不同升温速率下AP/HTPB底排装置慢速烤燃的数值模拟

为研究在不同升温速率下高氯酸铵(ammonium perchlorate, AP)/端羟基聚丁二烯(tydroxyl-terminated polybutadiene, HTPB)底排装置的慢速烤燃特性,建立AP/HTPB底排推进剂二维轴对称非稳态传热模型和两步化学动力学反应模型。在不同升温速率下,分析底排装置的慢速烤燃响应特性。计算结果表明:在慢速烤燃的条件下,烤燃响应点发生在底排药柱与空气腔的接触面左侧,升温速率对底排药柱的着火延迟时间和烤燃响应点位置有较大影响。随着升温速率的提高,着火延迟时间变短,烤燃响应点向中心侧移动。升温速率对烤燃响应点的着火温度影响较小。     

钝体射流火焰及其点火过程的大涡模拟

钝体燃烧器广泛应用于航空发动机、燃气轮机、锅炉等设备的燃烧室中.对其点火过程的了解和控制直接关系到设备的安全运行和污染物排放等重要问题.我们采用基于火焰面/过程变量燃烧模型的大涡模拟方法对湍流非预混钝体射流火焰及其点火过程进行了详细的数值模拟.以Sydney钝体燃烧器的无反应射流和有反应甲烷/氢气(CH_4/H_2)火焰为研究对象,首先通过统计平均的数值结果与实验测量及文献数据的对比,全面检验了所用数值方法和燃烧模型;随后,详细展示了钝体燃烧器点火和火焰发展的瞬态过程;最后,对钝体射流的点火过程进行了细致的分析和表征.根据温度峰值、羟基(OH)质量分数和甲醛(CH_2O)质量分数峰值随时间的变化表征了强制点火过程的4个阶段:点火源衰减、点火触发、点火核生成和点火成功.其中,点火核驻留的空间位置位于钝体燃烧器冷态流场外侧涡的尾部回流区域附近.     

不同点火方式下HMX基PBX炸药反应演化过程的特征分析

在长管强约束条件下对HMX基PBX炸药点火实验进行了数值模拟,分析了点火方式对炸药反应演化规律的影响,获得了弱冲击点火条件下炸药反应演化过程的特征图像。针对黑火药和雷管2种点火方式,分别构建了PBX炸药黑火药点燃和冲击起爆2类实验的唯象模型和数值模拟方法,通过数值模拟获得了钢管内炸药柱反应演化进程的特征图像,柱壳膨胀历程与实验结果符合较好。研究表明,不同点火方式下炸药反应演化进程存在较大差异。如果使用雷管点火,PBX炸药会在几微秒内发生爆轰反应;而使用黑火药点火,PBX炸药会在数毫秒内从缓慢燃烧转化为剧烈爆炸,但随着壳体破裂解体,管内压力骤降,抑制了反应演化向爆轰转变。黑火药点燃条件下整个反应演化过程可以分为4个主要阶段,其中管壁附近炸药柱表面燃烧传播优先于炸药柱中心基体反应,是弱冲击点火反应演化过程的重要特征之一。     

等离子体点火密闭爆发器中火药燃速特性的研究

等离子体与火药的作用规律是影响电热化学发射中能量利用效率的关键因素。研制了采用等离子体点火的密闭爆发器实验系统,对单基药在等离子体作用下的燃烧特性进行了研究。结果表明:等离子体点火可以显著缩短火药的点火延滞时间;实现有效点火的电能的最低阈值低于0.05kJ/g;输入电能可以显著增加火药的燃速。等离子体对所用单基药燃速的增强效果仅体现在电脉冲注入期间,但是随着电能输入的增加,逐渐显示出等离子体注入期后火药燃速增强的趋势。     

