馬龍澤, 余永剛

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

1 引 言

底部排氣彈通過(guò)底排裝置對(duì)彈底添能加質(zhì)以減小壓阻來(lái)達(dá)到增程目的,而點(diǎn)火散布是引起底排彈散布和射程變化的重要因素,其和推進(jìn)劑的燃燒規(guī)律均與點(diǎn)火具的點(diǎn)火性能密切相關(guān)[1]。不同的點(diǎn)火藥和點(diǎn)火具結(jié)構(gòu)使得點(diǎn)火具的工作性能具有多樣性。郭錫福[2]論證了點(diǎn)火具對(duì)點(diǎn)火性能起主要作用以及點(diǎn)火一致性對(duì)增程減小散布的重要性,并提出了利用底排阻力曲線確定點(diǎn)火時(shí)間的科學(xué)方法。張峰[3]著重分析了不同類型點(diǎn)火具和不同質(zhì)量點(diǎn)火藥劑在底排彈試驗(yàn)中所帶來(lái)的影響。張炎青[4]研究了底排藥劑點(diǎn)火過(guò)程對(duì)縱向密集度影響的簡(jiǎn)易計(jì)算方法,并用于處理試驗(yàn)數(shù)據(jù),從而改善點(diǎn)火條件。吳學(xué)易[5]和丁則勝等[6]實(shí)驗(yàn)分析了點(diǎn)火具噴氣孔徑、裝藥量和點(diǎn)火具位置等參數(shù)對(duì)二次點(diǎn)火一致性的影響。潘功配[7]、王健等[8]通過(guò)點(diǎn)火瞬時(shí)性模擬實(shí)驗(yàn),研究了多種點(diǎn)火具對(duì)底排藥柱點(diǎn)火延遲時(shí)間、點(diǎn)火燒蝕性和燃燒速度的影響差異性,更深入地了解了藥柱的點(diǎn)火和二次點(diǎn)火過(guò)程。陸春義[9]采用半密閉爆發(fā)器模擬炮口壓力突降過(guò)程,研究了底排點(diǎn)火具在高降壓速率下的瞬態(tài)燃燒特性及工作性能。張領(lǐng)科[10-11]建立了底排裝置內(nèi)彈道和外彈道計(jì)算模型,基于獨(dú)立隨機(jī)假設(shè)理論,數(shù)值分析了由于點(diǎn)火延遲時(shí)間、底排裝置工作時(shí)間造成的不一致性對(duì)射程散布的影響,并研究了點(diǎn)火具射流特性對(duì)藥柱點(diǎn)火延遲的影響。Pa?agic[12]針對(duì)不同配方的底排點(diǎn)火藥,比較分析了氣相產(chǎn)物組分對(duì)線性燃速、壓力、潛熱和點(diǎn)火溫度等參數(shù)的影響。

點(diǎn)火具燃燒性能是底排增程技術(shù)的研究重點(diǎn)。之前的研究多是以點(diǎn)火具和底排推進(jìn)劑共同作用下,底排裝置的工作性能為重心,未能從點(diǎn)火具自身燃燒特性出發(fā),探討其對(duì)底排推進(jìn)劑點(diǎn)火的影響。為此,本研究借助高速錄像儀和紅外熱像儀,通過(guò)不同點(diǎn)火具的燃燒實(shí)驗(yàn)測(cè)試,從點(diǎn)火具燃燒射流擴(kuò)展特性的角度分析了鎂/聚四氟乙烯(MT)、硝酸鋇(Ba(NO3)2)和氫化鋯/氧化鉛(ZrH2/PbO2)三種點(diǎn)火藥劑和噴孔直徑(6.5 mm,8 mm)對(duì)點(diǎn)火具燃燒特性的影響,初步討論了其對(duì)推進(jìn)劑的點(diǎn)火作用,并以基于內(nèi)節(jié)點(diǎn)的有限體積法對(duì)MT點(diǎn)火具的燃燒場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬,研究了點(diǎn)火藥質(zhì)量比和點(diǎn)火具孔徑對(duì)點(diǎn)火具在大氣中的燃燒特性的影響規(guī)律。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)樣品

