消焰劑對大口徑火炮炮口煙焰的影響

王丹宇,南風(fēng)強,廖昕,肖忠良,堵平,王彬彬

(南京理工大學(xué) 化工學(xué)院,江蘇 南京 210094)

0 引言

隨著科技的發(fā)展,戰(zhàn)爭對火炮射程、威力的要求不斷提高,火藥配方及裝藥結(jié)構(gòu)也變得越來越復(fù)雜,因此,在火炮射擊過程中產(chǎn)生的炮口有害現(xiàn)象越來越復(fù)雜,且危害性極大,比如炮口煙焰極易暴露火炮發(fā)射位置,對戰(zhàn)地偽裝帶來不利的后果。此外,射擊時產(chǎn)生的超高壓沖擊波和有毒有害氣體對附近的人員和武器設(shè)備造成嚴(yán)重損害。目前對炮口煙焰特征及影響的了解主要從大量的外場試驗進行研究分析,這不僅造成了人力物力的浪費,同時也存在諸多的安全隱患。

隨著仿真技術(shù)的發(fā)展,學(xué)者們建立不同的模型對炮口煙焰等有害現(xiàn)象進行模擬仿真。Zhuo 等和Kim 等采用了迎風(fēng)法(AUSMPW +)建立了彈丸發(fā)射過程中不同速度不同壓力下的數(shù)值分析模型。Seo 等采用可浸入邊界法對炮口沖擊波進行形成數(shù)值研究,并對炮口流場的演化進行了分析,結(jié)果表明,彈丸形狀是噪聲產(chǎn)生機理的主要參數(shù)。吳偉等基于無網(wǎng)格算法對槍口外二次焰進行模擬仿真,發(fā)現(xiàn)降低壓力后可有效抑制炮口二次焰的生成。Aurell 等采用3 種不同配方的裝藥對M4 卡賓槍在半封閉環(huán)境中進行試驗,發(fā)現(xiàn)加入鉀鹽后的發(fā)射藥在槍口閃光明顯降低且排放顆粒物的粒徑縮小。Li 等采用內(nèi)彈道模型針對不同發(fā)射頻率及撞擊強度對炮口沖擊波的影響進行模擬仿真,發(fā)現(xiàn)沖擊的頻率及強度對彈丸的損傷效果有重要影響。學(xué)者們主要著眼于對炮口流場,包括炮口沖擊波、射流的研究分析,很少對炮口煙焰進行模擬計算,尚無考慮消焰劑的化學(xué)反應(yīng)模型研究,無法仿真大口徑炮在射擊過程中炮口煙焰給戰(zhàn)場帶來的危害。

本文在考慮化學(xué)反應(yīng)的大口徑火炮炮口流場仿真模型基礎(chǔ)上,考慮加入消焰劑后,對化學(xué)反應(yīng)模型進行優(yōu)化,并對炮口外流場進行模擬仿真,分析在彈丸發(fā)射過程中,炮口二次焰及炮口煙的形成及發(fā)展?fàn)顩r。同時,基于壓力隱式算子分割(PISO)算法,對大口徑炮發(fā)射過程中的壓力場及速度場進行隱式耦合計算,提高了計算的魯棒性和計算精度。

1 某155 mm 火炮模型建立

1.1 模型假設(shè)

由于炮口流場是非定常、多相,并伴隨著劇烈化學(xué)反應(yīng)的復(fù)雜流場,因此,本文在建立模型的過程中做了如下的假設(shè)及簡化:

1)當(dāng)彈丸飛出炮口后,火藥氣體形成的射流呈軸對稱分布,其中,對稱軸為火炮身管的軸線;

2)在建立化學(xué)反應(yīng)基元模型過程中,只考慮發(fā)射藥成分中C、H、O、N 4 種主要元素;

3)將彈丸到達炮口的時刻作為模擬的初始條件(=0 ms),不考慮身管內(nèi)多相流對初始流場的影響。

1.2 控制方程

當(dāng)彈丸離開炮口后,高度欠膨脹的火藥氣體被迅速釋放,形成了具有粘性的氣流混合區(qū),因此在計算過程中,需考慮黏性對火藥燃氣擴散的影響。故在Navier-Stokes 方程中引入湍流模型建立155 mm 炮口流場模型:

式中:為火藥燃氣的平均速度;為火藥氣體的密度;為湍流動能;、μ分別為火藥燃氣起始時刻和時刻的動力黏度;σ、σ、、為模型系數(shù);f為自由剪切修正系數(shù);為湍流耗散率;f為渦流拉伸修正系數(shù);、為環(huán)境湍流值;S、S分別為湍流動能和湍流耗散率的平均應(yīng)變張量的模;P、P為應(yīng)變力張量。

