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    單模塊裝藥點(diǎn)傳火過程中藥粒散布模擬試驗(yàn)與仿真

    2020-08-10 06:43:42余永剛
    含能材料 2020年8期
    關(guān)鍵詞:藥盒裝藥模塊

    陳 安,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

    模塊裝藥是順應(yīng)火炮自動(dòng)裝填、提高射速、簡(jiǎn)化后勤供應(yīng)而產(chǎn)生的一種裝藥方式。它既能提高火炮武器系統(tǒng)的效率,又能改善后勤供應(yīng)條件。然而,在模塊裝藥點(diǎn)傳火過程中,模塊藥盒破裂后,藥粒會(huì)在藥室內(nèi)飛散運(yùn)動(dòng),最終在藥室內(nèi)形成一定的藥粒群分布形態(tài)。藥粒飛散形成的不均勻分布藥粒群發(fā)生燃燒時(shí)會(huì)導(dǎo)致炮膛內(nèi)產(chǎn)生初始?jí)毫Σǎ籼艃?nèi)壓力波過大,會(huì)導(dǎo)致制導(dǎo)彈藥失效,嚴(yán)重時(shí)會(huì)發(fā)生發(fā)射安全性事故。

    火炮點(diǎn)傳火過程中,發(fā)射藥粒散布形態(tài)對(duì)膛內(nèi)壓力波特性有重要影響。根據(jù)裝藥方式可將其大致分為兩方面:一方面,在傳統(tǒng)粒狀裝藥、藥包和藥筒裝藥方式中,曾思敏[1]利用脈沖X 射線攝影技術(shù)記錄了發(fā)射藥床運(yùn)動(dòng)過程中不同瞬間的分布情況,并通過研究發(fā)現(xiàn)藥床運(yùn)動(dòng)會(huì)對(duì)壓力波的形成和發(fā)展造成影響;East J L[2]和金志明[3-4]等對(duì)不同顆粒尺寸裝藥的點(diǎn)傳火過程進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)顆粒尺寸會(huì)影響發(fā)射藥床中顆粒密度分布,進(jìn)而影響發(fā)射藥床內(nèi)壓力波的傳播速度;肖正剛[5]、韓博[6]等分別對(duì)不同發(fā)射裝藥結(jié)構(gòu)的點(diǎn)傳火過程進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)通過合理設(shè)計(jì)傳火結(jié)構(gòu),可以減小發(fā)射藥床在點(diǎn)傳火過程中的運(yùn)動(dòng),減小發(fā)射藥床的著火延遲時(shí)間;張文星等[7]對(duì)埋頭彈內(nèi)彈道過程進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)擊發(fā)底火后火藥床在壓力梯度作用下會(huì)在膛內(nèi)運(yùn)動(dòng),并分析了內(nèi)彈道過程中的膛內(nèi)壓力波特性。另一方面,在模塊裝藥方式中,陸中兵等[8]針對(duì)大號(hào)裝藥,建立了兩相流內(nèi)彈道模型,認(rèn)為模塊破裂前發(fā)射藥粒在模塊藥盒內(nèi)隨模塊運(yùn)動(dòng),模塊破裂后發(fā)射藥粒在主裝藥區(qū)呈均勻分布狀態(tài),并結(jié)合模塊藥盒運(yùn)動(dòng)及發(fā)射藥粒分布分析了膛內(nèi)壓力波特性。趙毅[9]根據(jù)點(diǎn)傳火模擬試驗(yàn)建立了模塊裝藥點(diǎn)傳火兩相流數(shù)學(xué)模型,對(duì)模塊裝藥點(diǎn)傳火過程中傳火藥粒的流動(dòng)進(jìn)行了研究。王育維等[10]針對(duì)小號(hào)裝藥的雙元模塊裝藥,建立了雙一維兩相流內(nèi)彈道模型,將發(fā)射藥與可燃容器視為連續(xù)固體相介質(zhì),并將破裂后的可燃藥盒與發(fā)射藥床視為一個(gè)整體,對(duì)其整體運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析。