實(shí)驗(yàn)測(cè)試采用三種點(diǎn)火藥劑,分別以MT、Ba(NO3)2和ZrH2/PbO2為主要成分,其中,MT點(diǎn)火藥劑配制了三種配方,MT質(zhì)量比(鎂: 聚四氟乙烯)分別為45∶55、55∶45、61∶39。ZrH2/PbO2點(diǎn)火藥中兩種組分的質(zhì)量比(ZrH2∶PbO2)為40∶60。將上述各試樣稱量并混合均勻后,分別壓制在內(nèi)徑30 mm、外徑34 mm和高32 mm的點(diǎn)火具內(nèi),圖1為點(diǎn)火具示意圖,其端面周向均布6個(gè)噴孔,孔徑d為6.5 mm或者8 mm。據(jù)此設(shè)計(jì)的七種模擬點(diǎn)火具的主要性能參數(shù)如表1所示。

圖1 底排點(diǎn)火具示意圖

Fig.1 Schematic diagram of base-bleed igniter

表1 七種點(diǎn)火具的設(shè)計(jì)參數(shù)

Table 1 Design parameters of 7 igniters

igniterorificediameter/mmcomponentmassratioignitionagentmass/g1#8MT45∶55202#8MT55∶45203#8MT61∶39204#6．5MT55∶45205#6．5MT61∶39206#8Ba(NO3)2-207#6．5ZrH2/PbO240∶6080

2.2 實(shí)驗(yàn)裝置

點(diǎn)火具通過(guò)螺紋固定在鐵質(zhì)底盤上,實(shí)驗(yàn)時(shí),在點(diǎn)火具端面上放置少量的硝化棉引火藥,然后通過(guò)丁烷噴槍點(diǎn)火器(2000 K)點(diǎn)燃。圖2為實(shí)驗(yàn)觀測(cè)系統(tǒng)示意圖,采用高速攝像系統(tǒng)(HSC)記錄點(diǎn)火具噴射燃燒隨時(shí)間的演變過(guò)程,同時(shí)借助紅外熱像儀(ITI,SC7000,Flir Systems)監(jiān)測(cè)燃燒時(shí)的火焰溫度并獲得火焰溫度的空間分布。

圖2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

Fig.2 Schematic diagram of experimental system

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.3.1 點(diǎn)火具燃燒射流在大氣中擴(kuò)展演變特性

觀察1#～7#點(diǎn)火具在大氣中的點(diǎn)火和燃燒過(guò)程,根據(jù)火焰特性,將點(diǎn)火具燃燒分為兩大類型。1#～6#點(diǎn)火具的燃燒射流主體為高溫氣體,包含少量的凝聚相粒子,并伴有強(qiáng)烈的白熾亮光,具有明顯的火焰區(qū),稱為Ⅰ類型點(diǎn)火具。由于各點(diǎn)火具的燃燒擴(kuò)展過(guò)程類似,這里僅以5#點(diǎn)火具為例,取點(diǎn)火具初次出現(xiàn)火焰的前一幀為零時(shí)刻,即點(diǎn)火具開(kāi)始著火的時(shí)刻,其在大氣中燃燒的演變過(guò)程如圖3a所示。由圖3a可見(jiàn),0.672 s時(shí),點(diǎn)火射流呈現(xiàn)明顯的多股射流摻混現(xiàn)象,隨著時(shí)間推移,多股燃燒射流匯聚完成,整體上表現(xiàn)出單股自由射流特征。這種點(diǎn)火具主要以熱對(duì)流和熱輻射的方式對(duì)底排推進(jìn)劑進(jìn)行熱點(diǎn)火,少量的凝聚相粒子使得侵蝕燃燒較微弱,不會(huì)破壞推進(jìn)劑的“平行層”燃燒規(guī)律,有利于增加底排彈射程,改善縱向密集度。圖3b為7#點(diǎn)火具在大氣中燃燒的演變過(guò)程,該點(diǎn)火具燃燒產(chǎn)物大部分為稠密凝聚相粒子,無(wú)明顯火焰區(qū),稱為Ⅱ類型點(diǎn)火具。該點(diǎn)火具燃燒產(chǎn)物的主要成分是高密度的ZrO2和PbO粒子,且空間分布遠(yuǎn)大于Ⅰ類型點(diǎn)火具,主要通過(guò)稠密熱粒子粘附于推進(jìn)劑表面,以熱傳導(dǎo)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火。底排裝置工作時(shí),在離心作用力下,較高的動(dòng)能使得它們必然會(huì)對(duì)推進(jìn)劑造成嚴(yán)重的蝕坑,破壞推進(jìn)劑的燃燒規(guī)律,降低底排彈射程,減小密集度。潘功配[7]對(duì)底排藥柱點(diǎn)火進(jìn)行的中止燃燒實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)采用ZrH2/PbO2點(diǎn)火具點(diǎn)火的藥柱燃面不單有坑,而且中間形成了幾乎使藥柱斷開(kāi)的較大溝槽。本研究所得結(jié)論與該實(shí)驗(yàn)相吻合。

