兩模塊裝藥點(diǎn)傳火過(guò)程及藥粒散布特性*

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）

隨著現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)對(duì)野戰(zhàn)火炮技術(shù)性能要求的日益提高，傳統(tǒng)的藥包裝藥和藥筒式裝藥已不能同時(shí)滿足火炮各裝藥號(hào)快速自動(dòng)裝填的要求，且勤務(wù)操作復(fù)雜、浪費(fèi)大。模塊裝藥技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，它可以滿足火炮各裝藥號(hào)自動(dòng)裝填的要求，提高火炮快速反應(yīng)能力，且模塊間具有互換性，簡(jiǎn)化裝藥組合方式，方便勤務(wù)管理。因此，模塊裝藥將逐步取代傳統(tǒng)藥包裝藥和藥筒式裝藥，成為大口徑火炮武器系統(tǒng)發(fā)射裝藥的發(fā)展方向[1]。

模塊裝藥點(diǎn)傳火過(guò)程對(duì)模塊裝藥燃燒穩(wěn)定性和火炮內(nèi)彈道穩(wěn)定性有重要影響。目前，關(guān)于模塊裝藥點(diǎn)傳火過(guò)程的研究主要分為試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬兩部分。實(shí)驗(yàn)研究方面，余斌[2]建立了點(diǎn)傳火試驗(yàn)系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)裝藥方式的金屬傳火管和可燃傳火管、模塊裝藥組合傳火管分別進(jìn)行模擬試驗(yàn)，測(cè)量裝置內(nèi)不同位置的壓力，并觀測(cè)傳火管破裂過(guò)程，經(jīng)對(duì)比發(fā)現(xiàn)模塊裝藥組合傳火管和傳統(tǒng)裝藥可燃傳火管承壓能力遠(yuǎn)低于金屬傳火管，模塊裝藥傳火管內(nèi)傳火藥的傳火速度僅為金屬傳火管的1/10。周瑤[3]設(shè)計(jì)了模塊裝藥點(diǎn)傳火模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，通過(guò)改變傳火通道直徑和傳火藥的種類及質(zhì)量，針對(duì)全裝藥開(kāi)展了6種點(diǎn)傳火結(jié)構(gòu)方案的模擬試驗(yàn)，測(cè)量藥室不同位置壓力，獲得傳火時(shí)間及傳火速度等參數(shù)，優(yōu)選出一種全裝藥的最佳點(diǎn)傳火方案。韓博等[4]設(shè)計(jì)了一種大口徑火炮模塊裝藥點(diǎn)傳火系統(tǒng)的模擬試驗(yàn)裝置，并對(duì)其進(jìn)行了驗(yàn)證試驗(yàn)，結(jié)果表明該模擬裝置可以對(duì)不同點(diǎn)傳火結(jié)構(gòu)工況進(jìn)行對(duì)比、篩選，并對(duì)大口徑火炮裝藥點(diǎn)傳火結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全評(píng)估具有指導(dǎo)作用。張洪林[5]基于上述試驗(yàn)裝置，分別對(duì)不同傳火管直徑的單模塊裝藥、三模塊裝藥及五模塊裝藥進(jìn)行了點(diǎn)傳火試驗(yàn)，結(jié)果表明單模塊裝藥時(shí)，傳火通道直徑變化對(duì)點(diǎn)傳火一致性影響不大；多模塊裝藥時(shí)，增大傳火通道直徑使得點(diǎn)傳火一致性變好。數(shù)值模擬方面，陸中兵等[6]針對(duì)模塊裝藥大號(hào)裝藥的點(diǎn)傳火過(guò)程建立了準(zhǔn)二維兩相流模型，分析了模塊運(yùn)動(dòng)情況和點(diǎn)傳火過(guò)程中膛內(nèi)壓力分布特性。趙毅[7]針對(duì)四模塊裝藥建立了點(diǎn)傳火一維兩相流模型，對(duì)藥室內(nèi)傳火藥粒運(yùn)動(dòng)、氣體速度分布及壓力分布等特性進(jìn)行了分析。王育維等[8]、Dong 等[9]為了研究雙模塊裝藥可燃容器能量、發(fā)射藥質(zhì)量及弧厚等對(duì)膛內(nèi)壓力波的影響，建立了雙一維兩相流內(nèi)彈道模型，對(duì)不同裝藥溫度和不同模塊藥盒的點(diǎn)傳火過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果表明高能量密度模塊藥盒由于燃速較快，會(huì)引起明顯的膛內(nèi)壓力波，p-t曲線存在明顯雙峰現(xiàn)象，高溫裝藥條件下壓力波更嚴(yán)重。

