底排藥劑非穩(wěn)態(tài)燃燒特性的實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬.pdf

1、本文以底排彈出炮口快速泄壓導(dǎo)致AP/HTPB底排藥劑出現(xiàn)熄火復(fù)燃或者完全熄火燃燒工況為工程背景，開(kāi)展了AP/HTPB底排藥劑穩(wěn)態(tài)與非穩(wěn)態(tài)燃燒特性的實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬，側(cè)重研究了底排藥劑在快速降壓條件下的熄火、不熄火燃燒機(jī)理，為實(shí)現(xiàn)底排彈出炮口后底排藥劑的穩(wěn)定燃燒奠定理論基礎(chǔ)。本文首先進(jìn)行了底排藥劑穩(wěn)態(tài)燃燒特性的實(shí)驗(yàn)研究，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)燃燒數(shù)值模擬;其次，開(kāi)展了底排藥劑在快速降壓條件下非穩(wěn)態(tài)燃燒特性的實(shí)驗(yàn)研究，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了非穩(wěn)

2、態(tài)燃燒數(shù)值模擬;最后，在認(rèn)識(shí)了AP/HTPB底排藥劑穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)的燃燒特性的基礎(chǔ)上，研究了底排藥劑在熱激勵(lì)條件下的安全性問(wèn)題。主要研究?jī)?nèi)容和成果如下:
　　(1)設(shè)計(jì)了一種帶有雙級(jí)燃燒室的燃?xì)馍淞鼽c(diǎn)火實(shí)驗(yàn)裝置，研究了AP/HTPB底排藥劑在大氣環(huán)境下的點(diǎn)火、燃燒特性。結(jié)果表明，當(dāng)AP/HTPB底排藥劑試樣初溫由31.1℃上升到42.5℃過(guò)程中，燃?xì)馍淞鼽c(diǎn)火著火延遲期隨著初溫的增加而逐漸下降，平均燃速由0.888mm/s上升到0.9

3、55mm/s。通過(guò)微熱電偶，測(cè)得AP/HTPB底排藥劑在大氣環(huán)境下的固相燃面溫度為927K。在實(shí)現(xiàn)底排藥劑可靠點(diǎn)火的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一個(gè)帶有雙透明觀察窗的密閉爆發(fā)器實(shí)驗(yàn)裝置，開(kāi)展了AP/HTPB底排藥劑高壓條件下穩(wěn)態(tài)燃燒特性的實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)合高速錄像圖片以及燃燒室內(nèi)的p-t曲線，測(cè)得底排藥劑在1.5MPa～6.5MPa范圍內(nèi)的平均燃速為(r)b=5.919p0.6629，其中，(r)b的單位為mm/s，p的單位為MPa。
　　(2)在

4、AP/HTPB底排藥劑穩(wěn)態(tài)燃燒特性的實(shí)驗(yàn)研究基礎(chǔ)上，分層次建立了底排藥劑氣相燃燒的簡(jiǎn)化模型和底排藥劑氣-固耦合的燃燒模型。首先，建立了底排藥劑氣相燃燒的簡(jiǎn)化模型，研究了氣相擴(kuò)散火焰結(jié)構(gòu)特性、化學(xué)動(dòng)力學(xué)參數(shù)和粘結(jié)劑含量對(duì)該火焰結(jié)構(gòu)的影響。AP/HTPB底排藥劑氣相區(qū)的擴(kuò)散火焰結(jié)構(gòu)由部分預(yù)混的前沿火焰結(jié)構(gòu)LEF和沿著化學(xué)計(jì)量表面SLS的尾跡擴(kuò)散火焰組成，化學(xué)反應(yīng)核心區(qū)域出現(xiàn)在前沿火焰結(jié)構(gòu)LEF中。當(dāng)粘接劑含量不變時(shí)，隨著Pe數(shù)增加時(shí)，擴(kuò)散火