大长径比点火管高密实火药床点传火过程两相流的数值模拟

设计了某中心点火管,完成了该点火管的点传火实验,针对该点火管长径比大、装填密度高的特点,建立了点火管内气固两相流动和燃烧过程的一维两相流模型,并进行了数值模拟。计算结果与实验结果良好符合,说明计算模型能够准确描述点火管内的实际物理化学过程,计算程序参数取值合理,该计算程序可为此类点火管各种结构尺寸及装填条件下的点传火性能分析及优化计算提供充分的理论依据和方法。并且,根据计算结果初步分析了该结构及装填条件下点火管的点传火性能,为下阶段工程优化设计提供参考     

长药室装药中多点点传火一维两相流数值模拟

针对药室长度超过3m的长药室装药设计问题,设计了以电点火具为点火源的多点点火系统,在点传火模拟实验装置上进行了多点点火的实验研究.同时,建立了点传火模拟实验装置中多点点传火过程的数学物理模型,采用MacCormack差分格式进行了数值求解,得到了点传火模拟装置中传火管的压力分布、固相和气相速度以及空隙率等数值解,分析了...     

不同升温速率下复合药柱烤燃实验与数值模拟研究

为了研究不同升温速率下复合炸药JO-9159/JB-9014烤燃实验的热反应规律,建立了复合炸药的烤燃模型,利用有限元程序LS-DYNA3D对不同结构的复合药柱在烤燃过程中的热响应情况进行了数值模拟,并利用实验进行了验证,结果显示模拟结果可信。利用已建立的模型对5 K/h、3 K/min和10 K/min等3种不同升温速率下复合药柱烤燃过程进行了数值模拟,结果表明:升温速率和装药结构的不同对复合药柱的点火时间和位置有较大影响,随着升温速率的增大,点火时间变短,点火位置由药柱的中心处逐渐移至药柱的两端边缘,升温速率较小时,复合药柱的热安定性取决于内部高能炸药的特性,升温速率较大时,复合药柱的热安定性与单一钝感药柱性能近似。因此,只有在较大的升温速率下,钝感炸药内部嵌入高能炸药才能既提高整体药柱的威力,又保证其具有较好的热安定性。     

炮口二次燃烧的正激波点火模型

本文提出了考虑炮口激波结构中的正激波强度、化学动力学和湍流射流混合的预测炮口二次燃烧点火的模型,得到了与实验相一致的结果。     

快速热点火熔奥梯铝炸药燃烧转爆轰实验研究

以熔铸型含铝混合炸药熔奥梯铝为对象,研究铸装含铝混合炸药快速热点火后的燃烧转爆轰特性。建立了快速热点火燃烧转爆轰实验平台,由实验装置(加热装置、约束钢管、炸药)、压力测试系统、光纤测速系统组成;加热装置加热15 mm厚45钢钢板,峰值温度大于1 100℃,温升速率为85～95℃/s。开展了快速热点火带壳熔奥梯铝炸药燃烧转爆轰实验,由加热装置加热约束钢管内熔奥梯铝炸药,炸药化学反应阵面压力和传播速度分别由压电性高压压力传感器和光纤探针测定;实测阵面压力约1 GPa,传播速度最大约2 600 m/s。由光纤数据获得炸药化学反应阵面传播轨迹,通过特征线方法获得冲击形成点,半定量给出冲击形成距离大于850 mm;并比较了管体破片质量实测值与炸药完全爆轰时破片平均质量计算值,实测值远小于计算值。综合实测化学反应阵面传播速度和压力、冲击形成距离分析、破片质量比较,可确定熔奥梯铝炸药没有发生完全爆轰,其化学反应状态为爆燃。另外,采用Adams和Pack模型、CJ燃烧模型,都能够半定量的预估冲击形成距离和燃烧波后压力,为实验设计提供依据,但CJ燃烧模型的计算结果更接近于实测值。     

Fluent环境中近壁面微空泡溃灭的仿真计算

基于FLUENT软件环境,采用VOF模型和非稳态方法求解Navier-Stokes方程,模拟了近壁面的空泡溃灭过程,同时计算了空泡溃灭处与壁面的距离对射流强度的影响.结果表明：在近壁面,空泡将形成非对称溃灭,因水锤作用,引发高速水射流在壁面产生高压而形成空蚀破坏;基于FLUENT环境的计算结果与已有的实验和计算结果相符,为研究空泡溃灭和空蚀机制提供了类比的数值计算方法.     