1.3 加入消焰劑后的化學(xué)反應(yīng)模型

某155 mm 火炮裝藥結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,裝藥量較大,彈丸發(fā)射過程中,容易產(chǎn)生較為嚴(yán)重的炮口煙焰有害現(xiàn)象。炮口焰主要是指在彈丸飛射出去的后效期內(nèi),具有剩余能量的發(fā)射藥燃氣在炮口附近產(chǎn)生的可見光,其包含著大量的可燃組分,如CO、H等。炮口煙主要是因為由于反應(yīng)產(chǎn)生的固體顆粒與空氣形成的膠體體系。在實際射擊過程中往往會在發(fā)射藥中加入消焰劑。在本次模擬中加入1.5% KSO,來對炮口煙焰進行仿真。

對于某155 mm 口徑的火炮,其采用發(fā)射藥的主成分主要為硝基胍(CHNO)。因此在本次模擬中,考慮加入1.5% KSO的消焰劑后,采用的化學(xué)反應(yīng)基元模型如表1 所示。

表1 化學(xué)反應(yīng)模型中采用的基元反應(yīng)Tab.1 Elementary reactions used in chemical reaction model

依據(jù)道爾頓分壓定律,每一種氣體組分的分壓p均滿足:

式中:ρ是組分的密度;R是組分的氣體常數(shù),M是組分的摩爾質(zhì)量;是混合物的密度;是混合物的溫度;是普適氣體常數(shù),=8.314 J/(mol·K)。

由于在火炮發(fā)射過程中,在身管內(nèi)部始終保持高溫、高壓的環(huán)境,系統(tǒng)中火藥氣體的熱力學(xué)性質(zhì)和運輸性質(zhì)發(fā)生較大的變化,例如定壓比熱、定容比熱等參數(shù),不再是與溫度和壓力相關(guān)的線性函數(shù),其更多地表現(xiàn)出非線性特征。故而組分的生成焓h和內(nèi)能e的表示如(3)式和(4)式所示:

式中:W是組分的分子量;、、、、、是擬合系數(shù),可以通過Chemkin 熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫選定。

(5)式代入(3)式積分,得到生成焓h為

2 數(shù)值模擬及結(jié)果分析

2.1 計算條件設(shè)置

本文對某155 mm 火炮的炮口煙焰進行模擬仿真分析以彈丸將要離開炮口為計算的起始點,炮口外的大氣環(huán)境作為計算的背景域,身管內(nèi)氣體由內(nèi)彈道氣動力數(shù)學(xué)模型計算得到,其分布壓力和速度分別為

式中:為彈丸距離膛底的距離;p、v分別為火炮身管內(nèi)處的壓力和速度;為彈丸到炮口的壓力,=8.5 ×10Pa;為身管長度;為彈丸到出炮口時的速度,=960 m/s;為系數(shù),其值為0.18。根據(jù)Chimkin 熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫對155 mm 火炮計算得到加入1.5%KSO作為消焰劑后的火藥燃氣組分進行計算,結(jié)果如表2 所示。

表2 發(fā)射藥燃氣組分的質(zhì)量分數(shù)Tab.2 Mass fractions of propellant gas components

2.2 計算方法

某155 mm 火炮由于其結(jié)構(gòu)及裝藥條件較為復(fù)雜,因此在發(fā)射過程中,會在炮口產(chǎn)生較大的壓力場及速度場。它們對彈丸的飛行及炮口焰煙的形成與發(fā)展造成巨大的影響。因此在計算過程中要將這兩種炮口流場的相互作用考慮起來。在本次模擬中采用了PISO 算法,即把壓力與速度進行耦合。具體而言,PISO 算法是一個根據(jù)已知條件對壓力進行預(yù)測假設(shè),在假設(shè)基礎(chǔ)上加上若干個校正步驟對壓力進行修正。

2.2.1 預(yù)測步

2.2.2 進一步修正

修正后的速度場為

式中:d=A/a。

3 模擬結(jié)果分析

本次數(shù)值模擬從彈丸到達炮口開始作為計算的起始點,利用上面所建的模型對炮口流場進行模擬計算。炮口CO、C 的質(zhì)量分數(shù)隨時間變化情況的仿真結(jié)果如圖1 和圖2 所示。

圖1 火藥燃氣中C 的質(zhì)量分數(shù)隨時間變化云圖(上為有消焰劑,下為無消焰劑)Fig.1 Cloud chart of C mass fraction in propellant gas over time (upper:with flame inhibitor;below:without flame inhibitor)