點(diǎn)火一致性是影響底排彈射程散布的主要因素之一,而點(diǎn)火具的點(diǎn)燃時(shí)間對(duì)底排藥劑點(diǎn)火延遲時(shí)間有重要影響。點(diǎn)火具的點(diǎn)燃時(shí)間定義為:點(diǎn)火具從著火開(kāi)始, 到火焰高度和射流擴(kuò)展角基本不變,點(diǎn)火具燃燒達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)間。實(shí)驗(yàn)對(duì)1#～6#點(diǎn)火具燃燒過(guò)程高速錄像照片進(jìn)行測(cè)量,可得出火焰高度和燃燒射流擴(kuò)張角隨時(shí)間的變化曲線,如圖4所示。

a. combustion evolution of the first type of igniter (5#)

b. combustion evolution of the second type of igniter(7#)

圖3 5#和7#點(diǎn)火具在大氣中燃燒的演變過(guò)程

Fig.3 Evolution process of combustion for igniters in the atmosphere

a. flame height

b. expansion angle

圖4 Ⅰ類型點(diǎn)火具燃燒火焰高度和射流擴(kuò)張角隨時(shí)間的變化曲線

Fig.4 Curves of change in combustion flame height and jet expansion angle with time for igniter Ⅰ

由圖4可知,點(diǎn)火具著火開(kāi)始燃燒之后,火焰脈動(dòng)較強(qiáng)烈,火焰高度和射流擴(kuò)張角均有一個(gè)先增大再減小的過(guò)程,之后略有波動(dòng)。各點(diǎn)火具的點(diǎn)燃時(shí)間、穩(wěn)定燃燒時(shí)的火焰高度和射流擴(kuò)張角如表2所示。由表2可知,對(duì)于1#～3#點(diǎn)火具,點(diǎn)火具孔徑不變,為8 mm,點(diǎn)燃時(shí)間隨著鎂含量增大而縮減,分別為0.96 s、0.8 s和0.56 s,點(diǎn)火具穩(wěn)定燃燒后,鎂含量越大,燃燒射流擴(kuò)張角越大,但火焰高度卻會(huì)隨之降低,對(duì)孔徑為6.5 mm的4#和5#點(diǎn)火具也能得出相同的結(jié)論,相應(yīng)的點(diǎn)燃時(shí)間分別為1.36 s和1.28 s。對(duì)于2#,4#點(diǎn)火具或3#,5#點(diǎn)火具,點(diǎn)火藥質(zhì)量比一定,點(diǎn)火具孔徑增大,則點(diǎn)燃時(shí)間縮短,燃燒射流擴(kuò)張角增大,火焰高度變短。對(duì)于1#～3#、6#點(diǎn)火具,孔徑一定,Ba(NO3)2點(diǎn)火具燃燒火焰比MT點(diǎn)火具更高,但點(diǎn)燃時(shí)間更長(zhǎng),而其燃燒射流擴(kuò)張角介于2#和3#點(diǎn)火具之間。由此可得,對(duì)于MT點(diǎn)火具,增大鎂含量或增大孔徑有利于縮短點(diǎn)火具的點(diǎn)燃時(shí)間,提高底排彈的點(diǎn)火一致性。但是,相應(yīng)地,燃燒火焰高度和射流擴(kuò)張角也會(huì)改變。若火焰高度達(dá)不到推進(jìn)劑高度,則會(huì)導(dǎo)致噴口處推進(jìn)劑局部溫度偏低; 若射流擴(kuò)張角過(guò)小,則由于點(diǎn)火“死角”的存在,近點(diǎn)火具處推進(jìn)劑溫度相對(duì)偏低,進(jìn)而引起推進(jìn)劑內(nèi)表面燃速不一致,破壞其燃燒規(guī)律,不能有效增程。

