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嵌金属丝串装双燃速药柱燃烧分析及发动机内弹道计算
张明;熊波;涂四华;曹晓利
【期刊名称】《固体火箭技术》
【年(卷),期】2016(039)001
【摘要】针对嵌金属丝、串装双燃速装药燃烧过程进行了分析，得到了燃面变化的基本规律。
基于PRO/E软件，实现了嵌多根金属丝、双燃速推进剂串装药柱复杂燃面的精确推移计算。
为精确计算发动机复杂的内弹道，建立了内弹道微分方程组，并通过Runge-Kutta法进行了求解。
结果表明，该数值计算方法计算结果与实测数据吻合度较高，计算方法精确可靠，满足工程预示要求。
【总页数】4页(P36-38,49)
【作者】张明;熊波;涂四华;曹晓利
【作者单位】中国航天科技集团公司四院四十一所，西安 710025;中国航天科技集团公司四院，西安 710025;中国航天科技集团公司四院四十一所，西安 710025;中国航天科技集团公司四院四十一所，西安 710025
【正文语种】中文
【中图分类】V435
【相关文献】
1.嵌金属丝双燃速药柱沸腾高度及典型脱粘对发动机性能的影响 [J], 吴秋;杨德敏;任全彬;刘曙光;刘春红;张明
2.串联双燃速固体火箭发动机一维内弹道计算 [J], 鲍福廷;赵飞;李进贤
3.嵌金属丝两级药柱掺混燃烧下的内弹道计算 [J], 孙迪;马亮;甘晓松;郭运强
4.基于残值函数法的双燃速药柱内弹道分析 [J], 褚佑彪;赵天泉;董新刚;任萍
5.串装双燃速药柱发动机的内流场计算 [J], 赵坚;张振鹏
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B／KNO3燃烧性能参数计算第26卷第3期2005年5月兵工ACTAARMAMENTARIIV01.26No.3May2005B/KNO3燃烧性能参数计算祝明水,龙新平,蒋小华,何碧,蒋明(中国工程物理研究院化工材料研究所,四川绵阳621900)摘要:B/KNO3点火药具有燃烧热值高,点火能力强以及安全钝感等特点.在直列式点火系统中有较广泛的应用.对B/KN%燃烧性能参数进行理论计算,有助于指导这类点火系统的设计.本文利用Ⅵw状态方程和最小自由能原理对B/KNO3的燃烧性能参数进行了计算.计算前,采用最小二乘法对JNNAF热力学函数表中的有关数据进行拟合,得到了硼系氧化产物的标准焓和标准熵的温度函数系数.计算得到装填密度为0,31cIn3的B/KN%火药力,余容以及最大燃烧压力为 2.145×10J/kg,4.47×10I4m3/kg和78.23MPa,分别与密闭爆发器实验值2.116×10J/kg,4,418×10I4m3/kg和76MPa接近.关键词:物理化学;B/KNO3;Ⅵw状态方程;燃烧性能参数;密闭爆发器实验中图分类号:TJ533.1文献标志码:A文章编号:1000—1093(2005)03—0320—03B/KNO3作为点火药具有显着的优点:燃烧热值高,点火能力强;比较钝感,能够保证生产,加工,后勤以及使用的安全.而且,美军标MIDSTD-1901A中把B/KNO3作为火箭发动机直列式点火系统用典型点火药n].基于这些情况,国内某些燃气做功火工品也采用B/KNO3作为点火药.在这些火工品中,B/ KNO3的用量较大,对整个火工品做功能力的影响比较大.要准确估算这些火工品的做功能力特性参数如输出压力等,就必须对B/KNO3的燃烧性能进行研究.目前国内外对其燃烧只进行了少量的实验研究, 还未见理论计算的报道.本文采用Ⅵw状态方程结合最小自由能原理对B/KNO3的燃烧性能参数进行了计算,并通过密闭爆发器实验加以验证.1基本原理最小自由能原理和Ⅵw状态方程(1)[]被用来计算B/KN03平衡燃烧性能参数.由于本文计算的B/KN03的燃烧压力不是很高,在计算时实际上只截取了(1)式的前两项,即采用了(2)式.Ⅵw状态方程为f1一PV-I+B*+薹.㈩式中:B为第二无量纲维里系数;T为无量纲温度;b为分子余容;m为维里方程的项数.收稿日期:2004—04—25而PV=1+B(b0).(2)根据热力学理论,吉布斯自由能F满足P=一.(3)由(2)式和(3)式,可得等温等容条件下在系统中加入1mol第种组分引起的吉布斯自由能F(V,T,z)的增量应满足一(塑,f下=(1+Bb03V/VV).(4)\l丁\一\//式中z为第种组分的摩尔数.积分(4)式,进一步得到等温等容条件下在系统加入1mol第种组分引起的吉布斯自由能F(V, T,z)的增量为:+ln.(5)儿RT…式中:().为第种组分的标准吉布斯自由能;z为系统中气体组分的总摩尔数.