底部排气装置快速降压过程中燃烧流动特性数值分析

为研究底部排气（简称底排）装置出炮口时发射药燃气流动特性和点火具瞬态燃烧特性,采用半密闭爆发器模拟底排弹出炮口时的快速降压过程,借助高速录像系统观测了近喷口喷焰羽流的发展行为,并以此验证数值模型的有效性。在试验基础上,采用高分辨率迎风格式AUSM⁺、两方程Realizable k-ε湍流模型和有限速率化学模型,建立了降压过程中发射药燃气与点火具燃烧射流相互作用的二维轴对称模型,并以基于内节点的有限体积法进行数值模拟,分析了底排装置降压过程中两股高温燃气射流的耦合特性。结果表明：底排装置降压过程中,喷焰羽流由超音速强欠膨胀射流逐渐转变为亚音速流动,波系结构经历马赫反射到规则反射的转变,形成周期性钻石型激波和菱形火焰串,最终变成连续火焰;喷焰羽流变成亚音速流动后,底排装置内点火具火焰下游处径向热对流和热扩散比上游更强烈,底排药柱下端温度最高,首先复燃。     

高降压速率下复合底排药剂瞬变燃烧特性研究

为了提高底排弹出炮口时底排装置的工作稳定性与一致性,采用半密闭爆发器模拟炮口工况,借助高速录像系统,开展了高降压速率下复合底排药剂瞬变燃烧特性的试验研究。实验中,半密闭爆发器燃烧室压力控制在20～90MPa范围内,降压速率为1.2×103～6×103MPa.s-1。实验表明,因破孔压力及降压速率不同,复合底排药剂燃烧行为分为自行稳定复燃、永久熄灭和临界状态三种情况。决定这些行为的关键因素是降压速率与降压前的初始压力。分析表明,在火炮发射条件下,底部排气弹出膛口时,复合底排药剂燃烧环境恰好处于永久熄灭/熄灭后再复燃的临界状态。     

高速气流扰动下底排点火具的燃烧特性研究

为了研究点火具在高速气流作用下的燃烧特性,对其进行了风洞试验的研究。结果表明:不同的药剂、不同形式的点火具在高速气流的扰动下有不同的燃烧规律;点火具产生的燃气在底部尾涡区的作用下被封闭在点火具端部附近;颗粒以弧线的形式绕过尾涡区后加速到接近于来流速度。     

底排点火具在大气中燃烧火焰扩展特性

底部排气弹射程和纵向密集度与点火具的工作性能密切相关。采用高速录像系统和红外热像仪研究了大气环境中,镁/聚四氟乙烯(MT)(Mg/PTFE 45/55、Mg/PTFE 55/45、Mg/PTFE 61/39)、硝酸钡(Ba(NO_3)_2)和氢化锆/氧化铅(ZrH_2/PbO_2 40/60)五种点火药剂在不同点火具孔径(6.5,8mm)下的燃烧扩展特性,并测得七种点火具的火焰温度场分布。在实验基础上,以基于内节点的有限体积法对MT点火具的燃烧射流场进行三维数值模拟,分析了不同MT质量比和点火具孔径下点火具在大气中的燃烧特性参数分布规律。实验和数值结果表明:ZrH_2/PbO_2点火具会破坏底排推进剂的"平行层"燃烧规律;提出以点火面积有效因子表示推进剂点火面积的有效程度,并结合点燃时间综合评估点火具的点火性能,发现MT质量比为61∶39,孔径为8mm的点火具性能最优;点火具火焰最高温度区均位于喷孔的势流核上方;镁质量分数为0.45~0.61时,镁含量越小,MT点火具燃烧场中火焰温度越高,镁含量一定,点火具孔径为6.5,8mm时,较大孔径有较强烈燃烧场热对流,较高中心轴向温度,较大温度梯度。     

底排点火具射流特性对点火延迟时间的影响

为了研究底排点火具射流特性对底排药柱点火延迟的影响,基于一种两相流点火理论模型和一定的假设条件,针对某155 mm底排弹出膛口后的二次点火过程及点火射流特点,就底排点火具的两相射流点火过程进行了数值模拟.计算得到了点火软化和延迟时间,给出了底排药柱着火燃烧前的径向温度分布情况,分析了点火射流温度、固相颗粒直径、颗粒相浓度参数变化对点火软化时间和点火延迟时间的影响,研究结果对指导点火具和底排药柱的改进设计具有参考价值.     

底排点火具参数设计及其与底排药柱的匹配

介绍了点火具静止测时装置的设计思路，论述了点火具的主要技术指标－常温燃烧时间的控制以及提高其精度的途径；研究了点火具喷气孔径、装药量对底排弹弹道性能的影响以及点火具技术参数与底排药柱力学性能之间的匹配关系。     

底排装置在压力跃变条件下的燃烧控制

为研究底排装置在压力跃变条件下的燃烧机理,实现底排燃烧控制,采用半密闭爆发器进行了模拟底部排气弹出膛口后底排药剂燃烧环境压力突然降低的试验.结果表明在压力跃变的过程中底排火焰首先熄灭;在最初130 ms内,底排装置的喷口处为超音速流动或临界流动;在点火具火焰的持续作用下,底排药剂反应表面建立起新的传热与化学反应平衡;约780 ms时底排喷口恢复稳定的燃烧与喷射.研究表明在底排喷口加装燃烧控制块能有效减缓压力跃变对底排药剂燃烧过程的影响,恢复稳定燃烧的时间显著缩短,为提高底部排气弹的纵向射程分布找到了一种新的技术途径.     