從圖1 和圖2 可以看出,加入了1.5% KSO后,火藥燃氣中C 和CO 的質(zhì)量分數(shù)比起沒有加入KSO的發(fā)射藥有明顯的降低。這是因為在高溫條件下,KSO發(fā)生了鏈解反應(yīng),K 自由基可以與火藥燃氣中的其他自由基發(fā)生鏈終止反應(yīng):

圖2 火藥燃氣中CO 的質(zhì)量分數(shù)時間變化云圖(上為無消焰劑,下為有消焰劑)Fig.2 Cloud chart of CO mass fraction in propellant gas over time (upper:without flame inhibitors;below:with flame inhibitor)

這使得反應(yīng)體系中,鏈起始反應(yīng)生成的中間產(chǎn)物很快被K、KOH 捕捉、消耗,使得活性自由基的濃度大大降低,從而使得C 或CO 等可燃氣體的生成反應(yīng)中止,炮口二次焰或炮口煙得到抑制。

圖3 和圖4 是加入消焰劑對炮口溫度與壓力影響的對比情況。

圖3 火炮炮口溫度隨時間變化云圖(上為無消焰劑,下為有消焰劑)Fig.3 Cloud chart of gun muzzle temperature over time (upper:without flame inhibitors;below:with flame inhibitor)

圖4 火炮炮口壓力隨時間變化的云圖(上為無消焰劑,下為有消焰劑)Fig.4 Cloud chart of gun muzzle pressure over time (upper:without flame inhibitor;below:with flame inhibitor)

從圖3 的仿真結(jié)果顯示,加入消焰劑后,炮口外的最高溫度由3 000 K 降為2 200 K,并且,隨著時間的增加,溫度逐漸降低,因而可以認為在加入消焰劑后,由于減少了活性自由基而導(dǎo)致化學(xué)反應(yīng)中止,減少炮口焰尤其二次焰的產(chǎn)生。

從圖4 可見,在加入消焰劑后,炮口外產(chǎn)生的馬赫盤大小要略小于沒有添加的情況,但是沖擊波則略大。但是,總體而言,消焰劑對炮口沖擊波的影響不大。

4 試驗驗證

在外場環(huán)境中對155 mm 大口徑火炮加入1.5% KSO作為消焰劑后,在相同的炮口彈丸速度等裝藥條件下進行射擊試驗,并采用高速攝像機對整個射擊過程進行拍照。圖5 為試驗圖片與仿真云圖的對比圖。

圖5 試驗照片(下)與仿真云圖(上)的對比圖Fig.5 Comparison of test photos (below) and simulated charts (upper)

從圖5 可以看出,試驗圖片與仿真云圖雖有一定的差異,但二者的輪廓形狀和尺度范圍還是有一致性的。

同時,在高速攝影照片及仿真云圖中繪制相應(yīng)的網(wǎng)格,采用估算法對炮口外火焰的面積進行估算,具體如圖6 所示。

圖6 試驗照片(下)與仿真云圖(上)的面積估算Fig.6 The area estimation of test photos (below) and simulation drawings (upper)

圖6 中每一個單元格的面積記為1,則炮口外火焰面積如表3 所示。

表3 高速攝像及仿真云圖中炮口外火焰的相對面積Tab.3 Relative area of flame outside muzzle in high-speed photos and simulated charts

從表3 可以看出,照片及仿真云圖的面積對比的誤差不超過5%,說明本文所建立的模型是科學(xué)合理的。

5 結(jié)論

為了模擬加入消焰劑后對炮口煙焰的產(chǎn)生及發(fā)展的影響,本文建立某155 mm 火炮的計算模型,并采用PISO 算法對計算過程的速度及壓力進行耦合計算。得到以下主要結(jié)論:

1)加入消焰劑后,火炮炮口C 和CO 的質(zhì)量分數(shù)相較于沒有加入消焰劑的情況相比,有明顯的降低,出炮口后可燃氣體的最高溫度從3 000 K 降低至2 200 K,低于不加消焰劑的情況。從而說明加入消焰劑后,由于K、KOH 能夠有效捕捉并消耗化學(xué)反應(yīng)鏈中的自由基,有效抑制了炮口煙焰的形成。但是,有無添加消焰劑對炮口沖擊波影響不大。

2)模擬仿真的圖片同實際外場試驗的照片進行對比后發(fā)現(xiàn),二者的輪廓形狀及尺寸具有一致性。同時,對炮口外火球的面積進行估算,發(fā)現(xiàn)誤差不超過5%,從而說明所建立的模型是科學(xué)合理的,為研究大口徑火炮產(chǎn)生的炮口煙焰等有害現(xiàn)象提供了模型基礎(chǔ)。