对于凝聚相组分,其状态与压力关系不大,因此等温等容条件下在系统加入1mol第种凝聚相组分引起的吉布斯自由能F(V,T,z)的增量为.:.(6)RTJ\u,式中().为第种凝聚相组分的标准吉布斯自由能.第3期B/KNO3燃烧性能参数计算321由热力学关系可知(F).=(H—ST).=Ho—S.T.(7)式中:s.为标准熵函数;H0为标准焓.S.,H0分别为S0_-+++,(8)一98=a+bT+fT+丁+PT4.(9)式中:砖8为298K时的标准焓;T为温度;a,b,C, d,e,ic为拟合系数.这样由以上各式,就可以求得每摩尔各组分对系统吉布斯自由能增量的贡献,从而得到系统吉布斯自由能与系统各组分摩尔数,温度和压力的函数.利用系统各元素质量守恒的条件,根据最小自由能原理, 假设一组产物组成初值,通过反复迭代计算,就可以得到一定温度和压力下的燃烧产物组成.通常情况下不知道定容燃烧的绝热温度和最大压力,初步计算中的温度和压力都是假定的.因此仅仅根据元素质量守恒和最小自由能原理,并不能得到合适的燃烧产物组成.要得到合适的产物组成和相关的性能参数, 还需增补能量守恒的条件,即用能量守恒来校验产物组成:如果假定压力,温度下求得的产物的总能量与点火药初始总能量一致,则此时的组成为合适的燃烧产物平衡组成,所设定的压力,温度则相应为燃烧最大压力和绝热火焰温度;反之,调整压力和温度,以上步计算得到的燃烧产物组成为初值,代入程序迭代计算,直到各种守恒条件都能得到满足为止.合适的燃烧产物组成求出的同时,也就确定了燃烧的最大压力,绝热火焰温度,比容,火药力以及余容等参数的理论值.2计算结果和分析2.1计算结果本文假设B/KN03可能的燃烧产物为B2O,B2,B203,I30,]302,02,KO,NO,N2,K2O,BN等,并且根据JNNAF热力学函数表[】采用最小二乘法在300℃～5500℃的温度范围内对以上硼系产物及钾系产物的热力学函数(8)式和(9)[21式的系数进行了拟合,拟合结果如表1所示.计算所采用各产物的L厂J势参数(用于计算Ⅵ,W状态方程中的参数B)和余容由文献[4]得到,列于表2中.将以上参数输入根据Ⅵ,W状态方程和最小自由能原理的计算编码,得到了如表3所示装填密度为0.31g/咖3的B/KNO3燃烧的主要产物组成以及表4中的有关燃烧性能参数.表1B/KNO3燃烧产物热力学函数拟合系数Tab.1ThefittedcoefficientofthermodynamicfunctionsofB/KNO3combustionproducts 通过与试验结果(燃烧最大压力)对比,经过多次尝试,本文认为K2O和BN是B/KNO3燃烧凝聚态产物的主要成分,其余为气态产物(如表3所示,表中所列产物之外的其他产物的量比表中最小产物量还小—个数量级,因而忽略不计).计算结果还表明,B/KNO3火药燃烧的绝热火焰温度高达3000K以上,但是B系氧化产物中最为稳定的B203的沸点仅为2000K左右,因而在平衡燃烧产物计算时假设B系兵工第26卷氧化产物为气态是合理的.需要指出的是该结果是在0.31g/cm3的装填密度下得到的,对于其他的装填密度,由于燃烧压力的变化,各燃烧产物所占的比例将有所不同.另外,计算得到的产物为平衡燃烧产物,不是室温下的燃烧产物,其对应的温度为绝热火焰温度,因此,在室温下检测的燃烧产物可能有所不同.表3计算得到的B/KNO3主要燃烧产物组成Tab.3ThecalculatedmaincombustionproductsofB/KNO3产物名称B2OB2O2B203BOK2OBN产物质量摩尔浓度.0.0864.7322.9450.1603.7097.418/(mol?l【gI1)2.2密闭爆发器试验为了验证计算结果的合理性,本文利用50mL/500MPa的密闭爆发器测试了B/KNO3点火药的定容燃烧压力,火药力和余容等参数.测试采用0.21g/cm0和0.31g/cm0两种装填密度进行,通过测试两种装填密度装药的压力曲线,采用延伸法对最大压力进行热损失修正后,再利用诺贝尔一阿贝尔方程,得到了B/KNO3的火药力和余容的实验值,结果如表4所示.2.3结果分析由表4可见,计算得到的火药力,余容以及最大压力与实验值吻合,表明本文计算所采用的燃烧产物,热力学函数系数以及燃烧产物势参数是合理的. 但是,计算值比实验值还是稍大一些,因为实际燃烧过程并没有完全达到计算所假设的完全燃烧状态; 实验值由于热损失,密闭爆发器体积膨胀以及传感器灵敏度等因素,存在一定的误差.由表中的结果看,计算值与实验值的差异不大,仅为2%左右,完全在计算误差和实验误差的容许范围之内.