单模块装药膛内流场特性试验及数值仿真_马天一.pdf

马天一，陶如意，森思义，王浩www.energetic-含能材料Chinese Journal of Energetic Materials，Vol.31,No.1,2023（70-82）单模块装药膛内流场特性试验及数值仿真马天一，陶如意，森思义，王浩（南京理工大学 能源与动力工程学院，江苏 南京 210094）摘要：模块装药是目前大口径加榴炮主要的装药结构之一。为了更加精确地研究单模块装药膛内燃烧的内弹道特性，分析膛内燃气流动及压力波变化规律，设计了模块装药燃烧模拟试验平台，并进行了单模块装药的膛内燃烧试验。根据模块装药的特点，分区 域 建 立 了 模 块 装 药 轴 对 称 二 维 两 相 流 内 弹 道 模 型。基 于 高 阶 精 度 MUSCL（Monotonic Upstreamcentered Scheme for Conservation Laws）格式，数值模拟了单模块装药药室内部点传火过程。结果表明，计算结果与试验结果吻合较好，不同测试点的压力曲线的计算峰值误差均低于 4%，表明所建立数学模型和使用的计算方法能够较好地描述单模块装药药室内部燃烧过程。结果还发现，在 t=5.0 ms前，由于模块未破裂，药盒端盖的阻隔导致主装药燃气无法及时向药室扩散，仅传火管燃气对膛内流场造成微弱的影响，这一时期药室内部压力最大值比传火管右端未破膜前仅上升约 4.3%；当模块破裂后，模块与药室边界处存在3.05 MPa的压力梯度，使得火药燃气及固相颗粒沿轴向快速向药室自由空间流动，在弹丸底部区域形成较强反射压力波；随着时间的推移，压力波反复震荡，并逐渐减弱。关键词：模块装药；数值模拟；两相流；内弹道；MUSCL格式中图分类号：TJ012.1；O359文献标志码：ADOI：10.11943/CJEM2022198 0引 言为提高大口径加榴炮发射速率，实现火炮自动装填，具有可燃和较强结构强度特点的刚性模块装药结构应运而生。模块装药结构是将火药装载在一个个单独的可燃容器中，再装上独立的传火管，形成一个完整的模块药盒1。在火炮发射时，只需要根据发射的战术技术指标需求选择相应装药量、相应数量的模块药盒即可。模块装药作为一种不同于布袋式装药的装药结构，会对包括点传火性能、压力波传递在内的诸多火炮发射内弹道性能有较大影响。特别是在单一模块装药中，较长的药室自由空间，对燃气流动及膛内压力波的产生和发展均有很大的影响。近年来，对于模块装药的研究受到了广泛的关注。其中，在热安全性方面，刘静等1-3对不同升温速率下模块药盒的烤燃特性进行了数值分析，发现模块药盒烤燃响应时间与升温速率呈指数关系，但升温速率对烤燃响应温度影响较小；钱环宇等4-6对不同射击温度、不同射击工况下模块药盒的热安全性进行了数值预测，结果表明，射速及环境温度对滞留在膛内的模块药盒均会产生影响。这些研究主要侧重于研究膛内火焰射流对模块药盒安全性的影响，而缺乏模块装药条件下主装药燃烧对膛内流场的影响分析。在药粒散布方面，陈安等7-8采用三维非稳态气固两相流模型对单模块与两模块装药点传火过程和药粒飞散过程进行了数值模拟，发现药粒呈陡坡状堆积在药室右侧；杨旭光等9则是利用同样的三维模型，改变模块端盖的破裂形态，分析不同破裂状态对单模块装药模块破裂后药室内部药粒散布的影响，发现不同的破裂位置、破孔大小均会对模块药粒散布产生影响。这些研究将主装药替换为不具备燃烧特性的假药粒，未能研究主装药在药室内的燃烧现象。由于模块装药结构的复杂性，目前国内对于模块文章编号：10069941（2023）01007013引用本文：马天一,陶如意,森思义,等.单模块装药膛内流场特性试验及数值仿真J.