表2 1#～6#點(diǎn)火具燃燒性能參數(shù)

Table 2 Combustion performance parameters of igniter 1#-6#

No．1#2#3#4#5#6#t/s0．960．800．561．361．281．30H/cm25．85625．05620．09647．20031．61643．136θ/(°)44．657．261．034．449．859．0

為綜合分析火焰高度H和燃燒射流擴(kuò)張角θ對(duì)推進(jìn)劑點(diǎn)火的影響,提出以點(diǎn)火面積有效因子來(lái)表示推進(jìn)劑點(diǎn)火面積的有效程度,推進(jìn)劑點(diǎn)火示意圖如圖5所示。圖5中,r為點(diǎn)火具與推進(jìn)劑燃面間距,h1為點(diǎn)火具高度,d0為底排藥柱內(nèi)徑,H0為底排藥柱高度。點(diǎn)火面積有效因子ξ定義為: 火焰覆蓋推進(jìn)劑面積S1與推進(jìn)劑面積S0之比。需注意的是,若火焰比推進(jìn)劑高,那么H=H0-h1,則點(diǎn)火面積有效因子ξ的關(guān)系式如下所示:

(1)

ξ越接近1,則表明點(diǎn)火有效面積越大,適當(dāng)減小點(diǎn)火具高度和推進(jìn)劑內(nèi)徑也可使得推進(jìn)劑更加符合幾何燃燒定律。為分析點(diǎn)火具的點(diǎn)火性能,可用點(diǎn)燃時(shí)間與點(diǎn)火面積有效因子之比t/ξ來(lái)表示,t/ξ越小,點(diǎn)火具的點(diǎn)火性能越好。針對(duì)某火炮底排彈配套用制式藥柱,其內(nèi)徑為d0=41.5 mm,高H0=100 mm,則1#～6#點(diǎn)火具的點(diǎn)火面積有效因子ξ如表3所示。對(duì)于MT點(diǎn)火具,3#點(diǎn)火具性能最優(yōu),且點(diǎn)燃時(shí)間最短。而以Ba(NO3)2為點(diǎn)火藥的6#點(diǎn)火具雖然點(diǎn)火有效面積較大,但點(diǎn)燃時(shí)間也較長(zhǎng),致使其整體點(diǎn)火性能較弱。

圖5 推進(jìn)劑點(diǎn)火示意圖

Fig.5 Schematic diagram of ignition to propellant

表3 1#～6#點(diǎn)火具點(diǎn)火性能評(píng)估

Table 3 Ignition performance evaluation of igniter 1#-6#

No．1#2#3#4#5#6#ξ0．5880．6110．6160．5590．5990．614t/ξ1．631．310．912．432．142．12

2.3.2 溫度分布特性

圖6為1#～6#點(diǎn)火具在大氣中燃燒的火焰紅外熱像圖。由于紅外熱像儀測(cè)溫方式為非接觸式,燃燒流場(chǎng)外圍的低溫區(qū)未能捕捉,所以取高于500 ℃的溫度區(qū)域。實(shí)驗(yàn)表明,點(diǎn)火具燃燒流場(chǎng)的最高溫度區(qū)都位于近噴孔區(qū)域,鎂含量越大,火焰溫度越低,點(diǎn)火具噴孔直徑并不會(huì)影響火焰溫度大小,但會(huì)影響火焰高度。6#點(diǎn)火具的火焰溫度最高,火焰高度最大。1#～6#點(diǎn)火具燃燒基本穩(wěn)定時(shí)的火焰溫度如表4所示。

表4 1#～6#點(diǎn)火具燃燒火焰溫度

Table 4 Combustion flame temperature of igniter 1#-6#

No．1#2#3#4#5#6#T/℃2132．61956．41812．81956．41812．83243．3

圖6 1#～6#點(diǎn)火具火焰紅外熱像圖

Fig.6 Flame infrared thermal images of igniter 1#-6#

3 數(shù)值模擬

3.1 數(shù)理模型

以MT點(diǎn)火具為例,數(shù)值分析質(zhì)量比和孔徑對(duì)其穩(wěn)定燃燒擴(kuò)展性能的影響。針對(duì)MT點(diǎn)火具在大氣中的燃燒射流特性,對(duì)其噴射燃燒過(guò)程作如下假設(shè): 不考慮凝聚相粒子影響,固相蒸發(fā)、分解僅產(chǎn)生Mg蒸氣和C2F4,作為氣相初始反應(yīng)物; 多股燃?xì)馍淞鳛椴豢蓧豪硐霘怏w射流,作定常流動(dòng); 只考慮射流混合氣內(nèi)部組分反應(yīng),忽略與大氣反應(yīng); 多組分氣體化學(xué)反應(yīng)速率遵循Arrhenius定律[13]。