目前，關(guān)于模塊裝藥點(diǎn)傳火過(guò)程的試驗(yàn)研究，主要通過(guò)測(cè)量不同位置壓力變化特性來(lái)反映其點(diǎn)傳火性能，從而優(yōu)選出點(diǎn)傳火結(jié)構(gòu)參數(shù)。數(shù)值模擬方面，對(duì)藥盒破裂及藥盒破裂后發(fā)射藥粒分布的處理還停留在簡(jiǎn)化模型上，即認(rèn)為模塊藥盒瞬時(shí)破裂后發(fā)射藥粒立即形成一定固定堆積分布形態(tài)。然而，模塊裝藥點(diǎn)傳火過(guò)程中藥粒最終堆積是不均勻的且會(huì)受到模塊初始裝填位置等因素的影響，藥室中藥粒堆積形態(tài)決定膛內(nèi)起始?jí)毫Σǖ拇笮?。曾思敏[10]利用脈沖X 射線攝影技術(shù)及瞬態(tài)壓力測(cè)試系統(tǒng)，針對(duì)傳統(tǒng)裝藥方式，試驗(yàn)驗(yàn)證了該結(jié)論。Soper[11-12]通過(guò)雙閃光X 射線技術(shù)觀測(cè)了傳統(tǒng)裝藥藥粒床的速度分布及藥粒分布。East[13]、金志明[14]、宋明等[15]在此基礎(chǔ)上，對(duì)不同孔隙率裝藥在點(diǎn)傳火過(guò)程中產(chǎn)生的壓力波進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)裝藥孔隙率會(huì)對(duì)壓力波傳播速度產(chǎn)生影響。當(dāng)模塊裝藥采用小號(hào)裝藥，即裝填2～3個(gè)模塊時(shí)，由于裝藥量少，藥室自由空間較大，在點(diǎn)傳火過(guò)程中模塊藥盒破裂后藥粒會(huì)在藥室內(nèi)發(fā)生劇烈的飛散運(yùn)動(dòng)。藥粒運(yùn)動(dòng)過(guò)程中藥粒、壁面間的碰撞等因素會(huì)影響其最終堆積形態(tài)，形成具有強(qiáng)非均勻性的藥粒散布。這必然會(huì)導(dǎo)致能量源項(xiàng)在藥室中時(shí)空釋放的強(qiáng)脈動(dòng)性，使膛內(nèi)產(chǎn)生復(fù)雜的壓力波系，從而導(dǎo)致內(nèi)彈道穩(wěn)定性與發(fā)射安全性難以有效控制。因此，為了深入分析模塊裝藥膛內(nèi)起始?jí)毫Σㄌ匦裕芯績(jī)?nèi)彈道穩(wěn)定性的深層機(jī)理，首先必須了解點(diǎn)傳火過(guò)程中模塊裝藥藥盒破裂后藥粒的散布形態(tài)，而關(guān)于此方面的研究目前未見(jiàn)報(bào)道。為此，本文中設(shè)計(jì)了模塊裝藥可視化點(diǎn)傳火模擬試驗(yàn)裝置，借助高速攝像系統(tǒng)，研究單元模塊小號(hào)裝藥的兩模塊裝藥點(diǎn)傳火過(guò)程中藥盒破裂后藥粒散布形態(tài)等特性，并建立相關(guān)理論模型進(jìn)行數(shù)值模擬及驗(yàn)證。

1 可視化點(diǎn)傳火試驗(yàn)裝置

設(shè)計(jì)的模塊裝藥可視化點(diǎn)傳火模擬試驗(yàn)裝置如圖1所示，其中最大可承壓為46 MPa。藥室的前端為擊發(fā)機(jī)構(gòu)，兩側(cè)面開(kāi)有可視化窗口；藥室頂部開(kāi)有測(cè)壓孔，部分用于內(nèi)外筒定位，其余可安裝壓力傳感器；藥室后端破孔壓螺處放置控壓膜片，保證藥室內(nèi)壓力不超過(guò)安全極限值。利用高速攝像系統(tǒng)記錄可視化藥室內(nèi)模塊裝藥點(diǎn)傳火全過(guò)程，拍攝速率為1 000 s?1。

圖1 可視化點(diǎn)傳火試驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of an visual experimental device for ignition and flame propagation