5、焰高度增加;當(dāng)Da數(shù)增加時(shí)，將改變前沿火焰結(jié)構(gòu)LEF距離燃燒表面的距離;Pe數(shù)和Da數(shù)共同影響著AP/HTPB底排藥劑氣相化學(xué)反應(yīng)速率分布及氣相對(duì)固相的熱反饋特性。其次，建立了AP/HTPB底排藥劑氣-固耦合的燃燒模型，通過(guò)求解完整的N-S方程，詳細(xì)研究了底排藥劑穩(wěn)態(tài)燃燒的整體火焰結(jié)構(gòu)特征。在研究過(guò)程中，引入擴(kuò)散時(shí)間尺度td、化學(xué)反應(yīng)時(shí)間尺度tc和流動(dòng)滯留時(shí)間尺度tf三個(gè)特征量，分析燃燒壓力等條件變化對(duì)AP/HTPB底排藥劑火焰結(jié)構(gòu)特性

6、的影響。同時(shí)，引入無(wú)量綱量Pe和Da來(lái)描述這些時(shí)間尺度的相對(duì)大小，定量給出了不同壓力條件下，擴(kuò)散混合速率、對(duì)流輸運(yùn)速率以及化學(xué)反應(yīng)速率相對(duì)大小的度量。結(jié)果表明:當(dāng)燃燒壓力為p＜0.5MPa時(shí)，此時(shí)Pe＜3.67，Da＜2.8×104，火焰總體呈現(xiàn)出預(yù)混燃燒特性;當(dāng)燃燒壓力為0.7MPa＜p＜1.5MPa，隨著壓力增大，Pe和Da均增大，但對(duì)流和擴(kuò)散輸運(yùn)效果大致相當(dāng)，出現(xiàn)預(yù)混和擴(kuò)散競(jìng)爭(zhēng)燃燒特性;當(dāng)燃燒壓力p＞3.5MPa時(shí)，此時(shí)，Pe≥9

7、.74，Da≥7.0×105，AP/HTPB底排藥劑將出現(xiàn)擴(kuò)散燃燒特性。
　　(3)設(shè)計(jì)了一個(gè)帶觀察窗的半密閉爆發(fā)器實(shí)驗(yàn)裝置，并搭建了包含高速錄像儀、壓電傳感器的綜合測(cè)試系統(tǒng)，開(kāi)展了AP/HTPB底排藥劑快速降壓條件下非穩(wěn)態(tài)燃燒特性的實(shí)驗(yàn)研究。降壓前的燃燒室壓力為3.15MPa～7.24MPa，最大降壓速率為13.2～136.7MPa/s的范圍內(nèi)，觀察到AP/HTPB底排藥劑呈現(xiàn)兩種非穩(wěn)態(tài)燃燒特性，即降壓條件下持續(xù)燃燒和降壓條件下

8、火焰熄滅。要使AP/HTPB底排藥劑熄火，存在一個(gè)最小的臨界降壓速率，且該臨界降壓速率隨著最大燃燒壓力的增加而近似線性增加，底排藥劑在3.15MPa～6.5MPa范圍內(nèi)的臨界降壓速率與最大燃燒壓力之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式為:|dp/dt|cr=7.45p-12.57。當(dāng)降壓速率大于臨界降壓速率時(shí)，底排藥劑火焰將熄滅。降壓速率越大，降壓過(guò)程中帶走的能量也就越多，非燃燒器件儲(chǔ)存的能量將減少，這些器件對(duì)AP/HTPB藥劑表面構(gòu)成熱反饋也就越少，底排藥