根據(jù)上述物理模型,建立如下三維定常流動(dòng)燃燒基本控制方程:

(1)連續(xù)性方程

(2)

式中,V是速度矢量,m·s-1;ρ是混合氣體密度,kg·m-3。

(3)

式中,p是壓力,Pa;R是通用氣體常數(shù),8.314 J·mol-1·K-1;T是溫度,K;Yi為組分i的質(zhì)量分?jǐn)?shù);Mi是組分i的摩爾質(zhì)量。

(2)動(dòng)量方程

(4)

式中,下標(biāo)j和k取值范圍是(1,2,3);μ是分子動(dòng)力粘度,N·s·m-2;μt是湍動(dòng)粘度,N·s·m-2。

(3)能量方程

(4)

式中,λ是氣相傳熱系數(shù),W·m-1·K-1;cp是氣相混合物比熱容,J·kg-1·K-1;σT為湍流Prandtl數(shù);ST為能量源項(xiàng),W·m-3。

(6)

(4)組分輸運(yùn)方程

(7)

式中,由于∑iYi=1,所以只需求解n-1種成分; Ri為系統(tǒng)內(nèi)部單位時(shí)間內(nèi)單位體積通過(guò)化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的該組分的質(zhì)量,即凈產(chǎn)生速率,kg·m-3·s-1; Ji為組分i的擴(kuò)散通量,mol·m-2·s-1,由濃度梯度產(chǎn)生。

(8)

式中,Di,m是組分i的質(zhì)量擴(kuò)散系數(shù),m2·s-1; Sct是湍流施密特?cái)?shù)。

以雷諾平均兩方程Realizablek-ε模型來(lái)模擬流場(chǎng)中的湍流效應(yīng)[14],方程如下:

湍流動(dòng)能方程

(9)

湍流耗散率方程

(10)

(8)式～(9)式中,σk=1.0,σε=1.2,C2=1.9

式中,Gk是由于平均速度梯度引起的湍動(dòng)能k的產(chǎn)生項(xiàng); σk和σε分別是與湍動(dòng)能k和耗散率ε對(duì)應(yīng)的Prandtl數(shù)。

3.2 反應(yīng)動(dòng)力學(xué)機(jī)理

Deyong[15]提出的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)機(jī)理共有18步反應(yīng),如果以這種復(fù)雜的反應(yīng)機(jī)理耦合湍流模型來(lái)數(shù)值模擬,計(jì)算的代價(jià)比較大,所以有必要對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)化。根據(jù)Christo[13]對(duì)MT氣相混合組分反應(yīng)動(dòng)力學(xué)敏感性分析可知: 鎂Mg主要通過(guò)與CF2反應(yīng)生成MgF2而消耗,F對(duì)Mg的氧化微乎其微,可以忽略; 同時(shí),火焰溫度不僅與四氟乙烯C2F4的分解有很大關(guān)系,碳的結(jié)合反應(yīng)2C=C2對(duì)其也有很大影響,其余高碳反應(yīng)影響甚微,可不作考慮,故MT氣相組分燃燒模型可簡(jiǎn)化成表5所示的三步主要反應(yīng)。

表5MT組分反應(yīng)動(dòng)力學(xué)機(jī)理

Table 5 The kinetic mechanism of reactions for MT composition

stepK=ATbexp-E/RT()reactionsA/mol·cm·s·KbE/J·mol-11C2F4+M=2CF2+M7．82×10150．52．33×1052Mg+CF2=MgF2+C4．00×10140．58．37×10432C=C21．80×1021-1．60．0

