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底排装置强非稳态燃烧特性研究

作　者: 陆春义
导　师: 周彦煌
学　校: 南京理工大学
专　业: 工程热物理
关键词: 底部排气装置复合底排药剂燃烧稳定性燃烧特性减阻内弹道点火
分类号: TJ301
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

本文以降低底部排气弹纵向距离散布为目标,以内弹道学、传热学、燃烧学等学科专业知识为基础,利用瞬态测压系统、高速录像系统等实验设备,重点研究底部排气装置在火炮膛内及出炮口所经历的强非稳态工作过程,针对环境条件瞬态变化对底部排气装置工作性能的影响,从底排内弹道角度,对高氯酸铵／端羟基聚丁二烯(AP/HTPB)复合底排药剂(下文中统一称之为AP复合底排药剂或复合底排药剂)及点火具在出火炮炮口前后经受的瞬态泄压这一强非稳态过程中的燃烧行为及工作特性进行了较为系统的理论与实验研究。针对某155mm自行加榴炮底排弹采用的AP复合底排药剂,就其基本特性参量展开了实验研究,利用密闭爆发器测量了该复合底排药剂的火药力和气体余容,并根据实验结果拟合得到了该复合底排药在高压条件下的燃速公式：同时采用低压舱测量得到了亚大气压条件下底排药剂燃速的实验结果,拟合得到了低压条件下燃速公式。从而为模拟底排药剂的点火与燃烧提供了依据。设计并采用专门半密闭爆发器,并采用高速录像手段,对底部排气装置开展了非稳态燃烧研究,在模拟炮口压力变化的环境压力突降条件下,发现复合底排药剂的燃烧必将经历失稳-熄灭-复燃的强非稳态过程。并且在实验中首次发现,现有某155mm底排装置,在开始工作最初约560ms内,底排装置的喷口可能出现两次或多次欠膨胀超音速流或临界流动,甚至出现震荡(间歇)燃烧情况。在探索和对比实验基础上,提出了抑制和防范底排装置在高降压速率下燃烧失稳的新技术。对某155mm自行加榴炮采用的复合底排药剂在瞬态降压条件下的非稳态燃烧行为与规律开展了比较系统的实验与观察,首次发现,AP复合底排药剂在400～1.12×10~4MPa/s的降压速率范围内,其瞬变燃烧行为表现为三种类型,即自动复燃型、振荡燃烧型(临界型)和永久熄灭型。决定AP复合底排药剂瞬变燃烧行为特性的主要因素是降压时的初始压力和降压速率。初始压力越大,降压速率越小,燃烧越趋于稳定。火炮发射条件下,底排药剂在膛内可以实现点火。底排装置出膛口时的瞬态降压速率,必将致使底排药剂燃烧失稳。在研究复合底排药剂强非稳态燃烧行为规律基础上,提出了解释振荡燃烧和永久熄火机理,建立了底排燃烧理论模型,推导得到了影响底排燃烧稳定性的公式,从而为解释底排燃烧行为和指导底排药柱及装置的结构设计提供了理论依据。采用半密闭爆发器和高速录像实验装置,对不同类型底排点火具在瞬态降压条件下的工作特性进行了比较系统的实验研究,研究结果表明,在模拟底排弹出炮口时经历的压力瞬态下降过程中,首次观察到点火具射流随环境压力变化而变化,底排点火具本身的燃烧稳定性受到高降压速率的严重影响。点火具这种工作特性,主要与点火药剂成分有关。此外,还发现点火射流对底排药柱存在冲击过度,致使底排药柱局部破碎,产生“掉块”现象。底排点火药剂中含有重金属成分,是点火射流在底排药柱的燃烧弧面上造成蚀坑的直接原因,蚀坑的直接作用是增强了底排药柱中、前期燃烧的“增面性”,同时又加剧了后期燃烧的“减面性”,从总体上看,底排燃烧时间缩短了。从而使底排工作特性偏离了设计预想。在分析现有的固体含能材料点火理论的基础上,侧重采用固相点火模型,结合复合底排药剂在火炮膛内的具体工况,对底排药剂的不同加热点火模式,运用拉氏变换,得到了不同简化分析解。并采用数值传热学,对不同加热点火模式进行了数值计算。这些工作对估算底排药剂不同加热条件下的点火延迟时间和分析点火延迟时间影响因素具有重要的理论意义和工程参考价值。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-9
主要符号表  9-15
1 绪论  15-22
  1.1 研究背景  15-17
  1.2 国内外研究状状况  17-20
  1.3 本文的主要工作  20-22
2 复合底排药燃速基本特性研究  22-41
  2.1 影响底排装置工作性能的主要因素  22-25
    2.1.1 底排装置减阻效果表示方法  22-23
    2.1.2 影响底排减阻效果的主要因素  23-24
    2.1.3 底排燃速  24-25
  2.2 复合底排药柱表面特性的观察及分析  25-28
    2.2.1 AP复合药燃烧特性研究简介  25
    2.2.2 表面特性观察  25-27
    2.2.3 表面特性分析  27-28
