雙基藥燃燒產(chǎn)物熱物性參數(shù)計(jì)算分析

潘光浩,張領(lǐng)科,王 克,王戴思源

(南京理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院,江蘇 南京 210094)

19世紀(jì)70年代前,所有熱武器的能源都是黑火藥,但黑火藥能量密度低,燃燒時(shí)產(chǎn)生大量煙霧,而且容易吸濕受潮。19世紀(jì)70年代末至80年代初出現(xiàn)了單基藥和雙基藥,具有能量密度高,燃燒性能、力學(xué)性能和內(nèi)彈道性能好,工藝性和經(jīng)濟(jì)性優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)。單基藥廣泛用作槍彈和中小口徑炮彈的發(fā)射藥,雙基藥一般用作大口徑火炮和迫擊炮的發(fā)射藥。它們已成為重要的武器供能物質(zhì),在近現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中發(fā)揮關(guān)鍵作用。

在火炮發(fā)射過程中,火藥燃燒產(chǎn)生的高溫氣體與身管內(nèi)壁強(qiáng)制對(duì)流換熱,壁面溫度迅速升高。為準(zhǔn)確得到整個(gè)過程中身管內(nèi)壁面的溫度,對(duì)流換熱系數(shù)的求解是關(guān)鍵。對(duì)流換熱系數(shù)與燃燒產(chǎn)物的動(dòng)力黏度、導(dǎo)熱系數(shù)和比定壓熱容有關(guān)。目前主要采用兩種方法估算純氣體的熱物性參數(shù):一是完全經(jīng)驗(yàn)法,即采用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合公式進(jìn)行計(jì)算,但公式的使用范圍不能超過用于擬合的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的范圍,而且對(duì)原始實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的精度和數(shù)量有要求;二是半經(jīng)驗(yàn)半理論法,即用理論方法推導(dǎo)出公式型式,再根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定公式中的常數(shù)。半經(jīng)驗(yàn)半理論法有理論和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的支撐,得到的公式更加符合實(shí)際且可靠,因此使用廣泛。

對(duì)于混合氣體生成物的熱物性參數(shù),則需要考慮其中的氣體組分及含量。因此,本文主要討論對(duì)于不同成分的雙基藥,在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下,不同溫度對(duì)應(yīng)的發(fā)射藥燃燒混合氣體生成物的熱物性參數(shù)計(jì)算方法。

1 雙基藥燃燒機(jī)理

雙基藥主要由硝化棉和硝化甘油組成,兩者的總含量占75%以上,其中硝化棉占50%以上。硝化棉和硝化甘油是雙基藥的基本能量組分。

對(duì)于雙基藥這類均質(zhì)火藥而言,在不考慮離解的情況下,其燃燒產(chǎn)物主要有CO、CO、HO(g)、H和N。因此雙基藥燃燒的通用方程式可寫為

(1)

由于方程兩邊各元素物質(zhì)的量應(yīng)相等,可列出以下平衡式:

+=

(2)

2++=

(3)

2+2=

(4)

火藥燃燒生成物也會(huì)發(fā)生水煤氣反應(yīng),其平衡常數(shù)可寫為

(5)

聯(lián)立式(2)～式(5),得:

(6)

如表1所示,平衡常數(shù)取決于燃燒溫度。計(jì)算時(shí)先假定一個(gè)燃燒溫度,從水煤氣平衡常數(shù)表中查出對(duì)應(yīng)的,代入式(6)算出,再根據(jù)式(2)～式(4)求出、和。將求出的、、、代入式(5)求出,所得結(jié)果與最初假定燃燒溫度后查表得到的差值小于0.1,否則需要重新計(jì)算。

表1 不同溫度下水煤氣平衡常數(shù)[1]

在確定平衡常數(shù)后,可求出雙基藥燃燒氣體混合物各組分的含量,由此可以計(jì)算氣體混合物的熱物性參數(shù)。

2 基本成分的熱物性計(jì)算方法

在求解對(duì)流換熱系數(shù)時(shí)采用燃?xì)夂捅诿娴钠骄鶞囟茸鳛槎ㄐ詼囟?該溫度在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)范圍內(nèi),因此可采用經(jīng)驗(yàn)式求解火藥燃?xì)饣境煞值臒嵛镄詤?shù)。

標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下純氣體的動(dòng)力黏度、導(dǎo)熱系數(shù)、比定壓熱容可用以下多項(xiàng)式進(jìn)行描述:

=0+1+2+3+4

(7)

式中:為第種熱物性參數(shù),為動(dòng)力黏度;為導(dǎo)熱系數(shù);為比定壓熱容;0、1、2、3、4分別為第種熱物性參數(shù)的多項(xiàng)式系數(shù)。

將文獻(xiàn)[10-12]給出的標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下不同溫度對(duì)應(yīng)的CO、CO、H、HO(g)和N數(shù)據(jù)進(jìn)行多項(xiàng)式擬合,得到的熱物性計(jì)算模型的參數(shù)如表2～表4所示。5種氣體的擬合計(jì)算值與文獻(xiàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比結(jié)果如圖1～圖6所示。

表2 燃燒生成氣體的動(dòng)力黏度計(jì)算參數(shù)

表3 燃燒生成氣體的導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算參數(shù)

表4 燃燒生成氣體的比定壓熱容計(jì)算參數(shù)

從圖1～圖6可以看出,不同氣體的熱物性參數(shù)模型計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)數(shù)據(jù)一致性好,說明數(shù)據(jù)擬合得到的計(jì)算模型可以較好地應(yīng)用于標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下純氣體熱物性參數(shù)的求解。