几种火箭弹点火具的对比研究

通过２点火药剂的性能和３种不同结构点火具的输出性能对比试验，分析了不同的点火药剂和装药结构对点火具输出性能的影响，展望了几点火具的应用前景。     

基于感知器仿真的底排药剂燃烧状态预测模型

以往研究结果表明,底排药剂在瞬态卸压工况下的燃烧行为分为稳定复燃、低频振荡燃烧和永久熄灭三种状态;具体燃烧状态主要由卸压前最大压力(20～90MPa)和最大卸压速率(1.2×103～6×103MPa.s-1)决定,三种燃烧状态与两者之间的对应关系基本上是线性可分的模式。为了预测不同瞬态卸压工况下的底排药剂燃烧状态,本研究基于神经网络理论,建立了单层和双层感知器神经网络模型并利用试验数据对模型进行训练,得到了包含卸压前最大压力与卸压过程中最大卸压速率的底排药剂瞬态卸压工况下燃烧状态界定判据。采用蒙特卡罗随机抽样的方法验证了所建立的感知器神经网络模型的正确性与可靠性,可以用来对瞬态卸压工况下的底排药剂燃烧状态进行预测。     

低气压长秒延期点火具研究

针对延期点火具的低气压工作环境,探讨并论证了敞开式延期点火具的总体设计。基于延期药燃烧方程,进行了多层递进点燃式的延期点火具结构设计,分析得到各级点火药、延期药的设计要求;经大量药剂配比试验得出点火药凝聚态产物含量占比、凝聚态产物是否流动是其工作稳定的关键因素。本研究对低气压长秒延期点火具设计具有理论指导意义。     

气氧甲烷火炬式点火器稳态仿真分析

为了对一种气氧甲烷点火器内部燃烧情况进行评估,针对该点火器的燃烧反应、流动及工作特点,应用CFD计算方法进行了稳态仿真分析。该点火器为保证其重复使用可靠性,采用电火花起火点燃高混合比燃气后补燃的设计,此种设计点火器内燃烧环境特殊,流场较为复杂,中国缺乏相应的设计经验。通过数值仿真很好地预测出了点火器的出口温度及烧蚀位置,并为该点火器的改进提供了参考。     

一种确定点火器参数的新方法

通过小型点火器试验对不同喷喉,燃面比条件下某装药的燃烧速度与燃烧压力进行了测定,确立了它们与喷喉燃面比之间的关系,依据这些关系确定了某大型点火器的两个重要参灵敏（装药及喷喉尺寸）。大型点火器试验结果表明,小型点火器试验得到的关系能够确定大型点火器参数。     

高速旋转条件下点火具的燃烧特性试验研究

借助高速旋转试验台,研究了高速旋转条件下中心端面点火和侧向点火2种点火具的燃烧特性.结果表明,随着转速的提高,火焰面积增大,点火具燃烧时间减小,燃速加快.在转速为12 000 r/min的试验条件下,点火具内的点火药燃烧速度达到30 mm/s,是静态试验条件下的3倍以上;同时,点火药燃烧火焰在高速旋转条件下明显增大,其燃烧高度和宽度均比静态下多5～8 cm以上,燃烧强度更加猛烈.随着转速的增大,点火具烧蚀程度也愈加严重.     

PVAc弹性微球包覆的高能化学点火具的点火性能

为了减小化学点火具的成型性、燃烧持续时间、燃烧速度等参数对粉尘燃烧与爆炸实验的影响,提高实验数据的准确性和和可重复性,研制出一种聚醋酸乙烯脂(PVAc)弹性微球包覆的化学点火具。首先对点火药用石蜡降感,后加入几滴石油醚将点火药制成球形,然后将PVAc的乙醇溶液旋涂在球形点火药上并真空干燥,在干燥过程中石油醚的挥发使包覆膜发生膨胀并使点火药变得膨松,制得的PVAc弹性微球具有成型性好、韧性强、防水和抗氧化等优点。利用高速摄影技术,研究了该点火具的燃爆特性,并与其他三种类型的点火具进行了比较。实验结果表明,PVAc弹性微球包覆的化学点火具的火焰呈球形传播,其火焰速度适中、点火可靠度高,能够减小粉尘爆炸实验数据因点火具造成的误差。     

点火过程对小型固体火箭发动机内弹道影响

为了研究某小型固体火箭发动机点火过程对内弹道性能的影响,建立包含点火过程的小型固体火箭发动机的内弹道数值研究模型和试验验证方案,对点火药量为1.0 g、0.8 g、0.6 g和0.4 g的发动机进行了内弹道数值研究,试验研究了点火药量为1.0 g和0.8 g两种情况,数值计算结果与试验结果基本一致。研究结果表明:小型固体火箭发动机由于燃烧室体积小,点火过程对内弹道影响明显;点火药量越大,点火药装填密度越大,引起压力峰值越大,稳定工作时间越短;经验估算得到的1.0 g点火药量产生了过高的压力,是稳定压力的三倍,0.8 g的点火药量能够满足点火可靠性和总体设计要求,产生最大压力为27.08 MPa,稳定工作时长159 ms,建议该小型火箭发动机的点火药量为0.8 g。     

AP/HTPB底排药柱点火试验研究

采用点火瞬时性模拟试验装置和旋转中止燃烧试验装置实验研究了点火药为ZrH2 PbO2的GC－45点火具和点火药为Mg PTFE的改进型点火具对AP／HTPB底排药柱的点火。实验结果表明,前者存在点火延滞期长、燃烧侵蚀现象严重,以致造成射弹射程和密集度下降,因此建议采用以Mg PTFE为点火药的改进型点火具。