含能材料,2023,31(1):70-82.MA Tianyi,TAO Ruyi,SEN Siyi,et al.Experiment and Simulation of Flow Field Characteristics for Single Modular Artillery Charge SystemJ.Chinese Journal of Energetic Materials（Hanneng Cailiao）,2023,31(1):70-82.收稿日期：20220731；修回日期：20220922网络出版日期：20220929作者简介：马天一（1994-），男，博士研究生，主要从事模块装药膛内流场与燃烧特性研究。email：通信联系人：陶如意（1978-），女，副教授，硕士生导师，主要从事兵器发射理论与技术、计算流体力学等方面的研究。email：70CHINESE JOURNAL OF ENERGETIC MATERIALS含能材料2023 年 第 31 卷 第 1 期（70-82）单模块装药膛内流场特性试验及数值仿真装药膛内燃烧的内弹道两相流理论研究也仅局限于（双）一维两相流内弹道数值模拟，且主要研究内容集中在模块装药全装药结构内弹道参数沿轴向分布规律。其中陆中兵等10-11对单一传火管的模块装药全装药结构（6 个模块）建立了两相流内弹道模型，对模块装药传火过程和膛内火焰扩散过程进行了数值模拟，为模块装药早期点火、火焰扩散等提供了理论依据。王育维等12-13考虑模块运动模型模拟了火炮发射过程，发现可燃容器、主装药火药力与模块药盒长度对模块装药压力波均有明显影响。赵毅等14结合集总参数法对模块装药点传火过程进行数值模拟，发现提高传火管强度可以提高模块装药传火性能。赵欣15对可变药室火炮模块装药进行了研究，分析了模块装药结构在可变药室火炮内的内弹道过程。马昌军等16针对模块装药的结构特点，对其数理模型加以改进，将点火过程的不连续性、装药的不连续性以及模块的非同时破裂特性等因素考虑在内，数值模拟了模块装药内弹道过程，发现模块药盒对传火性能有影响，模块药盒的破裂时间也受到药盒强度和传火性能等多重影响。然而，对于火炮发射系统，其膛内燃烧过程本就是一个伴随有复杂物理化学过程、具有多维效应的多相燃烧流动过程，这一过程用一维两相流无法详细呈现其膛内现象。因此，开展真实状态下模块装药二维两相流研究，更准确地反映单模块装药结构膛内燃烧特点及流场特性，发现其内弹道燃烧特性，对模块装药在现代火炮发射系统的应用和射击安全具有重要意义。本研究以某大口径加榴炮模块装药结构为研究背景，设计了模块装药燃烧模拟试验平台，考虑模块药盒与主装药的燃烧，基于单模块装药燃烧模拟试验以及高阶精 度 间 断 分 解 算 法 Monotonic Upstreamcentered Scheme for Conservation Laws（MUSCL）格式，针对传火管、模块药盒与药室分区域建立了模块装药二维轴对称两相流模型并编制了计算机代码，数值模拟了单模块装药药室内点传火过程燃烧规律及流场流动特性；通过与单模块装药燃烧模拟试验的测试压力曲线对比，验证了算法的准确性与模型的可靠性；同时分析了单模块装药药室内主装药点传火过程燃烧特点及流场变化规律。1试验研究1.1试验设备为研究模块装药药室内燃烧现象，设计了如图 1所示模块装药燃烧模拟试验平台。该平台由点火系统、药室、底盖、后盖、泄压膜片、基座以及底板等部分构成。药室最大内径 170 mm，炮口直径 155 mm。装置上方设有 7 个测压孔，根据需要可用于测量药室不同位置、坡膛以及弹底的压力。底火置于点火装置中，采用电点火方式击发点火。泄压系统采用爆破膜泄压方式17，该泄压系统采用的膜片材料是屈服极限为 235 MPa 的普通碳素结构钢，根据膜片薄弱处厚度的不同，可以进行不同挤进压力的试验。1.2装药方案本试验采用 3号电底火，传火管中用蛇形药袋装有2号大粒黑火药30 g，两端封闭，模块药盒内装有23/19火药 3.0 kg，传火管两侧端盖破膜压力为 0.2 MPa，模块药盒破裂压力为 3.0 MPa。模块药盒紧贴底火端。