圖1 不同溫度下CO2、CO的動(dòng)力黏度

圖2 不同溫度下H2O(g)、H2、N2的動(dòng)力黏度

圖3 不同溫度下CO2、CO的導(dǎo)熱系數(shù)

圖4 不同溫度下H2O(g)、H2、N2的導(dǎo)熱系數(shù)

圖5 不同溫度下CO2、CO的比定壓熱容

圖6 不同溫度下H2O(g)、H2、N2的比定壓熱容

3 混合氣體的熱物性計(jì)算方法

標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下氣體混合物的動(dòng)力黏度、導(dǎo)熱系數(shù)、比定壓熱容可用以下多項(xiàng)式進(jìn)行描述:

m=m0+m1+m2+m3

(8)

式中:m為氣體混合物的第種熱物性參數(shù),為動(dòng)力黏度;為導(dǎo)熱系數(shù);為比定壓熱容;m0、m1、m2和m3分別為第種熱物性參數(shù)的多項(xiàng)式系數(shù)。

3.1 動(dòng)力黏度

標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下氣體混合物的動(dòng)力黏度可用下式計(jì)算:

(9)

式中:1為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下純組分氣體的動(dòng)力黏度;為混合物中組分氣體的摩爾分?jǐn)?shù),為混合物中組分氣體的相對(duì)分子質(zhì)量,為混合物中氣體種類。

3.2 導(dǎo)熱系數(shù)

標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下氣體混合物的導(dǎo)熱系數(shù)可用下式計(jì)算:

(10)

式中:2為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下純組分氣體的導(dǎo)熱系數(shù)。

3.3 比定壓熱容

標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下氣體混合物的比定壓熱容可用下式計(jì)算:

(11)

式中:3為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下純組分氣體的比定壓熱容。

4 算例分析

表5給出了3種不同成分的雙基藥的組分含量,根據(jù)本文第一節(jié)介紹的雙基藥燃燒產(chǎn)物各組分含量的計(jì)算方法,可寫出以下3個(gè)化學(xué)反應(yīng)方程式:

CHON→2.14CO+22.76CO+
6.36HO+9.94H+4.75N

(12)

CHON→2.36CO+22.24CO+
6.64HO+9.26H+4.85N

(13)

CHON→2.56CO+21.64CO+
6.94HO+8.56H+4.95N

(14)

表5 雙基藥的組成含量 %

發(fā)射藥中硝化棉在不同含氮量的情況下,3種熱物性參數(shù)的計(jì)算結(jié)果與熱物性擬合系數(shù)的參數(shù)見表6～表11,隨溫度的變化趨勢(shì)見圖7～圖9。

表6 混合氣體動(dòng)力黏度計(jì)算結(jié)果

表7 燃燒生成混合氣體的動(dòng)力黏度擬合系數(shù)

表8 混合氣體導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算結(jié)果

表9 燃燒生成混合氣體的導(dǎo)熱系數(shù)數(shù)據(jù)

表10 混合氣體比定壓熱容計(jì)算結(jié)果

表11 燃燒生成混合氣體的比定壓熱容數(shù)據(jù)

圖7 混合氣體動(dòng)力黏度隨溫度的變化

圖8 混合氣體導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的變化

圖9 混合氣體比定壓熱容隨溫度的變化

由圖7～圖9可以看出,混合氣體的動(dòng)力黏度、導(dǎo)熱系數(shù)和比定壓熱容均隨著溫度的升高而增大。以發(fā)射藥1燃燒生成的混合氣體熱物性參數(shù)計(jì)算結(jié)果為參照,發(fā)射藥2生成的混合氣體的動(dòng)力黏度與其差值在0.043%～0.334%范圍內(nèi),發(fā)射藥3生成的混合氣體動(dòng)力黏度與其差值在0.086%～0.7%范圍內(nèi);發(fā)射藥2生成的混合氣體導(dǎo)熱系數(shù)與其差值在1.596%～3.333%范圍內(nèi),發(fā)射藥3生成的混合氣體導(dǎo)熱系數(shù)與其差值在3.723%～5.128%范圍內(nèi);發(fā)射藥2生成的混合氣體比定壓熱容與其差值在3.665%～3.883%范圍內(nèi),發(fā)射藥3生成的混合氣體比定壓熱容與其差值在7.415%～7.859%范圍內(nèi)。發(fā)射藥中硝化棉含氮量越高,混合氣體的導(dǎo)熱系數(shù)和比定壓熱容值都越小。但發(fā)射藥中硝化棉含氮量對(duì)混合氣體的動(dòng)力黏度值影響較小,可忽略不計(jì)。

5 結(jié)論

本文通過擬合文獻(xiàn)中給出的發(fā)射藥燃燒生成氣體數(shù)據(jù),得到標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下火藥燃?xì)飧鞒煞值膭?dòng)力黏度、導(dǎo)熱系數(shù)、比定壓熱容計(jì)算模型。再根據(jù)雙基藥的基本成分確定火藥化學(xué)反應(yīng)方程式與各燃燒產(chǎn)物的物質(zhì)的量,從而確定標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下不同溫度對(duì)應(yīng)的雙基藥燃燒混合氣體生成物的熱物性參數(shù)計(jì)算公式。以3種不同硝化棉含氮量的雙基藥為例進(jìn)行計(jì)算,結(jié)果表明:雙基藥中硝化棉的含氮量越高,燃燒混合氣體生成物的導(dǎo)熱系數(shù)和比定壓熱容值越小。但硝化棉含氮量的變化對(duì)混合氣體的動(dòng)力黏度值影響較小。