表4B/KNO3计算值与实测值的比较Tab.4Comparisonbetweencalculatedandtest combustioncharacteristicsofB/KNO33结论本文中B/KNO3燃烧性能参数计算值与实验值吻合,说明采用最小自由能原理和vLw状态方程方法计算B/KNO3燃烧性能参数是可行的,同时这个结果也表明本文所采用的燃烧产物,热力学函数系数及燃烧产物势参数是合理的.这些结果有助于指导以B/KNO3为点火药的燃气做功火工品的装药设计,从而减少该类火工品研制的试验量,成本以及缩短其研制周期等.参考文献[1]MIL.STD-1901A.Munitionrocketandmissilemotorignitionsystemdesign,safetycriteria[S].[2]龙新平.vLw爆轰产物状态方程及纳米级铝粉含铝炸药爆轰特性研究[D].北京:北京理工大学,1999.[3]StullDR,ProphetH.JANAFThermochemicalTables[M].Washington.D.C.:GovernmentPrintingOffice.1971.112—756.[4]McGeeBC,HobbsML.BaerMR.Exponential6Parameteri.zationfortheJCZ3.EOS[EB/OL].SAND98.1191,1998. TheCalculationofCombustionCharacteristicsofB/KNoZHUMing—shui,L0NGXin—ping,JIANGXiao—hua,HEBi,JIANGMing (InstituteofChemicalMaterials,ChinaAcademyofEngineeringPhysics,Mianyang,Sichua n621900,China)Abstract:B/KN03isasafeandinertkindofamorce,whosecombustionreleaseshighheatandc anigniteinsen—sitivesecondaryexplosives,andiswidelyusedindirectignitionsystems.Theoreticallycalcu latingthecombus—tioncharacteristicsofB/KN03maybenefitthedesignofsuchsystems.Inthispaper,theVLW EOSandthe minimumfreeenergytheorywereusedtocalculatethecombustioncharacteristicsofB/KN0 3.Beforecalculation. therrnochemicaltablewasfittedtodeterminethethermodynamicfunctioncoefficientsofbor onoxidebymethodoftheleastsquare.Theimpetus.co-volumeandmaximumconstantvolumepressureof0.31g/ cl,n3B/KNO3weregotbythecalculation,whichare2.145×10J/kg,4.47×10m3/kgand78.23MPa,respectively.Theseresultsarecloseto thedosedbombtestvalues2.116×105J/,4.418×10I4m3/kgand76MPaindividually. Keywords:physicochemistry;B/KNO3:VLWEOS;combustioncharacteristics;closedbo mbtest。
垂直发射装置中燃气两相冲击流场数值研究的开题
报告
一、选题背景
垂直发射装置是航天工程中常用的一种发射方式，其燃气两相冲击流场对于推进系统的稳定运行和优化设计至关重要。
因此，对于该种流动结构的研究具有重要的理论和实际意义。
二、研究目的
本文旨在对垂直发射装置中的燃气两相冲击流场进行数值研究，分析其流动特点，为该领域的进一步研究提供基础。
三、研究内容
（1）建立垂直发射装置的数学模型，包括燃气两相冲击流场的数学描述以及相关参数的设置。
（2）利用计算流体动力学（CFD）方法进行数值模拟，分析燃气两相冲击流场中的流动特点，如流速、压力、温度等。
（3）通过数值模拟，探究燃气两相冲击流场中各种参数的变化规律和相互影响的关系。
四、研究意义
本研究将有助于深入理解垂直发射装置中的燃气两相冲击流场的流动特点，为该领域相关理论研究提供重要参考。