模块药盒与传火管实物图如图 2 所示；传火管与模块药盒、模块药盒与端盖之间用特制胶水固定、密封，装bustible cartridgeb.ignition tube图 2模块药盒与传火管实物图Fig.2Combustible cartridge and ignition tubea.Schematic diagramb.Physical picture图 1模块装药燃烧模拟试验平台Fig.1 Test platform for Combustion simulation of Modular Artillery Charge System（MACS）71www.energetic-含能材料Chinese Journal of Energetic Materials，Vol.31,No.1,2023（70-82）马天一，陶如意，森思义，王浩药示意图如图 3 所示；药室泄压膜片薄弱处厚度选择5.0 mm，破膜压力为 30.0 MPa。其中点火药、主装药与可燃容器的弹道特征量参数如表 1所示。1.3测试系统本 试 验 测 试 系 统17利 用 压 电 式 压 力 传 感 器 与DEWE2500 型瞬态压力记录仪对各测试点压力进行测 试 并 记 录 在 存 储 装 置 中，并 用 FASTCAM Mini UX50 系列高速图像采集系统对试验过程进行拍摄。本试验测试点位置如图 4所示。2单模块装药两相流数理模型研究仿真对象为单模块装药燃烧模拟试验，装药结构布置如图 5所示，药室贴近底火部放置模块药盒。单模块装药膛内燃烧的物理过程可以描述为：电底火击发点燃传火管中的点火药，点火药燃气在传火管内部燃烧，当传火管壁面传火孔内外存在压力差时，部分点火药燃气通过点传火孔向模块内部传播，同时大量点火药燃气继续沿传火管轴向传播，当传火管端盖处压力随着点火药的燃烧达到端盖破裂压力后，端盖破裂，点火药燃气及少量黑火药颗粒进入药室，在药室内继续燃烧。在此过程中，流入模块的点火药燃气逐步加热并点燃模块内部主装药，同时当药盒壁面处温度达到药盒燃烧温度时，药盒开始燃烧。当模块药盒壁面内外压差达到药盒破裂压力时，模块药盒破裂，未燃完的火药分散在药室自由空间内继续燃烧，直到药室泄压膜片处压力达到药室破膜压力，泄压膜片破裂。2.1基本假设根据上述物理过程建立模块装药传火管一维两相流模型以及模块药盒及药室内燃烧轴对称二维两相流模型，为简化计算，对实际物理过程进行合理假设如下7，18-22：（1）使用双流体内弹道模型，即把固相火药颗粒当作拟流体，认为火药颗粒群组成的固相具有连续介质特性，且固相连续分布在气相中。（2）将模块药盒与药室作等直径处理。（3）模块与传火管的破裂准则采用压差准则，即模块药盒与传火管均能承受一定压力。传火管的传火孔与端盖未破裂前，传火管密闭；模块未破裂前，模块药盒密闭；由于传火管与模块药盒材料相似，假设模块药盒与传火管同时破裂。（4）将传火管、模块药盒、炮膛分区域建模。模块作为单独区域计算，但是考虑传火管与药室、传火管与模块药盒之间的气体交换。（5）由于高能量模块药盒会引起模块装药内弹道过程出现明显压力波13，因此本文将模块药盒的燃烧产物作为源项加入到模块装药内弹道计算中。2.2数学模型针对上述物理模型，分别建立传火管一维两相流模型、模块药盒内部二维轴对称两相流模型以及药室内部火药燃烧二维轴对称两相流模型。图 5单模块装药结构布置示意图Fig.5Diagram of structural layout of single modular artillery charge system图 3模块装药示意图1可燃药盒，2粒状火药，3传火管，4蛇形药袋Fig.3Diagram of MACS1combustible cartridge，2granular propellant，3ignition tube，4powder bags表 1火药弹道特征量Table 1Ballistic characteristic value of powderpower typeignitermain propellant