    目前,關(guān)于模塊裝藥的研究主要包括熱安全性[11]、裝藥結(jié)構(gòu)[12]、彈道性能[13-14]以及燃燒殘?jiān)男纬桑?5]等方面。而關(guān)于模塊裝藥點(diǎn)火燃燒過程中藥盒破裂、藥粒散布的理論模擬與實(shí)驗(yàn)診斷方面研究較少,相關(guān)內(nèi)彈道模型中涉及到模塊裝藥藥粒散布的模型還停留在簡(jiǎn)化假設(shè)上,即對(duì)模塊藥盒破裂后的發(fā)射藥顆粒和模塊藥盒均簡(jiǎn)化為擬流體進(jìn)行分析,且藥盒破裂后一般假定發(fā)射藥在藥室內(nèi)呈均勻分布或一定幾何分布。然而事實(shí)上,模塊裝藥點(diǎn)傳火過程中藥盒破裂后藥粒的最終分布形態(tài)是不均勻的,受多種因素影響而發(fā)生變化,它對(duì)膛內(nèi)壓力波有重要影響,而這類問題鮮有研究。為此,本研究以此為背景,設(shè)計(jì)了可視化點(diǎn)傳火試驗(yàn)平臺(tái),對(duì)模塊裝藥點(diǎn)傳火過程進(jìn)行試驗(yàn),對(duì)藥室內(nèi)藥粒分布形態(tài)進(jìn)行觀測(cè)。然后,基于氣相?顆粒相耦合方法,建立模塊裝藥點(diǎn)火、藥盒破裂及藥粒飛散的三維非穩(wěn)態(tài)氣固兩相流模型,預(yù)測(cè)單模塊裝藥不同初始裝填位置對(duì)其點(diǎn)傳火過程中藥粒散布形態(tài)的影響。

    2 試驗(yàn)部分

    2.1 試驗(yàn)裝置

    本次試驗(yàn)采用如圖1所示的可視化半密閉爆發(fā)器式點(diǎn)傳火平臺(tái),藥室直徑Φ135 mm、長(zhǎng)度500 mm。裝置上方的五個(gè)孔分別用來安裝壓力傳感器和定位銷;裝置右側(cè)裝有控壓膜片,保證藥室內(nèi)壓力不超過安全極限值。試驗(yàn)時(shí),利用機(jī)械作用使擊針撞擊藥室底部的底火,通過底火射流點(diǎn)燃模塊裝藥中心點(diǎn)火藥包,利用日本產(chǎn)FASTCAM Mini AX?50 高速攝像機(jī)拍攝模塊裝藥點(diǎn)火、藥盒破裂及藥粒飛散的全過程,拍攝速度為1000幀/s。

    圖1 可視化試驗(yàn)平臺(tái)Fig.1 Visualization experimental platform

    為保證模塊裝藥點(diǎn)傳火過程的安全性,采用部分模擬發(fā)射藥粒代替真藥粒,尺寸為Φ8 mm×13 mm 的圓柱形顆粒。圖2 為試驗(yàn)用模塊藥盒的實(shí)物圖,圖2a為模塊藥盒,內(nèi)裝有中心傳火管(管內(nèi)裝有14.2 g 黑火藥作為點(diǎn)火藥)、20 g 真火藥顆粒及600 g 模擬發(fā)射藥粒(二者體積比為1∶42),將藥盒端蓋安裝在盒體上,并用特制膠涂抹在藥盒與端蓋間隙中進(jìn)行密封及固定,成品如圖2b 所示。

