大長徑比中心炸管式拋撒定容階段兩相流模擬

郭夢婷,陶如意,李子杰

(南京理工大學 能源與動力工程學院,江蘇 南京 210094)

大長徑比中心炸管式拋撒定容階段兩相流模擬

郭夢婷,陶如意,李子杰

(南京理工大學 能源與動力工程學院,江蘇 南京 210094)

針對中心炸管式拋撒系統的定容階段點傳火、拋撒藥燃燒作用過程,建立了理論模型并對其進行了仿真計算。鑒于點傳火管里無裝藥且長徑比較大,建立了一維純氣相模型,針對燃燒室內拋撒藥燃燒過程,建立二維軸對稱兩相流模型,并通過能量交換將二者耦合。采用CE/SE方法編制了內彈道計算程序并進行了仿真計算,仿真計算結果與試驗結果基本一致,驗證了該文所建立的數學模型及相應的數值方法的正確性。仿真結果分析表明:無裝藥且長徑比大的點傳火管點傳火過程較慢,但點火一致性良好,能夠均勻釋放點火能量,保證燃燒室內火藥燃燒過程平穩可靠。

子母彈;中心炸管;兩相流;數值計算

中心炸管式拋撒是子母彈常用的拋撒方式之一,是依靠位于母彈中心的炸管(裝有高裝填密度火藥或炸藥)來提供拋撒動能推動子彈運動的一種拋撒方式。在定容燃燒階段伴隨著的復雜物理化學變化過程,包括點火藥燃燒、傳火管傳火、拋撒藥著火燃燒生成高溫高壓燃氣等作用過程,對整個發射過程起著至關重要的作用[1-2]。因此,開展中心炸管式拋撒系統定容階段的內彈道模擬仿真對中心炸管式子母彈拋撒系統的研究具有重要的意義。

本文研究的中心炸管結構如圖1所示,中心炸管為柱形,傳火管位于中心炸管的軸線處,傳火管中無點火藥,固定在中心炸管的底座上,管壁上開有大小相等的傳火孔。在底座上裝有一個點火具,點火具里裝有點火藥。中心管內裝有拋撒藥,整個中心管呈密閉狀態。點火藥被激發后產生的高溫高壓燃氣通過點火具上的小孔進入到點傳火管,再經過點傳火管上的傳火孔進入中心管并點燃拋撒藥,拋撒藥燃燒使得中心管內壓力升高,達到中心炸管所能承受的最大壓力后,中心炸管炸裂。

圖1 中心炸管結構示意圖

目前,這種結構形式的燃氣生成裝置(也稱燃氣發生器)廣泛應用于無后坐火炮、高低壓發射裝置和各種形式的拋撒系統。對其點火傳火、火藥燃燒、燃氣流動、能量釋放等過程的研究成果已有很多。但大部分研究都建立在裝有火藥的點傳火管上[3-4],而對無裝藥點傳火管情況下的研究甚少。本文將在點傳火管無裝藥的情況下對大長徑比中心炸管系統的點火傳火、火藥燃燒和燃氣流動過程進行建模與仿真。

鑒于中心炸管內的各參量隨著時間和空間均發生急劇變化,已無法用經典內彈道理論模型準確描述管內的物理化學現象,本文采用兩相流內彈道模型來描述燃燒室內的物理化學過程。

1 基本假設

對點傳火管和中心管分別建立數學模型并進行仿真計算。由于點傳火管內沒有裝藥,只有從點火具噴出的高溫高壓燃氣,且點傳火管的長徑比(L/D=97)較大,因此對點傳火管建立一維純氣相數學模型;中心管內裝有拋撒藥,對中心管建立二維兩相流數學模型。

基本假設參考文獻[5],針對本文研究對象的特點,增加如下假設:①假設點火藥在點火具內瞬間燃燒完成,在點火具內形成高溫高壓燃氣;②假設點火具作用后僅有氣體流入到點傳火管內,不考慮側向傳火孔處徑向流動的影響,認為是一維流動。

2 控制方程

點傳火管中建立的是一維純氣相數學模型,控制方程的守恒形式為

(1)

式中:

中心管內建立的是二維軸對稱兩相流數學模型,控制方程的守恒形式為

(2)

式中:

3 數值方法

3.1 離散格式

本文采用CE/SE方法[6]求解上述數學方程。CE/SE方法是求解雙曲型守恒律方程的一種新的數值方法,與傳統的數值計算方法相比,具有精度高、計算格式簡單及捕獲激波等強間斷能力強的獨特優勢[7]。

3.2 源項處理

3.3 初始條件與邊界條件

3.3.1 初始條件

點傳火管、中心管內部的初始壓力均為0.1 MPa,兩相流模型中氣固相初始速度均為0,初始溫度為室溫T0,氣相密度由ρg=[(RT0/p0)+α]-1確定,α為余容,初始空隙率由裝填條件確定。

3.3.2 邊界條件

對于點傳火管內的一維流動,上下邊界均為固壁邊界,邊界條件由鏡面反射法確定。中心管內二維流動的固壁邊界條件采用有滑移條件進行處理,邊界條件同樣由鏡面反射法確定,并且滿足速度沿外法線方向的分量為0。

4 計算結果與分析

4.1 試驗結果與仿真結果

對上述方程采用CE/SE方法分別對點傳火管和中心管編制一維純氣相和二維軸對稱兩相流內彈道計算程序,并進行了仿真計算。雖然點傳火管和中心管編寫的計算程序不同,但是通過它們之間的質量與能量交換將二者耦合在一起,可以達到同時計算的目的。