同时，研究结果对于优化设计和安全运行垂直发射装置具有一定的指导意义。
五、预期进展
预计通过数值模拟，能够得到燃气两相冲击流场中各种参数的变化规律和相互关系，为垂直发射装置相关研究提供基础数据和理论支持。
基于弹丸膛内速度微波测量的发射药燃烧规律张玉成;张江波;严文荣;李强;赵晓梅;闫光虎【摘要】为研究发射药在膛内的燃烧规律,采用微波干涉仪、压电测试系统、30 mm高压滑膛火炮建立了发射药膛内燃烧规律测试系统,并进行了相关试验.依据经典内弹道理论假设,建立了微波测试曲线处理方法,并对试验数据进行了处理.结果表明,实测膛底最大压力345.4 MPa,用微波试验计算出的最大膛底压力为341 MPa,实测膛底压力曲线与由微波试验计算所得曲线能够较好地吻合.发射药膛内燃烧u-p曲线较爆发器中的平缓,发射药燃速与爆发器中的燃速相当.所建立的微波测试试验数据处理方法能够较好地反映发射药在火炮中的燃烧过程,5/7单基发射药在火炮中的燃烧规律与指数式燃烧公式有一定的偏离.【期刊名称】《火炸药学报》【年(卷),期】2010(033)004【总页数】4页(P74-77)【关键词】物理化学;燃烧规律;发射药;微波干涉仪;爆发器;火炮【作者】张玉成;张江波;严文荣;李强;赵晓梅;闫光虎【作者单位】西安近代化学研究所,陕西,西安,710065;西安近代化学研究所,陕西,西安,710065;西安近代化学研究所,陕西,西安,710065;西安近代化学研究所,陕西,西安,710065;西安近代化学研究所,陕西,西安,710065;西安近代化学研究所,陕西,西安,710065【正文语种】中文【中图分类】TJ55;O643.2引言发射药的燃烧规律是发射药的重要性能参数,对发射药的应用设计有着重要的指导作用。
发射药的燃烧规律可以分为定容条件下的燃烧规律和变容条件下的燃烧规律。
发射药在膛内的燃烧规律对装药弹道性能的预估更有实际意义,而由于在膛内发射药燃烧处于高温、高压、变容条件下,给燃烧参数的表征带来了很大困难。
随着测试技术的不断发展,可以获得发射药在膛内燃烧的一些特征参数,如膛内压力变化、膛壁温度变化、膛内弹丸运动规律等,这为发射药在膛内燃烧规律的研究提供了可能。
第2期兵 工 学 报火化工分册1996年9月发射药膛内动态燃速规律研究黄振亚 杨丽侠 李 丽(西安近代化学研究所 710065)摘要 通过30mm高压滑膛模拟炮实验,采用压电测试系统与微波干涉系统同步测试膛内的燃气压力变化过程与弹丸运动变容过程,并经过内弹道方程的推导,对发射药在火炮膛内变容条件下的动态燃速规律进行了探索性研究。
关键词 发射药 燃烧 燃速规律 压力指数Study on the D ynam ic Burn i ng Ra te Law for Gun Propellan t i n BoreHuang Zhenya Yang L ix i a L iL i(X i′an M odern Chem istry R esearch Institute,710065)Abstract In th is paper,the dynam ic burning rate law of the gun p ropellant under the in bo re vo lum e change conditi on w as studied by using30mm calibre h igh p ressure si m ulated gun.In th is test,w e m ade the p ressure m easuring system and m icro2 w ave interferom eter wo rk ing together to si m ultaneously m easure the in bo re burning gas p ressure changing p rocess and the change of the bo re vo lum e.T he final result w as obtained by deducing the burning rate fo rm ula from the interi o r ballistic e2 quati on.Keywords P ropellant Com busti on,Burning R ate L aw,P ressure Exponent引 言关于发射药的燃速规律,目前国内外一直沿用密闭爆发器(包括恒压爆发器)的测试结果,但由于密闭爆发器与火炮膛内的装填条件和燃烧环境相差很大,测试结果与膛内的实际情况也相差甚远,尤其是随着各种新型发射药的出现,燃烧过程变得更加复杂。