    圖2 試驗(yàn)用模塊藥盒Fig.2 Experimental modular cartridge

    2.2 試驗(yàn)結(jié)果

    圖3為單模塊裝藥點(diǎn)傳火序列過程照片。由圖3可見,底火擊發(fā)產(chǎn)生射流火焰,點(diǎn)燃模塊藥盒可燃中心傳火管中的點(diǎn)火藥包,約6 ms 時(shí)火焰?zhèn)鞑ブ羵骰鸸苡叶耍糠指邷馗邏旱臍怏w和灼熱的黑火藥顆粒,沿傳火管向右側(cè)藥室噴出,如圖3b 所示,另一部分通過中心傳火管上的小孔噴入裝有火藥的模塊藥盒內(nèi),從而使藥盒內(nèi)火藥顆粒著火燃燒,模塊藥盒端面也著火燃燒,火焰同時(shí)向藥室徑向及藥室右側(cè)擴(kuò)展,同時(shí)噴至藥室右側(cè)的火藥顆粒開始燃燒,火焰向左傳播,如圖3c 所示,隨著火藥及模塊藥盒燃燒加劇,火焰逐漸充滿藥室,約60 ms 時(shí)(圖3e)燃燒最劇烈,此后藥室內(nèi)火焰逐漸衰減,如圖3f、3g 所示,直至1000 ms 時(shí)藥室內(nèi)燃燒基本結(jié)束。點(diǎn)傳火過程中模塊藥盒端蓋被高壓氣體沖開,部分藥粒及傳火管被高壓氣流沖至藥室右端。當(dāng)藥室右端控壓膜片附近的壓力達(dá)到設(shè)定值時(shí),破孔壓螺處的剪切膜片破裂,高溫高壓氣體從噴口噴出,使得藥室內(nèi)的壓力迅速降低,保證藥室內(nèi)最大壓力值在裝置承壓范圍內(nèi)。

    圖3h 表示1000 ms 時(shí)刻藥室內(nèi)基本燃燒結(jié)束時(shí)的觀察窗圖像。由圖3h 可見,將起始位置即零點(diǎn)設(shè)在藥室左端面,此時(shí)藥粒分布主要集中在整個(gè)藥室由左至右350~475 mm 區(qū)域(陰影區(qū)域),藥粒呈較規(guī)律的坡狀分布;在可觀察到的藥粒坡狀堆積區(qū)域等間距取6 個(gè)特征點(diǎn),分別測(cè)量其軸向位置(記為X1)和藥粒堆積高度(記為h1),即藥室內(nèi)相同軸向位置處藥粒堆積最高點(diǎn)與藥室最底面的高度差,結(jié)果見表1。

    圖3 模塊裝藥點(diǎn)傳火試驗(yàn)序列圖Fig.3 Sequence diagram of modular charging ignition and flame?spreading experiment

    表1 試驗(yàn)測(cè)得藥粒堆積高度Table 1 Gunpowder grains accumulation height measured in experiment

    3 理論模型

    模塊藥盒由藥盒盒體、藥盒端蓋以及中心傳火管三部分組成。其中,模塊藥盒各部件均由可燃材料制成,藥盒內(nèi)裝有火藥藥粒及模擬發(fā)射藥粒,中心傳火管內(nèi)放置傳火藥包,兩端用紙質(zhì)擋板密封。在模擬試驗(yàn)基礎(chǔ)上,建立模塊裝藥藥盒破裂及藥粒飛散的三維非穩(wěn)態(tài)氣固兩相流模型,并采用如下簡(jiǎn)化假設(shè):

    (1)點(diǎn)傳火藥燃燒產(chǎn)生的高壓燃?xì)鈮毫槎ㄖ?,通過等效方法考慮藥盒內(nèi)少量發(fā)射藥燃燒能量的貢獻(xiàn);

    (2)不考慮模塊藥盒與藥室內(nèi)徑的間隙,兩者作等直徑處理;

    (3)模塊藥盒破裂時(shí),藥盒端蓋先破開;

    (4)藥粒與藥粒,藥粒與藥室壁面間的碰撞均采用Hertz?Mindlin 無滑動(dòng)接觸模型;