  2.3 底排药剂高压下燃速测量与分析  28-33
    2.3.1 实验装置及测试方法  28
    2.3.2 试样制备  28
    2.3.3 试验结果及讨论  28-31
    2.3.4 高压条件下复合底排药燃速拟合公式  31-33
  2.4 亚大气压下底排药剂燃速测量  33-40
    2.4.1 实验装置  33-35
    2.4.2 实验结果  35-36
    2.4.3 物理模型  36
    2.4.4 数学模型  36-38
    2.4.5 底排药剂燃速公式  38-40
  2.5 本章小结  40-41
3 高降压速率条件下底排装置工作性能的实验研究  41-51
  3.1 模拟试验装置  41-42
  3.2 高降压速率条件下底排装置燃烧失稳特点  42-45
  3.3 降压条件下底排装置燃烧失稳原因及其后果的初步分析  45
  3.4 提高底排装置非稳态燃烧稳定性的初步研究  45-49
    3.4.1 金属多孔锥体的燃烧控制试验结果  46-48
    3.4.2 金属网多孔结构的燃烧控制结果  48-49
  3.5 本章小结  49-51
4 复合底排药剂在高降压速率下的燃烧特性研究  51-65
  4.1 实验条件  51-52
  4.2 实验结果及动态燃烧行为分类  52-60
  4.3 机理解释  60-61
  4.4 复合底排药燃烧稳定性影响因素理论模型  61-64
    4.4.1 基本假定  61-62
    4.4.2 公式推导  62-64
  4.5 本章小结  64-65
5 高降压速率下点火具工作特性及其对底排性能的耦合作用研究  65-99
  5.1 不同点火具在高降压速率条件下的工作特性  65-71
    5.1.1 模拟试验装置及测试方法  65
    5.1.2 试样制备  65-66
    5.1.3 试验结果与分析  66-71
  5.2 点火射流对底排药柱工作特性的影响  71-78
    5.2.1 试验装置及实验方法  71-72
    5.2.2 结果及讨论  72-78
    5.2.3 基本结论  78
  5.3 瞬态降压条件下点火具与底排药柱匹配关系的筛选与优化研究  78-98
    5.3.1 试验方法及试验方案  78-80
    5.3.2 试验结果  80-97
    5.3.3 结果分析  97-98
  5.4 本章小结  98-99
6 复合底排药剂点火模型及数值分析  99-139
  6.1 固体火药点火研究概述  99-103
    6.1.1 前人的研究  99-100
    6.1.2 固体火药点火理论模型  100-101
    6.1.3 复合底排药点火与燃烧中的物理与化学历程  101-103
  6.2 复合底排药剂点火模型  103-119
    6.2.1 燃气加热固相点火模型  104-105
    6.2.2 半无穷大平板固相反应点火模型及求解分析  105-107
    6.2.3 简化分析解及其应用  107-119
      6.2.3.1 固定边界、火药不透明且表面接触温度保持不变  107-110
      6.2.3.2 固定边界、不透明、表面接受辐射热通量  110-114
      6.2.3.3 热气体对流加热简化模型的解  114-118
      6.2.3.4 利用简化分析解估算点火延迟时间t_(del)的应用举例  118-119
  6.3 固相反应点火理论模型的数值模拟及其应用  119-131
    6.3.1 边界温度恒定的导热点火模型  120-124
    6.3.2 边界有辐射热通量的点火模型  124-128
      6.3.2.1 XM39火药应用实例  124-126
      6.3.2.2 底排药剂点火模拟  126-128
    6.3.3 火药表面对流换热点火模型及数值计算  128-131
  6.4 一种两相流点火模型及数值模拟  131-138
    6.4.1 两相流点火物理描述  131
    6.4.2 点火基本假定  131-132
    6.4.3 数学模型  132-135
    6.4.4 数值计算与分析  135-138
  6.5 本章小结  138-139
7 总结与展望  139-142
  7.1 结论  139-140
  7.2 创新  140-141
  7.3 展望  141-142
致谢  142-143
参考文献  143-151
附录  151

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