對大長徑比中心炸管式拋撒定容階段進行了試驗研究,點火具內裝有3 g黑火藥作為點火藥,中心管內裝有110 g的3/1樟拋撒藥,圖2為燃氣發生器遠點火端位置(測壓孔處)壓力隨時間變化的試驗結果與仿真結果的對比曲線。

圖2 中心管測壓孔處p-t曲線對比圖

從圖2可以看出,仿真結果與試驗結果符合較好,說明所用數值方法可行。對中心管的數值模擬是從點火具點火瞬間開始的,點傳火管里沒有裝藥,只有從點火具噴射出的高溫高壓火藥燃氣,再經傳火孔流向燃燒室,作為點火源點燃燃燒室內的拋撒藥。由于從點火具噴出的燃氣在傳火管里既要軸向流動又要從傳火孔流向燃燒室,所以從傳火孔流向燃燒室的能量較小,導致燃燒室里的火藥被點燃延遲。試驗的測試點在點火管的另一端,傳火管過大的長徑比使得從點火具噴射出的燃氣傳播到另一端所用的時間較長,所以從圖2看出,前1.5 ms左右測試點位置的壓力幾乎沒有變化。

拋撒藥被點燃后燃燒室的壓力開始逐漸上升。從傳火孔流入燃燒室的能量較小,拋撒藥被逐層點燃的速度減慢,燃氣生成的速率也就降低。因此從圖2可以看出,4.5 ms前燃燒室內壓力上升較為緩慢。5 ms左右拋撒藥全面燃燒,燃燒室內壓力迅速增大直至中心管炸裂。

4.2 仿真結果分析

子彈向外拋出的動力來自于燃氣發生器所釋放的能量,燃氣發生器能量釋放的特性對子彈拋出的運動規律有著很大的影響,因此對該燃氣發生器能量釋放特性的研究有重要意義。

圖3給出了中心管在不同時刻的壓力分布圖。圖3(a)所示為點火能量剛進入中心管時的壓力分布。點傳火管與中心管之間沒有任何膜片,點火能量很快就流入到了中心管,小孔位置因為有能量的流入使得中心管在該處壓力高于其他地方,點火能量由近點火端向尾端依次進入到中心管內,因此在軸向上有明顯的壓力梯度。在整個過程中,傳火管和中心管的壓力都在逐漸上升。在初始時期,中心管內拋撒藥還未完全燃燒前,壓力上升緩慢,傳火管部分壓力高于中心管,會有能量從傳火管流入到中心管,如圖3(b)和圖3(c)所示。在徑向上除了小孔位置處壓力稍大,其余各點無明顯壓力波動;在軸向上,由于長徑比較大,壓力波的傳播較為明顯,壓力大小在中心管兩端交替上升;當拋撒藥完全燃燒后,中心管內壓力迅速增大且遠遠大于傳火管內壓力,已無能量從點傳火管流入中心管,因此徑向上的壓力較為平穩,如圖3(d)所示。

圖3 燃氣發生器不同時刻壓力分布圖

圖4和圖5分別為初期和后期某時刻中心管內氣、固兩相的速度等值線圖。根據圖4,點火能量從傳火管小孔傳入中心管,隨后逐層點燃主裝藥。傳火管里沒有裝藥,射流進入的點火能量較小,因此在徑向上的氣相速度不是很大,如圖5(a)所示。軸向上,在壓力梯度的作用下,氣相迅速向管兩端流動,如圖4(b)所示。同時,燃燒室的主裝藥顆粒在氣相的沖擊作用下運動,由于中心管的內徑太小,氣相在徑向和軸向上的速度又都不大,因此固相顆粒的速度在徑向和軸向上都不明顯,如圖4(c)和圖4(d)所示。如圖5(a)、圖5(b)所示,在后期徑向上已無明顯的氣相速度;由于壓力波在軸向上的傳播,氣相軸向速度雖大于徑向速度,但相較于初期已明顯減小。

圖4 t=0.31 ms時燃氣發生器內速度等值線圖

圖5 t=5.23 ms時燃氣發生器內速度等值線圖

由以上分析可知,傳火管均勻一致的點火條件對拋撒藥平穩燃燒非常重要。只有當傳火管均勻釋放能量,中心管才能獲得平穩的點火源,火藥燃燒過程才能更加可靠。

5 結論

本文根據點傳火管和中心管的不同結構及作用特點,分別建立了點傳火管內一維純氣相數學模型和燃燒室內二維軸對稱兩相流數學模型,并進行了數值仿真計算。通過對計算結果的分析可以得到以下結果:

①采用本文方法的數值仿真結果與試驗結果符合較好,說明本文建立的數學模型及數值方法合理,可為中心炸管式拋撒系統內彈道設計及優化提供理論依據。

②點傳火管的點傳火性能對中心管內拋撒藥燃燒過程具有很大影響,從點傳火管流向中心管的能量作為點燃拋撒藥的點火源,它的大小與速度直接影響著拋撒藥被點燃的時間及火藥燃燒的速度,從圖2中可以看出,由于進入中心管的能量較少,拋撒藥被點燃延遲,因此4.5 ms前壓力上升較為緩慢。

③這種大長徑比點傳火管無裝藥的結構形式使點傳火過程時間增長,若點傳火過程時間過長,可能會導致拋撒藥著火,燃燒出現異常,拋撒系統的性能將會不穩定,因此今后對該結構形式的中心炸管式拋撒內彈道還要做進一步研究。

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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

郭夢婷(1990- ),女,碩士研究生,研究方向為兵器發射理論與技術。E-mail:913299049@qq.com。

陶如意(1980- ),女,副研究員,研究方向為兵器發射理論與技術。E-mail:tao801801@163.com。

TJ413.3

A

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