 mm×800 mm,初始條件p0= 1 atm,T0= 300 K,采用結構網格,網格數為20 060,如圖2所示。試樣藥柱端面局部加密,最小體積10-6m3,作為氣相反應區的質量源項,從藥柱端面輸入氣相反應區,進口氣流速率為10 m/ s,溫度為1 366 K.

3　結果與討論

采用Fluent軟件,對鎂與聚四氟乙烯不同質量比(當量質量比為33/67,典型誘餌劑質量比為55/ 45,典型點火藥質量比為61/39)的MT煙火劑穩態燃燒過程進行了數值模擬。

3.1溫度場分布特性

3種不同質量比MT煙火劑燃燒溫度場云圖、徑向與軸向溫度分布分別如圖3～圖5所示。隨著質量比的增大,溫度場高溫區逐漸縮小。溫度場云圖呈射流狀,由y =0.05 m與y =0.5 m徑向溫度分布對比可知,近表面處徑向溫度梯度較大。軸向溫度經歷一段急劇升溫過程,在距離表面大約20 mm處達到最大值,這與Kubota[10]實驗測得值大致吻合(20～25 mm);當量質量比為33/67 MT火焰溫度最高,這與熱力計算結果[18]相一致;軸向溫度進入下降段,質量比越大,溫度值下降越快。主要原因:可能與鎂、C2F4未完全反應有關。由表2中3種質量比MT反應熱值,可以看出:當量質量比為33/67 時,平均質量單位時間反應熱達到2.53 W,而當質量比為61/39時,僅為0.45 W,說明混合物中存在未完全反應。

圖2　網格劃分圖Fig.2 Mesh generation

根據Christo等[16]對溫度敏感性分析可知,與溫度相關反應有:聚四氟乙烯的分解反應C2F4+ M?2CF2+ M,對溫度影響較大,另外一個是C的結合反應2C?C2.圖6所示為兩者反應速率云圖,由圖6可見:C2F4+ M?2CF2+ M的反應區域主要在燃燒表面上方20 mm內,這與圖3中溫度曲線溫升段距離相對應,進一步說明C2F4+ M?2CF2+ M是決定反應區溫度高低的主要因素。

圖3　3種不同質量比MT煙火劑燃燒溫度場云圖Fig.3 Temperature contours of MT pyrolants with different mixing ratios

3.2組分分布特性

當量質量比為33/67的MT煙火劑中Mg反應機理速率云圖、組分CF2和F質量分數軸向分布分別如圖7和圖8所示。由圖7和圖8可見:Mg反應區域主要在燃燒表面上方20 mm內,Mg與F反應速率較Mg與CF2反應速率快,且反應區域位置略高于后者,而組分CF2質量分數(主要由機理C2F4+ M?2CF2+ M)明顯高于F.可知:由于產生的組分F較少,Mg的消耗主要通過與CF2的氧化反應,這與Ladouceur等[14]的解釋相一致。

Mg的反應產物為MgF和MgF2,不同質量比MT產物組分MgF和MgF2的質量分數體積總量如表3所示。由表3可見:隨著質量比的增大,組分MgF和MgF2逐漸減少,MgF含量少于MgF2,但二者比值相差不大(＜10).因此,在Mg的消耗反應中, Mg + F?MgF反應機理不能忽略。兩者的比值隨著質量比的增大而增大,側面說明:隨著質量比的增大,組分MgF的生成量在減少。

圖4　徑向溫度分布圖Fig.4 Radial temperature profiles

圖5　軸向溫度分布圖Fig.5 Axial temperature profiles

表2　不同質量比MT反應熱Tab.2 The heat of reaction per unit time for MT pyrolants with different mixing ratios

圖6　影響溫度的兩個主要反應機理反應速率云圖Fig.6 Contours of reaction rates (Mechanism 1 and 15) having effects on temperature

表3　不同質量比MT中產物組分MgF和MgF2的質量分數體積總量Tab.3 The sum of mass fractions of MgF and MgF2in MT pyrolants with different mixing ratios

4　結論

本文建立了流動與化學反應相耦合的二維CFD模型,并對3種典型鎂與聚四氟乙烯質量比(33/67、55/45、61/39)MT煙火劑穩態燃燒過程進行了數值模擬。根據模擬結果,可得如下結論:

1) 3種不同質量比MT燃燒場溫度經歷急劇升溫過程,在距離表面大約20 mm處達到最大值,這與實驗測得值大致吻合(20～25 mm),且溫升段距離正好與反應機理C2F4+M?2CF2+M區域位置相對應。

2)當量質量比33/67 MT火焰溫度最高,這與熱力計算結果相一致,隨著質量比的增加,存在不完全反應。

圖7　Mg反應速率云圖Fig.7 Contours of reaction rate of Mg

圖8　組分CF2和F質量分數軸向分布圖Fig.8 Mass fractions of species CF2and F in axial direction

3) Mg的消耗主要通過與CF2的氧化反應,而Mg與F的反應過程不能忽略。Mg的反應產物為MgF2和MgF,隨著質量比的增大,組分MgF2和MgF逐漸減少,同時MgF的比例也在減少。

參考文獻(References)

[1]Peretz A.Investigation of pyrotechnic MTV compositions for rocket motor igniters [ J].Journal of Spacecraft and Rockets, 1984, 21(2):222-224.

[2]Goecmez A, Yilmaz G A, Pekel F.Development of MTV compositions as igniter for HTPB/ AP based composite propellants[ J].Propellants,Explosives,and Pyrotechnics, 1999, 24(2):65-69.

[3]Koch E C.Metal-fluorocarbon-pyrolantsⅢ: development and application of magnesium/ teflon/ viton (MTV)[J].Propellants,Explosives,and Pyrotechnic, 2002, 27(5):262-266.