基于光学诊断的某新型含铝推进剂燃烧特性分析

为探究某新型含铝固体推进剂燃烧特性和规律,在模拟固体发动机的高压条件下,采用可调功率激光器结合高速摄影、发射光谱等光学诊断技术对该新型含铝固体推进剂开展了系统的点火及燃烧过程研究。通过对该推进剂的点火延迟、退移速率、燃烧温度以及团聚物颗粒尺寸的定量测量和分析,明确了该推进剂的点火延迟量级;证实此推进剂的退移速率严格遵循Summerfield燃速公式;判断出其最高燃烧温度高于3 300 K,且随压力增大而升高;通过对燃烧过程中发光凝聚相产物面积的量化分析得出推进剂产物中团聚物粒径尺寸受环境参数的影响规律。     

Two-phase flows in gun barrel: Theoretical and experimental studies

In the paper theoretical and numerical model of two-phase flow of solid granular propellant and its products of combustion in the gun barrel during interior ballistic cycle is given. Two cases are considered: base ignition of propellant charge and ignition by igniter. The theoretical model includes the balance equations of mass, momentum and energy for both phases, as well as necessary constitutive laws. The igniter efflux in the propellant chamber is obtained by incorporation in the model the two-phase flow model of igniter function. The convergent, unconditionally stable, numerical procedure is formed to solve the system of equations of the theoretical model. An original procedure of numerical grid adaptation to the flow field increase, caused by the projectile motion down the gun bore, is developed. The TWOPIB code for the computation of whole interior ballistic cycle of ammunition is developed. Four kinds of experimental investigations were carried out:igniter function in open air, flamespreading through propellant charge in the fibreglass tube during base ignition or during ignition by igniter, and firing of 100 mm APFSDS projectile. Verification of the theoretical–numerical approach by the comparison with experimental data is carried out. The great number of computational results is presented for the parameters that can not be measured, but which are necessary for more complete understanding of examined processes. The presented theoretical–numerical access enables, not only the complete optimisation of propellant charges, but more successful solutions of many interior ballistic problems.     

Numerical modeling of the processes within the combustion chamber of a solid propellant rocket engine during the stabilization of the design operation mode

Comprehensive numerical modeling of the processes occurring in the combustion chamber of a solid propellant rocket engine during the stabilization of the design operation mode is performed. The self-consistent problem considered includes nonstationary operation of an ignition device, warmup and ignition of a solid propellant charge followed by its nonstationary burning, nonstationary threephase homogeneous-heterogeneous flow of the combustion products in the combustion chamber, in the nozzle, and behind the engine nozzle unit, engine depressurization, and nozzle unit plug blowing-out. The results of the calculations are presented.     

含能液滴间相互作用对着火、燃烧过程的影响

在控制再生式液体发射药火炮燃烧稳定性的背景下，采用挂滴装置和高速摄影系统开展了 ＨＡＮ基液体发射药 ＬＰ１８４６液滴组内部相互作用对着火、燃烧过程影响的研究。观测了液满间相互作用对它们所经历的四个特征过程的影响。定量测试液滴组平均着火延迟期、着火温度等特性参数与环境温度和液滴中心间距的关系。实验发现:在一定条件下，液滴组将出现聚并现象。最后．建立了一个工程简化模型，理论计算与实验数据吻合较好。这个工作对控制燃烧稳定性和抑制压力振荡有一定的指导意义。     