為驗(yàn)證三步簡(jiǎn)化機(jī)理的合理性,分別以Deyong[15]提出的機(jī)理和三步簡(jiǎn)化機(jī)理計(jì)算了3#點(diǎn)火具0.1 MPa下零維完全攪拌反應(yīng)器(PSR)內(nèi)主要組分的濃度變化,如圖7所示。由圖7可知,以三步簡(jiǎn)化機(jī)理預(yù)測(cè)主要成分的摩爾分?jǐn)?shù)是可信的,雖然簡(jiǎn)化機(jī)理的反應(yīng)時(shí)間延遲了7 μs,但湍流特征時(shí)間尺度約為10-3s,對(duì)于流動(dòng)與化學(xué)反應(yīng)耦合,Da數(shù)約為103,所以相對(duì)于湍流，化學(xué)反應(yīng)足夠快,故反應(yīng)延遲時(shí)間影響可忽略。這里采用渦耗散概念(EDC)模型[16],在湍流流動(dòng)中耦合反應(yīng)動(dòng)力學(xué)機(jī)理。

圖7 Deyong機(jī)理與三步機(jī)理主要組分摩爾分?jǐn)?shù)比較

Fig.7 Comparison of mole fraction for major species between Deyong and 3-step mechanisms

3.3 計(jì)算域和邊界條件

假定燃燒流場(chǎng)為三維對(duì)稱結(jié)構(gòu),為減小計(jì)算負(fù)擔(dān),參照實(shí)驗(yàn)尺寸,取六分之一流場(chǎng)為數(shù)值模擬的計(jì)算域,如圖8所示,徑向250 mm,軸向1000 mm。點(diǎn)火具噴孔為速度入口邊界,其他三類邊界分別是燃?xì)獾某隹趬毫吔?、無(wú)滑移絕熱壁面邊界以及對(duì)稱邊界。開(kāi)始時(shí)計(jì)算域內(nèi)燃燒射流未噴出,因此初始化為大氣環(huán)境參數(shù):T=T0=300 K,p=p0=101325 Pa。入口邊界速度值由實(shí)驗(yàn)確定,即V=V0=10 m·s-1,燃?xì)馊肟跍囟葹榇髿鈮合翸g的沸點(diǎn)[17],T=T1=1366 K。采用分塊結(jié)構(gòu)網(wǎng)格對(duì)計(jì)算域進(jìn)行離散,點(diǎn)火具上方計(jì)算區(qū)域作加密處理,并通過(guò)了網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證,網(wǎng)格數(shù)為41萬(wàn)。

圖8 計(jì)算域和邊界條件

Fig.8 Computational domain and boundary conditions

3.4 模擬結(jié)果與分析

以孔徑為6.5 mm的MT點(diǎn)火具4#和5#為模擬對(duì)象,分析點(diǎn)火具的燃燒射流場(chǎng)結(jié)構(gòu),以及點(diǎn)火劑質(zhì)量比對(duì)燃燒場(chǎng)特性參數(shù)分布的影響。以5#點(diǎn)火具為例,圖9為x-z和y-z截面上的溫度分布云圖,d為點(diǎn)火具噴孔直徑。火焰最高溫度區(qū)均位于噴孔近場(chǎng),等溫線分布表現(xiàn)出多股射流會(huì)聚和聯(lián)合的結(jié)構(gòu)特征。隨著往下游發(fā)展,溫度邊界向兩側(cè)擴(kuò)展,火焰溫度逐漸降低。對(duì)計(jì)算域進(jìn)行復(fù)制旋轉(zhuǎn)等后處理可得點(diǎn)火具燃燒全場(chǎng)參數(shù)分布,燃燒流場(chǎng)中,火焰溫度為1000 K和2200 K時(shí)的三維溫度等值面圖,如圖10所示。由圖10可知,溫度等值面呈圓錐形態(tài),最高溫度區(qū)分布在每個(gè)噴孔的勢(shì)流核上方。六股燃燒射流匯聚,最后聯(lián)合成一股,從而表現(xiàn)出單股自由射流特征。

圖9 5#點(diǎn)火具燃燒場(chǎng)x-z和y-z截面溫度分布云圖

Fig.9 Temperature distributions inx-zandy-zsections in combustion field for igniter 5#

圖10 5#點(diǎn)火具燃燒場(chǎng)三維溫度等值面

Fig.10 Three-dimensional temperature iso-surfaces in combustion field for igniter 5#

