消焰劑對大口徑火炮炮口煙焰的影響

王丹宇,南風強,廖昕,肖忠良,堵平,王彬彬

(南京理工大學 化工學院,江蘇 南京 210094)

0 引言

隨著科技的發展,戰爭對火炮射程、威力的要求不斷提高,火藥配方及裝藥結構也變得越來越復雜,因此,在火炮射擊過程中產生的炮口有害現象越來越復雜,且危害性極大,比如炮口煙焰極易暴露火炮發射位置,對戰地偽裝帶來不利的后果。此外,射擊時產生的超高壓沖擊波和有毒有害氣體對附近的人員和武器設備造成嚴重損害。目前對炮口煙焰特征及影響的了解主要從大量的外場試驗進行研究分析,這不僅造成了人力物力的浪費,同時也存在諸多的安全隱患。

隨著仿真技術的發展,學者們建立不同的模型對炮口煙焰等有害現象進行模擬仿真。Zhuo 等和Kim 等采用了迎風法(AUSMPW +)建立了彈丸發射過程中不同速度不同壓力下的數值分析模型。Seo 等采用可浸入邊界法對炮口沖擊波進行形成數值研究,并對炮口流場的演化進行了分析,結果表明,彈丸形狀是噪聲產生機理的主要參數。吳偉等基于無網格算法對槍口外二次焰進行模擬仿真,發現降低壓力后可有效抑制炮口二次焰的生成。Aurell 等采用3 種不同配方的裝藥對M4 卡賓槍在半封閉環境中進行試驗,發現加入鉀鹽后的發射藥在槍口閃光明顯降低且排放顆粒物的粒徑縮小。Li 等采用內彈道模型針對不同發射頻率及撞擊強度對炮口沖擊波的影響進行模擬仿真,發現沖擊的頻率及強度對彈丸的損傷效果有重要影響。學者們主要著眼于對炮口流場,包括炮口沖擊波、射流的研究分析,很少對炮口煙焰進行模擬計算,尚無考慮消焰劑的化學反應模型研究,無法仿真大口徑炮在射擊過程中炮口煙焰給戰場帶來的危害。

本文在考慮化學反應的大口徑火炮炮口流場仿真模型基礎上,考慮加入消焰劑后,對化學反應模型進行優化,并對炮口外流場進行模擬仿真,分析在彈丸發射過程中,炮口二次焰及炮口煙的形成及發展狀況。同時,基于壓力隱式算子分割(PISO)算法,對大口徑炮發射過程中的壓力場及速度場進行隱式耦合計算,提高了計算的魯棒性和計算精度。

1 某155 mm 火炮模型建立

1.1 模型假設

由于炮口流場是非定常、多相,并伴隨著劇烈化學反應的復雜流場,因此,本文在建立模型的過程中做了如下的假設及簡化:

1)當彈丸飛出炮口后,火藥氣體形成的射流呈軸對稱分布,其中,對稱軸為火炮身管的軸線;

2)在建立化學反應基元模型過程中,只考慮發射藥成分中C、H、O、N 4 種主要元素;

3)將彈丸到達炮口的時刻作為模擬的初始條件(=0 ms),不考慮身管內多相流對初始流場的影響。

1.2 控制方程

當彈丸離開炮口后,高度欠膨脹的火藥氣體被迅速釋放,形成了具有粘性的氣流混合區,因此在計算過程中,需考慮黏性對火藥燃氣擴散的影響。故在Navier-Stokes 方程中引入湍流模型建立155 mm 炮口流場模型:

式中:為火藥燃氣的平均速度;為火藥氣體的密度;為湍流動能;、μ分別為火藥燃氣起始時刻和時刻的動力黏度;σ、σ、、為模型系數;f為自由剪切修正系數;為湍流耗散率;f為渦流拉伸修正系數;、為環境湍流值;S、S分別為湍流動能和湍流耗散率的平均應變張量的模;P、P為應變力張量。