[4]葛煒,曹東杰,郝宏旭.紅外制導技術在精確打擊武器中的應用[J].兵工學報,2010,31(2):117-121.GE Wei, CAO Dong-jie, HAO Hong-xu.Application of IR control and guidance technology in precise attack weapons[J].Acta Armamentarii, 2010, 31(2):117-121.(in Chinese)

[5]馮云松,李曉霞,路遠,等.矩形噴管外尾焰紅外輻射特性的數值計算[J].兵工學報, 2013, 34(4):437-442.FENG Yun-song, LI Xiao-xia, LU Yuan, et al.Numerical calculation of infrared radiation characteristics of the exhaust plume outside a rectangular nozzle[J].Acta Armamentarii, 2013, 34(4): 437-442.(in Chinese)

[6]柴世杰,李建勛,童中翔,等.空空導彈紅外導引頭建模與抗干擾仿真[J].兵工學報, 2014, 35(5):681-690.CHAI Shi-jie, LI Jian-xun, TONG Zhong-xiang, et al.Modeling of IR seeker for air-to-air missile and anti-interference simulation[J].Acta Armamentarii, 2014, 35(5):681-690.(in Chinese)

[7]蒲薇華,杜志明.紅外誘餌劑輻射光譜性能測試的一種新方法[J].兵工學報, 2003, 24(3):399-402.PU Wei-hua,DU Zhi-ming.A new method of testing for the radiation spectrum performance of infrared bait medicaments[J].Acta Armamentarii, 2003, 24(3):399-402.(in Chinese)

[8]Deyong L V, Smit K J.A theoretical study of the combustion of MTV pyrotechnic compositions, MRL-TR-91-25[R].Australia: DSTO, 1991.

[9]Kuwahara T, Matsuo S, Shinozaki N.Combustion and sensitivity characteristics of Mg/ TF pyrolants[J].Propellants, Explosives, and Pyrotechnics, 1997, 22(4):198-202.

[10]Kubota N.Combustion process of Mg/ TF pyrotechnics[J].Propellants, Explosives, and Pyrotechnics, 1987, 21(5):145-148.

[11]Kubota N, Serizawa C.Combustion of magnesium/ polytetrafluoroethylene[J].Journal of Propulsion and Power, 1987, 3(4): 303-307.

[12]Magalhaes L B, Alve F D P.Estimation of radiant intensity and average emissivity of magnesium/ teflon/ viton(MTV) flares[C]∥Infrared Imaging Systems: Design, Analysis, Modeling, and Testing XXI.Orladro, FL:SPIE,2010.

[13]Douda B E.Survey of military pyrotechnics[C]∥16th International Pyrotechnics Seminar.Jonkoping, Sweden:IPS, 1991:1-37.

[14]Ladouceur H D, Douglass C H, Shamamian V A, et al.Combustion chemistry in premixed C2F4-O2 flames[J].Combustion and Flame, 1995, 100(4):529-540.

[15]Deyong L V, Griffiths T T.The use of equilibrium and kinetic computer programs to study the combustion of MTV formulations [C]∥19th International Pyrotechnics Seminar.Karlsruhe, Germany:IPS, 1994:1-17.

[16]Christo F C.Thermochemistry and kinetics models for magnesium/ teflon/ viton pyrotechnic compositions, DSTO-TR-0938[R].Australia:DSTO, 1999.

[17]Cudzilo S, Trzincski W A.Studies of high-energy composites containing polytetrafluoroethylene[J].Archivum Combustionis, 2000, 20(3/4):59-71.

[18]Koch E C.Metal-fluorocarbon-pyrolants IV:thermochemical and combustion behaviour of magnesium/ teflon/ viton [ J].Propellants, Explosives, and Pyrotechnics, 2002, 27(6):340-351.

2D Combustion Model and Numerical Simulation of Mg-Teflon Pyrolant Based on Flow-chemistry Coupling

LIN Chang-jin1, WANG Hao1, ZHU Chen-guang2
(1.School of Energy and Power Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, Jiangsu, China; 2.School of Chemical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, Jiangsu, China)

Abstract:A two-dimensional computational fluid dynamics(CFD) model for flow-chemistry coupling is established to analyze the influence of turbulence on the combustion of Mg-teflon (MT) pyrolant.The steady combustion of MT pyrolants with different mixing ratios was simulated, and the combustion temperature and composition distribution characteristics were obtained.The calculated results are compared with the values in Refs.[10,16,18].The compared results show that the rising step of temperature in the combustion field is about 20mm, which agrees well with the experimental data in Ref.[10].The distance of temperature rising step is corresponding to the reaction region of C2F4+ M?2CF2+ M.The highest temperature of MT pyrolant with equivalent mixing ratio (33/67) is consistent with the thermodynamic calculated result.With the increase in mixing ratio, the incomplete reaction happens.Mg is mainly consumed through its oxidizing reaction with CF2.The reaction of Mg with F cannot be neglected.The percentage of combustion product MgF reduces with the increase in mixing ratio.

作者簡介:林長津(1989—),男,博士研究生。E-mail: lin_changjin2014@ yahoo.com;王浩(1961—),男,研究員,博士生導師。E-mail: wanghao@ mail.njust.edu.cn;朱晨光(1967—),男,教授,博士生導師。E-mail: zhuchen1967@ gmail.com

基金項目:國家自然科學基金項目(51076066)

收稿日期:2015-04-22

DOI:10.3969/ j.issn.1000-1093.2016.02.014

中圖分類號:TJ530.2

文獻標志碼:A

文章編號:1000-1093(2016)02-0287-06