9、劑將越難通過(guò)這種熱量反饋以及固相內(nèi)部反應(yīng)的熱量積累而達(dá)到重新著火條件。根據(jù)AP/HTPB底排藥劑熄火后藥劑的燃燒響應(yīng)狀態(tài)，可將熄火區(qū)域分為三種典型的失穩(wěn)燃燒特征:熄火后復(fù)燃、熄火后緩慢分解和完全熄火，熄火后緩慢分解臨界降壓速率與最大燃燒壓力的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式為:|dp/dt|=58.29p-140.78(3.15＜p＜5MPa)。
　　(4)在AP/HTPB底排藥劑快速降壓條件下非穩(wěn)態(tài)燃燒特性的實(shí)驗(yàn)研究基礎(chǔ)上，分層次建立了底排藥劑一維、

10、二維非穩(wěn)態(tài)燃燒模型以及降壓熄火模型，從理論上解釋了降壓燃燒失穩(wěn)行為與初始燃燒壓力和最大降壓速率之間的關(guān)系。首先，建立了AP/HTPB底排藥劑一維非穩(wěn)態(tài)燃燒模型，主要分析壓力快速變化條件下，底排藥劑燃燒響應(yīng)特性。當(dāng)壓力從3.0MPa快速降壓到2.0MPa過(guò)程中，底排藥劑熱波層厚度的增加跟不上壓力變化速率，即固相熱波層厚度相對(duì)于該壓力瞬變條件而言被縮短了，相當(dāng)于固相欠預(yù)熱，AP/HTPB底排藥劑瞬時(shí)燃速低于對(duì)應(yīng)壓力下的穩(wěn)態(tài)燃速;當(dāng)壓力從2.

11、0MPa快速升壓到3.0MPa過(guò)程中，此時(shí)，固相熱波層厚度相對(duì)于該壓力瞬變條件而言被延長(zhǎng)了，相當(dāng)于固相過(guò)預(yù)熱，AP/HTPB底排藥劑瞬時(shí)燃速高于對(duì)應(yīng)壓力下的穩(wěn)態(tài)燃速。當(dāng)燃燒壓力為2.0MPa時(shí)，AP/HTPB底排藥劑熱波層調(diào)整的特征頻率為487.8Hz，如果壓力振蕩驅(qū)動(dòng)頻率接近該特征頻率時(shí)，壓力驅(qū)使頻率響應(yīng)函數(shù)Rp趨于最大。同時(shí)還發(fā)現(xiàn)，壓力高頻振蕩對(duì)底排藥劑的燃速影響較小，壓力低頻振蕩對(duì)底排藥劑的燃速影響較大。其次，建立了AP/HTPB

12、底排藥劑二維非穩(wěn)態(tài)燃燒模型，研究了初始燃燒壓力為5.0MPa，終態(tài)壓力為0.1MPa，最大降壓速率為-200MPa/s和-500MPa/s時(shí)，AP/HTPB底排藥劑二維火焰結(jié)構(gòu)變化特性、各物理量空間分布特征、氣相對(duì)固相熱反饋的變化以及燃面溫度變化特性。最后，建立了AP/HTPB底排藥劑降壓熄火燃燒模型，從理論上揭示了降壓燃燒行為與初始燃燒壓力p、最大降壓速率|dp/dt|max之間的關(guān)系。
　　(5)在認(rèn)識(shí)了AP/HTPB底排藥劑

13、穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)的燃燒特性的基礎(chǔ)上，研究了AP/HTPB底排藥劑在熱激勵(lì)條件下的安全性問(wèn)題。首先，建立了AP/HTPB底排藥劑烤燃數(shù)學(xué)模型，通過(guò)一維熱爆炸(ODTX)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了AP/HTPB底排藥劑烤燃模型的正確性。然后，數(shù)值模擬了底排裝置處于高恒溫?zé)岘h(huán)境、慢速烤燃和暴露于燃燒火焰中，底排藥劑的熱響應(yīng)特性。計(jì)算結(jié)果表明:當(dāng)?shù)着叛b置處于高恒溫?zé)岘h(huán)境中，AP/HTPB底排藥劑發(fā)生烤燃響應(yīng)的環(huán)境臨界溫度介于480K～485K之間。當(dāng)環(huán)境溫度為