1.3 加入消焰劑后的化學反應模型

某155 mm 火炮裝藥結構較為復雜,裝藥量較大,彈丸發射過程中,容易產生較為嚴重的炮口煙焰有害現象。炮口焰主要是指在彈丸飛射出去的后效期內,具有剩余能量的發射藥燃氣在炮口附近產生的可見光,其包含著大量的可燃組分,如CO、H等。炮口煙主要是因為由于反應產生的固體顆粒與空氣形成的膠體體系。在實際射擊過程中往往會在發射藥中加入消焰劑。在本次模擬中加入1.5% KSO,來對炮口煙焰進行仿真。

對于某155 mm 口徑的火炮,其采用發射藥的主成分主要為硝基胍(CHNO)。因此在本次模擬中,考慮加入1.5% KSO的消焰劑后,采用的化學反應基元模型如表1 所示。

表1 化學反應模型中采用的基元反應Tab.1 Elementary reactions used in chemical reaction model

依據道爾頓分壓定律,每一種氣體組分的分壓p均滿足:

式中:ρ是組分的密度;R是組分的氣體常數,M是組分的摩爾質量;是混合物的密度;是混合物的溫度;是普適氣體常數,=8.314 J/(mol·K)。

由于在火炮發射過程中,在身管內部始終保持高溫、高壓的環境,系統中火藥氣體的熱力學性質和運輸性質發生較大的變化,例如定壓比熱、定容比熱等參數,不再是與溫度和壓力相關的線性函數,其更多地表現出非線性特征。故而組分的生成焓h和內能e的表示如(3)式和(4)式所示:

式中:W是組分的分子量;、、、、、是擬合系數,可以通過Chemkin 熱力學數據庫選定。

(5)式代入(3)式積分,得到生成焓h為

2 數值模擬及結果分析

2.1 計算條件設置

本文對某155 mm 火炮的炮口煙焰進行模擬仿真分析以彈丸將要離開炮口為計算的起始點,炮口外的大氣環境作為計算的背景域,身管內氣體由內彈道氣動力數學模型計算得到,其分布壓力和速度分別為

式中:為彈丸距離膛底的距離;p、v分別為火炮身管內處的壓力和速度;為彈丸到炮口的壓力,=8.5 ×10Pa;為身管長度;為彈丸到出炮口時的速度,=960 m/s;為系數,其值為0.18。根據Chimkin 熱力學數據庫對155 mm 火炮計算得到加入1.5%KSO作為消焰劑后的火藥燃氣組分進行計算,結果如表2 所示。

表2 發射藥燃氣組分的質量分數Tab.2 Mass fractions of propellant gas components

2.2 計算方法

某155 mm 火炮由于其結構及裝藥條件較為復雜,因此在發射過程中,會在炮口產生較大的壓力場及速度場。它們對彈丸的飛行及炮口焰煙的形成與發展造成巨大的影響。因此在計算過程中要將這兩種炮口流場的相互作用考慮起來。在本次模擬中采用了PISO 算法,即把壓力與速度進行耦合。具體而言,PISO 算法是一個根據已知條件對壓力進行預測假設,在假設基礎上加上若干個校正步驟對壓力進行修正。

2.2.1 預測步

2.2.2 進一步修正

修正后的速度場為

式中:d=A/a。

3 模擬結果分析

本次數值模擬從彈丸到達炮口開始作為計算的起始點,利用上面所建的模型對炮口流場進行模擬計算。炮口CO、C 的質量分數隨時間變化情況的仿真結果如圖1 和圖2 所示。

圖1 火藥燃氣中C 的質量分數隨時間變化云圖(上為有消焰劑,下為無消焰劑)Fig.1 Cloud chart of C mass fraction in propellant gas over time (upper:with flame inhibitor;below:without flame inhibitor)

從圖1 和圖2 可以看出,加入了1.5% KSO后,火藥燃氣中C 和CO 的質量分數比起沒有加入KSO的發射藥有明顯的降低。這是因為在高溫條件下,KSO發生了鏈解反應,K 自由基可以與火藥燃氣中的其他自由基發生鏈終止反應:

圖2 火藥燃氣中CO 的質量分數時間變化云圖(上為無消焰劑,下為有消焰劑)Fig.2 Cloud chart of CO mass fraction in propellant gas over time (upper:without flame inhibitors;below:with flame inhibitor)

這使得反應體系中,鏈起始反應生成的中間產物很快被K、KOH 捕捉、消耗,使得活性自由基的濃度大大降低,從而使得C 或CO 等可燃氣體的生成反應中止,炮口二次焰或炮口煙得到抑制。

圖3 和圖4 是加入消焰劑對炮口溫度與壓力影響的對比情況。

圖3 火炮炮口溫度隨時間變化云圖(上為無消焰劑,下為有消焰劑)Fig.3 Cloud chart of gun muzzle temperature over time (upper:without flame inhibitors;below:with flame inhibitor)

圖4 火炮炮口壓力隨時間變化的云圖(上為無消焰劑,下為有消焰劑)Fig.4 Cloud chart of gun muzzle pressure over time (upper:without flame inhibitor;below:with flame inhibitor)

從圖3 的仿真結果顯示,加入消焰劑后,炮口外的最高溫度由3 000 K 降為2 200 K,并且,隨著時間的增加,溫度逐漸降低,因而可以認為在加入消焰劑后,由于減少了活性自由基而導致化學反應中止,減少炮口焰尤其二次焰的產生。

從圖4 可見,在加入消焰劑后,炮口外產生的馬赫盤大小要略小于沒有添加的情況,但是沖擊波則略大。但是,總體而言,消焰劑對炮口沖擊波的影響不大。

4 試驗驗證

在外場環境中對155 mm 大口徑火炮加入1.5% KSO作為消焰劑后,在相同的炮口彈丸速度等裝藥條件下進行射擊試驗,并采用高速攝像機對整個射擊過程進行拍照。圖5 為試驗圖片與仿真云圖的對比圖。

圖5 試驗照片(下)與仿真云圖(上)的對比圖Fig.5 Comparison of test photos (below) and simulated charts (upper)

從圖5 可以看出,試驗圖片與仿真云圖雖有一定的差異,但二者的輪廓形狀和尺度范圍還是有一致性的。

同時,在高速攝影照片及仿真云圖中繪制相應的網格,采用估算法對炮口外火焰的面積進行估算,具體如圖6 所示。

圖6 試驗照片(下)與仿真云圖(上)的面積估算Fig.6 The area estimation of test photos (below) and simulation drawings (upper)

圖6 中每一個單元格的面積記為1,則炮口外火焰面積如表3 所示。

表3 高速攝像及仿真云圖中炮口外火焰的相對面積Tab.3 Relative area of flame outside muzzle in high-speed photos and simulated charts

從表3 可以看出,照片及仿真云圖的面積對比的誤差不超過5%,說明本文所建立的模型是科學合理的。

5 結論

為了模擬加入消焰劑后對炮口煙焰的產生及發展的影響,本文建立某155 mm 火炮的計算模型,并采用PISO 算法對計算過程的速度及壓力進行耦合計算。得到以下主要結論:

1)加入消焰劑后,火炮炮口C 和CO 的質量分數相較于沒有加入消焰劑的情況相比,有明顯的降低,出炮口后可燃氣體的最高溫度從3 000 K 降低至2 200 K,低于不加消焰劑的情況。從而說明加入消焰劑后,由于K、KOH 能夠有效捕捉并消耗化學反應鏈中的自由基,有效抑制了炮口煙焰的形成。但是,有無添加消焰劑對炮口沖擊波影響不大。

2)模擬仿真的圖片同實際外場試驗的照片進行對比后發現,二者的輪廓形狀及尺寸具有一致性。同時,對炮口外火球的面積進行估算,發現誤差不超過5%,從而說明所建立的模型是科學合理的,為研究大口徑火炮產生的炮口煙焰等有害現象提供了模型基礎。