    (5)由于藥粒飛散過程時(shí)間短暫,忽略氣相對(duì)藥粒的傳熱作用;

    (6)藥室內(nèi)點(diǎn)火燃?xì)馍淞鞯耐牧髁鲃?dòng)采用Realiz?ablek?ε湍流模型描述;

    (7)由于單模塊藥粒在藥室中相體積分?jǐn)?shù)約為8%(<12%),故不考慮藥粒對(duì)流體的作用[18]。

    3.1 氣相-固相藥粒耦合模型

    3.1.1 氣相控制方程[16]

    氣相質(zhì)量守恒方程:

    式中,Gk表示由于平均速度梯度引起的湍動(dòng)能變化,N·m;Gb是用于浮力影響引起的湍動(dòng)能變化,N·m;YM可壓縮湍流脈動(dòng)膨脹對(duì)總的耗散率的影響;C2和C1ε是常數(shù),σk和σε分別是湍動(dòng)能k及其耗散率ε的湍流普朗特?cái)?shù)。

    3.1.2 藥粒運(yùn)動(dòng)方程

    在藥室內(nèi)藥粒的運(yùn)動(dòng)根據(jù)牛頓運(yùn)動(dòng)定律將其分解為藥粒的移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)兩部分,其控制方程表示如下:

    式中,ms為藥粒的質(zhì)量,kg;Is為藥粒轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,kg·m2;Us為藥粒的速度,m·s-1;ωs為藥粒的角速度,rad·s-1;Ts為藥粒力矩,N·m;Fp(=-Vs?pf)為顆粒所受到流體作用的壓力梯度力,F(xiàn)g為顆粒所受重力Fg=msg,F(xiàn)c為藥粒與藥粒、壁面間的碰撞力,N。

    3.2 藥粒碰撞模型

    數(shù)值模擬研究中采用Hertz?Mindlin 無滑動(dòng)接觸模型[18]。其中,法向力Fn包含法向彈性力和法向阻尼 力;切 向 力Fτ包 含 切 向 彈 性 力和 切 向 阻 尼 力,切向力受庫倫摩擦限 制,其 中μs是靜摩 擦系數(shù)。表達(dá)式分別如下:

    4 數(shù)值模擬與分析

    4.1 計(jì)算模型

    運(yùn)用計(jì)算流體力學(xué)軟件FLUENT,結(jié)合離散元程序?qū)ξ挥诰嗨幨易蠖嗣鍸=40 mm 處的單模塊裝藥點(diǎn)火、破裂及藥粒飛散過程進(jìn)行了數(shù)值模擬。計(jì)算模型如圖4 所示,對(duì)此三維氣固兩相流問題采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。由于氣相與顆粒相耦合問題中網(wǎng)格尺寸須大于顆粒尺寸,故取網(wǎng)格尺寸為10 mm,共計(jì)15098 個(gè)網(wǎng)格單元,并經(jīng)過網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證。求解時(shí)選擇基于壓力求解器,壓力?速度耦合采用SIM?PLEC 模式,密度、壓力、動(dòng)量和能量方程均采用二階迎風(fēng)格式。時(shí)間步長(zhǎng)取1×10-5s,并經(jīng)過時(shí)間步長(zhǎng)無關(guān)性驗(yàn)證。

    圖4 計(jì)算模型結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic diagram of structure of calculation model

    通過數(shù)值模擬預(yù)測(cè)單模塊裝藥不同初始裝填位置對(duì)藥粒分布的影響(記藥盒底端面與藥室左端面的間距為L(zhǎng))。初始條件:氣固兩相速度均為0,藥室內(nèi)氣相壓強(qiáng)為一個(gè)大氣壓,初始溫度為300 K。邊界條件:藥盒及藥室壁面均為固定邊界,且各區(qū)域的氣相與固相交界面滿足溫度連續(xù),并通過自然對(duì)流的方式換熱,固壁采用無滑移邊界條件。