孔徑為6.5 mm,不同質(zhì)量比MT點(diǎn)火具燃燒射流場(chǎng)中,x-z剖面上縱向最高火焰溫度分布曲線,如圖11所示。在z/d=5～7段,火焰溫度最大值急劇升高,并于z/d=7處達(dá)到最高值,可見(jiàn)六股射流會(huì)聚開(kāi)始時(shí)就發(fā)生化學(xué)反應(yīng),燃燒所產(chǎn)生的熱量通過(guò)熱對(duì)流向燃燒流場(chǎng)中心軸線方向傳遞,中心軸向火焰溫度迅速升高。隨著向下游發(fā)展,火焰最高溫度先快速降低再緩慢衰減,表明燃燒主要發(fā)生在近噴孔區(qū)域。鎂質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.45～0.61時(shí),鎂含量越小,燃燒流場(chǎng)火焰溫度越高。所得結(jié)論與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。

圖11 孔徑為6.5 mm的燃燒場(chǎng)x-z截面縱向最高火焰溫度分布

Fig.11 Longitudinal maximum flame temperature distribution inx-zsection in combustion field for orifice diameter as 6.5 mm

點(diǎn)火藥劑質(zhì)量比一定(61∶39),MT點(diǎn)火具不同孔徑時(shí),3#和5#點(diǎn)火具燃燒場(chǎng)中心軸線上火焰溫度分布如圖12所示。由于六股燃燒射流匯聚,兩者燃燒流場(chǎng)中心軸線上溫度均是先升高再衰減,且都是在位移約8 cm處達(dá)到峰值。點(diǎn)火具孔徑增大,燃燒流場(chǎng)中心軸線各處溫度升高,溫度梯度也增大,這是因?yàn)榭讖皆酱?每個(gè)孔的射流流量就越大,從而加強(qiáng)了摻混匯聚強(qiáng)度,導(dǎo)致熱對(duì)流越強(qiáng)烈。

圖12 3#和5#點(diǎn)火具燃燒場(chǎng)中心軸線溫度分布

Fig.12 Distribution of centerline temperature in combustion field for igniter 3#and 5#

4 結(jié) 論

實(shí)驗(yàn)觀測(cè)了不同點(diǎn)火藥劑和孔徑的點(diǎn)火具在大氣中的噴射燃燒過(guò)程,并對(duì)MT點(diǎn)火具的燃燒場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬,討論了MT質(zhì)量比和點(diǎn)火具孔徑對(duì)其燃燒射流擴(kuò)展特性的影響,計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)規(guī)律一致,可得以下結(jié)論:

(1)ZrH2/PbO2點(diǎn)火具燃燒無(wú)明顯火焰區(qū),通過(guò)灼熱粒子粘附于推進(jìn)劑表面,以熱傳導(dǎo)方式實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火,會(huì)嚴(yán)重破壞底排推進(jìn)劑的“平行層”燃燒規(guī)律,而MT和Ba(NO3)2點(diǎn)火具燃燒有明顯火焰區(qū),以熱對(duì)流和熱輻射方式對(duì)推進(jìn)劑點(diǎn)火,底排推進(jìn)劑燃燒更符合幾何燃燒規(guī)律。

(2)提出以點(diǎn)火有效因子ξ來(lái)表示推進(jìn)劑點(diǎn)火面積的有效程度,ξ越大,則表明點(diǎn)火具對(duì)推進(jìn)劑點(diǎn)火更可靠。結(jié)合點(diǎn)燃時(shí)間,綜合評(píng)估點(diǎn)火具的點(diǎn)火性能,發(fā)現(xiàn)MT質(zhì)量比為61∶39,孔徑為8 mm的點(diǎn)火具工作性能最優(yōu)。

(3)點(diǎn)火具燃燒場(chǎng)最高溫度區(qū)均位于噴孔近場(chǎng),且是在每個(gè)噴孔的勢(shì)流核上方。對(duì)于MT點(diǎn)火具,鎂質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.45～0.61時(shí),鎂含量越小,燃燒場(chǎng)火焰溫度越高; 點(diǎn)火具孔徑越大,多股燃燒射流匯聚時(shí),熱對(duì)流越強(qiáng)烈,燃燒場(chǎng)中心軸向溫度越高,溫度梯度越大。

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