主控提前点火对复合推进剂慢速烤燃响应的影响

为研究主控点火对复合推进剂慢速烤燃响应特性的影响,设计并开展了典型复合推进剂装药慢速烤燃实验,结合数值计算和推进剂热分解失重及形貌演化过程,探讨了点火前推进剂内的温度分布情况及推进剂细观结构热损伤规律。研究发现:针对复合推进剂装药的慢速烤燃,在推进剂发生自热点火前温度较低时进行主控点火可以有效降低反应剧烈程度;随着加热温度的升高,推进剂中部分组分发生分解,导致推进剂内部温度高于壳体温度,同时推进剂中粘结剂及AP的分解会导致推进剂装药形成多孔状的结构,在点火后更易导致对流燃烧,加剧反应烈度;当壳体温度仅138 ℃时,推进剂温度最高点达到150 ℃,最高点首先出现在靠近喷管的尾部,考虑到粘结剂及AP部分分解导致的孔隙结构会加剧反应的响应烈度,主控点火温度应设定在138 ℃以下。     

二次燃烧对底排装置尾部流场影响的数值模拟

为研究二次燃烧对底排尾部流场的影响,建立了底排装置尾部流场的化学非平衡流数学物理模型。其中二次燃烧模型采用10组分25步反应的H₂-CO燃烧模型,运用统一算法的思路编程求解二维轴对称方程组。数值模拟结果与实验结果较吻合。在此基础上,对尾部流场以及燃烧特性进行了数值预测, 结果表明:二次燃烧所释放的热能远大于排气本身的热能,对增压减阻的贡献可达78%。二次燃烧改变了尾部的温度分布规律,使温度峰值分布在两个回流区内。排气沿着两回流区间的狭缝流入剪切层发生燃烧。一部分混气回流入底部附近,其中氧气不充足,存在大量CO和少量H₂未直接反应。一部分混气沿着剪切层流入下游以及主回流区内,氧含量逐渐增多,H₂和CO被反应殆尽。结果可为进一步研究底排增压减阻提供参考。     

固体发射药等离子体点火过程及弹道效应分析

总结了常规火炮点火的现状,分析了固体药电热化学炮（ＳＰＥＴＣ）点火的潜在优势,并对等离子体点火过程中存在的燃速增强机理进行了讨论。作为等离子体点火的弹道效应分析,利用电热增强固体药内弹道、等离子体发生器、脉冲功率源三者的耦合编码,计算了不同点火功率、不同毛细管径对ＳＰＥＴＣ炮弹道性能的影响。     

Nonstationary burning of propellants with variable surface temperature

The author examines nonstationary processes (combustion at varying pressure, quenching, and ignition) for a model propellant whose burning rate u and surface temperature t₁ depend on pressure p and initial temperature T₀. All the processes in the surface reaction zone and the gas phase are assumed inertialess. It is shown that a theory of nonstationary combustion for such a model can be constructed by analogy with the Zel'dovich theory [1, 2], in which the surface temperature of the powder is assumed fixed. The variation of burning rate with time has been investigated for small sudden pressure changes. It is shown how a sufficiently large and steep pressure drop may cause quenching of the propellant. The process of propellant ignition is subjected to a qualitative analysis.The author thanks O. I. Leipunskii, A. G. Istratov, V. B. Librovich, and A. D. Margolin for their comments and advice.     

Projectile dynamics at low barrel pressures

A mathematical model for a projectile shot at low pressures in the space behind the projectile space is developed. The pressure rise is limited because of the nonsimultaneity of propellant ignition and combustion and the discharge of the propellant combustion products through the gap between the projectile and the walls of the gun barrel. The kinetic characteristics of flame propagation over the propellant particles are determined. A comparison of calculation and experimental data is performed. The calculation results are used in designing 2A85 self-propelled launchers and upgrading 2A30 self-propelled launchers. __________ Translated from Prikladnaya Mekhanika i Tekhnicheskaya Fizika, Vol. 48, No. 6, pp. 44–49, November–December, 2007.