    計(jì)算過程中模塊裝藥結(jié)構(gòu)與物性參數(shù)如表2 所示,其中,D1和L1分別為圓柱形模塊藥盒的直徑和長(zhǎng)度,D2和L2分別為中心傳火管的直徑和長(zhǎng)度,D3和L3分別為模擬發(fā)射藥粒的直徑和長(zhǎng)度,模擬發(fā)射藥粒密度為ρ,模塊藥盒內(nèi)模擬發(fā)射藥??傎|(zhì)量為m。

    圖5 不同時(shí)刻藥室內(nèi)Y=0 截面的壓力分布Fig.5 Pressure distribution of Y = 0 section in the chamber at different times

    表2 模塊裝藥的結(jié)構(gòu)與物性參數(shù)Table 2 Structure and physical parameters of the module charge

    4.2 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

    4.2.1 藥粒飛散特性的計(jì)算結(jié)果與分析

    圖5 表示0.22~30 ms 內(nèi)不同時(shí)刻藥室內(nèi)Y=0 截面的氣相壓力云圖。由圖5 可知,在藥盒端蓋打開前,中心傳火管向藥盒內(nèi)輸入點(diǎn)火燃?xì)猓幒袃?nèi)壓力逐漸上升,同時(shí)經(jīng)中心傳火管向藥室內(nèi)輸入燃?xì)猓捎谀K盒空間較小,內(nèi)部壓力上升較快,約0.22 ms 即由0.1 MPa 上升至10 MPa,而藥室空間較大,壓力上升緩慢。當(dāng)模塊盒內(nèi)壓力上升至約10 MPa 時(shí),藥盒端蓋破開,此時(shí)藥盒端蓋左側(cè)壓強(qiáng)約為10 MPa,遠(yuǎn)高于其右側(cè)藥室的壓強(qiáng)(約1 MPa),藥盒內(nèi)燃?xì)庀蛩幒杏覀?cè)泄出,如圖5b 所示,一段時(shí)間后藥室內(nèi)會(huì)形成一個(gè)低壓區(qū)。如圖5e、5f 所示,傳火藥燃燒結(jié)束后藥室內(nèi)最大壓力不再上升,藥室內(nèi)最大壓差逐漸減小,壓力逐漸趨于均勻。

    不同時(shí)刻模塊裝藥點(diǎn)傳火過程中藥粒運(yùn)動(dòng)速度大小及藥粒飛散形態(tài)如圖6 所示。模塊裝藥點(diǎn)火破裂過程中,隨著中心傳火管向模塊藥盒內(nèi)輸入燃?xì)?,藥盒?nèi)產(chǎn)生壓力梯度,藥盒內(nèi)藥粒由于受到氣相壓力作用,沿徑向由內(nèi)向外逐漸獲得速度。藥盒端蓋瞬時(shí)打開后,端蓋兩側(cè)壓差約為9 MPa,附近藥粒在氣相壓力的作用下,獲得向右運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)。如圖6b 所示,約2 ms 時(shí)藥室內(nèi)藥粒速度達(dá)到最大值,約為93 m·s-1,此時(shí)藥室內(nèi)藥粒整體呈向右運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)。如圖6c 所示,10 ms 時(shí)部分藥粒運(yùn)動(dòng)到藥室右端并與壁面產(chǎn)生碰撞,速度迅速減小。此后,藥室內(nèi)的壓力梯度逐漸減小,較小的氣相壓力作用在藥粒上,不會(huì)改變其整體運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)。如圖6f所示,600 ms 時(shí)藥粒最大速度小于0.5 m·s-1,且僅剩約2%的顆粒在運(yùn)動(dòng),藥粒整體趨于靜止,可將這一時(shí)刻近似視為模塊裝藥點(diǎn)火、藥盒破裂后藥粒飛散的終態(tài),以此時(shí)刻的藥粒分布作為藥室內(nèi)藥粒的最終分布。

    圖6 不同時(shí)刻藥室內(nèi)的藥粒速度分布及飛散形態(tài)Fig.6 Velocity distribution and dispersion pattern of grains in the chamber at different times

    從圖6f 可處理得終態(tài)藥室內(nèi)藥粒數(shù)隨軸向位移的變化關(guān)系如圖7 所示。結(jié)合圖6f 可知,藥盒左側(cè)藥室內(nèi)無藥粒存在,終態(tài)藥室內(nèi)顆粒分布可以分為兩部分,一部分位于藥室軸向位置40~350 mm 區(qū)域內(nèi),藥粒呈水平分布且藥粒數(shù)較少,約為總數(shù)的1/10;另一部分在軸向位置350~500 mm 區(qū)域內(nèi),藥室內(nèi)藥粒主要集中在這一區(qū)域,藥粒呈坡狀分布,藥粒數(shù)隨軸向位置的右移而迅速增大。

    圖7 終態(tài)藥室內(nèi)藥粒數(shù)隨軸向位移變化Fig.7 Changes of the number of grains in the chamber with the axial displacement

    為了進(jìn)一步分析藥室內(nèi)藥粒質(zhì)量分布特性,選取圖6f 時(shí)刻藥室內(nèi)2 個(gè)代表性截面,分別為Y=0 和X=475 mm 截面,觀察其藥粒密度C(單位體積內(nèi)藥粒的質(zhì)量)的分布規(guī)律,如圖8 所示,由圖8 可見,終態(tài)藥室中藥粒分布在模塊藥盒及藥盒右側(cè)的藥室中,坡狀堆積相同軸向位置的藥粒中下部堆積密度要比堆積表面大,且隨著堆積高度變大,藥粒最大堆積密度也變大。

    圖8 終態(tài)藥室內(nèi)不同截面藥粒密度分布Fig.8 Grain density distribution at different sections

    4.2.2 模型驗(yàn)證

    由上述4.2.1 節(jié)數(shù)值模擬得到的藥室內(nèi)藥粒分布的正視圖如圖9 所示。在藥室軸向350~475 mm 區(qū)域內(nèi)的坡狀堆積藥粒群表面,取與試驗(yàn)所取特征點(diǎn)軸向位置相同的6 個(gè)點(diǎn),測(cè)量其藥粒堆積高度。將數(shù)值模擬得到的數(shù)據(jù)與表1 中實(shí)驗(yàn)測(cè)量值進(jìn)行對(duì)比,如圖10所示。由于試驗(yàn)過程中模擬發(fā)射藥粒及可燃藥盒燃燒會(huì)產(chǎn)生粘性物質(zhì)對(duì)藥粒分布產(chǎn)生影響,試驗(yàn)結(jié)束后藥室右側(cè)可能還存在有未完全燃燒的傳火管和藥盒端蓋,高速錄像拍攝的角度,會(huì)使藥粒分布觀測(cè)得到的數(shù)據(jù)產(chǎn)生一定誤差。綜合以上因素,估計(jì)試驗(yàn)測(cè)量誤差約為15%。將表1 中試驗(yàn)測(cè)得藥粒堆積高度與數(shù)值模擬得到的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,二者的平均誤差約為10.6%,說明數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)現(xiàn)象基本吻合,驗(yàn)證了計(jì)算模型是合理的。

    圖9 藥室內(nèi)藥粒分布正視圖(L=40 mm)Fig.9 Front view of granular distribution in the chamber(L= 40 mm)

    圖10 藥粒堆積高度測(cè)量值與計(jì)算值的比較Fig.10 Comparison of measured value and calculated value of the accumulation height of grains

    4.2.3 模塊裝填位置對(duì)藥粒分布特性的影響

    分別針對(duì)單模塊裝藥條件下四種不同裝填位置的模塊藥盒點(diǎn)火、破裂及藥粒飛散過程進(jìn)行數(shù)值模擬,四種計(jì)算工況分別為L(zhǎng)1=40 mm,L2=80 mm,L3=120 mm,L4=150 mm。

    圖11 為四種不同工況下藥室內(nèi)終態(tài)藥粒分布正視圖。可以觀察到模塊四種不同的初始裝填位置下,藥室中藥粒堆積均自左向右呈現(xiàn)兩種堆積形態(tài),分別為水平堆積和坡狀堆積。其中,水平堆積起始點(diǎn)隨裝填距離L的增大而向右移動(dòng),堆積厚度隨L的增大而增大,坡狀堆積高度均勻升高無特殊凸起或凹陷。為了更好地表示藥粒堆積特性,引入兩個(gè)特征參數(shù),分別為水平堆積軸向長(zhǎng)度(l)和坡狀堆積坡度角(α),對(duì)四種裝填工況下藥室內(nèi)終態(tài)藥粒堆積分布正視圖分別進(jìn)行測(cè)量,將測(cè)得數(shù)據(jù)整理得表3。由表3 可知,隨著裝填距離L由40 mm 增大到150 mm,水平堆積軸向長(zhǎng)度由269.5 mm 縮短為200.4 mm,坡狀藥粒堆積坡度角由25.03°降為21.31°,坡狀堆積變平緩。這是由于模塊裝藥點(diǎn)傳火過程中,模塊右側(cè)端蓋破裂瞬間,藥粒獲得的初始加速度基本相同,在短暫的加速過程中藥粒獲得一定的速度,在氣固兩相流場(chǎng)中藥粒平均速度沿程衰減。當(dāng)模塊初始裝填位置遠(yuǎn)離底火端時(shí),藥粒運(yùn)動(dòng)至藥室右端位移變小,到達(dá)右端時(shí)速度相對(duì)較大,與藥室端面碰撞后,反向運(yùn)動(dòng)的藥粒速度也相對(duì)較大,且由于反向藥粒數(shù)相對(duì)較多,這部分藥??煞聪蜻\(yùn)動(dòng)至藥室更遠(yuǎn)距離才散落下來。

    圖11 不同裝填位置下的終態(tài)藥粒堆積分布Fig.11 Distribution of grains under different working conditions

    表3 藥粒堆積特征參數(shù)Table 3 Characteristic parameters of accumulation of pro?pellant grains

    5 結(jié)論

    (1)基于設(shè)計(jì)的可視化半密閉爆發(fā)器式點(diǎn)傳火平臺(tái),試驗(yàn)表明,模塊裝藥點(diǎn)火、藥盒破裂及藥粒飛散過程結(jié)束后,藥室內(nèi)藥粒分布自藥盒底部向右呈現(xiàn)為水平堆積和坡狀堆積的組合形態(tài),水平堆積藥粒數(shù)量較少,坡狀堆積藥粒高度逐漸增大,直至藥室右端面附近達(dá)到最高。

    (2)在試驗(yàn)基礎(chǔ)上,基于氣相—顆粒相耦合方法,建立了三維非穩(wěn)態(tài)氣固兩相流模型,結(jié)果表明,藥室內(nèi)藥粒分布呈現(xiàn)水平堆積和坡狀堆積的組合形態(tài),水平堆積藥粒數(shù)約占總量的1/10。當(dāng)模塊藥盒初始裝填位置與藥室底火端距離由40 mm 增大到150 mm 時(shí),水平堆積軸向長(zhǎng)度由269.5 mm 縮短為200.4 mm,但水平堆積厚度增大,同時(shí)坡狀藥粒堆積坡度角由25.03°降為21.31°,坡狀堆積變平緩。模擬結(jié)果與試驗(yàn)觀測(cè)到的坡狀堆積形態(tài)基本吻合,表明該模型是合理的。

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