單元模塊的組成如圖2所示。其中，圖2(a)為可燃傳火管及點(diǎn)火藥包，放置于藥盒中心孔。為了保證試驗(yàn)安全，試驗(yàn)中采用模擬發(fā)射藥和少量真藥混合裝填的方式，如圖2(b)所示。模擬發(fā)射藥粒外形與真藥粒相同，裝藥孔隙率與真實(shí)發(fā)射裝藥也相同。將少量真藥做成藥包纏繞在傳火管上，目的是讓它在藥盒內(nèi)燃燒，使模塊藥盒破裂。為了避免藥包本身對(duì)點(diǎn)傳火過(guò)程的影響，藥包采用透氣性較好的網(wǎng)狀紗布。裝好藥后將藥盒的端蓋膠封，并在傳火管兩端安裝密封片，裝配好的模塊藥盒如圖2(c)所示。

圖2 單元模塊的組成Fig.2 Composition of the unit module

2 結(jié)果與討論

兩模塊裝藥點(diǎn)傳火過(guò)程試驗(yàn)中，在使用相同的裝藥模塊條件下，僅變化模塊初始組合裝填位置。設(shè)計(jì)了兩種工況進(jìn)行試驗(yàn)，研究?jī)赡K裝藥不同初始組合裝填位置對(duì)點(diǎn)傳火過(guò)程中藥盒破裂及藥粒散布的影響。具體試驗(yàn)工況如表1所示，其中：以藥室底火側(cè)端面中心為起點(diǎn)，藥室軸向?yàn)閄軸，記X1為藥室內(nèi)模塊1底部位置，L為模塊1與模塊2間距，m1為單元模塊可燃傳火管內(nèi)點(diǎn)火藥包的質(zhì)量，m2為單元模塊內(nèi)真藥粒的質(zhì)量，m3為單元模塊內(nèi)模擬藥粒的質(zhì)量。

表1 模塊藥盒組合裝填參數(shù)Table 1 Filling parameters of the modular cartridge

圖3為工況1中兩模塊裝藥點(diǎn)傳火試驗(yàn)火焰?zhèn)鞑バ蛄?。由圖3可知，底火擊發(fā)后，火焰沿著可燃中心傳火管向前傳播，依次點(diǎn)燃兩個(gè)模塊藥盒內(nèi)的點(diǎn)火藥包。10 ms時(shí)，高溫高壓燃?xì)鉀_破模塊2右側(cè)密封片；20 ms時(shí)，火焰開(kāi)始從模塊2中心孔噴出，且兩藥盒間形成明亮的火焰面。此后，由于點(diǎn)火藥包在燃燒時(shí)被破壞，藥包內(nèi)的傳火藥粒隨高溫高壓燃?xì)庋刂行膫骰鸸芟蚯皣姵?，模塊2右側(cè)藥室內(nèi)火焰面自中心傳火管出口起，同時(shí)沿軸向與徑向向外擴(kuò)展，形成圖3(d)中的火焰面。隨著傳火藥燃燒逐漸結(jié)束，兩藥盒間火焰面及模塊2右側(cè)藥室火焰面先后減弱直至熄滅。此時(shí)，藥室左端模塊1 底部被點(diǎn)燃，火焰面向右擴(kuò)展，模塊1、模塊2藥盒及內(nèi)部真火藥逐漸被點(diǎn)燃，藥室內(nèi)火焰面由左向右快速傳播，約175 ms時(shí)充滿整個(gè)藥室。當(dāng)藥室中的壓力達(dá)到裝置破孔壓螺處控壓膜片的破膜壓力，火藥燃?xì)饧吧倭克幜男箟嚎讎姵觥?duì)比圖3(a)與圖3(g)，發(fā)現(xiàn)藥室中模塊2向遠(yuǎn)離底火端方向移動(dòng)。這是因?yàn)樵邳c(diǎn)傳火過(guò)程中，模塊1先被點(diǎn)燃，燃燒產(chǎn)生大量高溫高壓氣體，使得模塊2左側(cè)壓力大于右側(cè)，推動(dòng)模塊2向藥室右側(cè)運(yùn)動(dòng)。

圖3 點(diǎn)傳火試驗(yàn)中火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程（工況1）Fig.3 Flame propagation process in the ignition and flame spreading test under working condition 1

圖4為工況2兩模塊裝藥點(diǎn)傳火試驗(yàn)中火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程序列。由圖4可知，底火擊發(fā)后，首先點(diǎn)燃模塊1內(nèi)的點(diǎn)火藥包，部分灼熱傳火藥粒及高溫燃?xì)馔ㄟ^(guò)傳火管上的小孔噴入模塊藥盒內(nèi)，使藥盒內(nèi)發(fā)射藥粒及模塊盒體先后燃燒，另有部分傳火藥顆粒隨高溫高壓燃?xì)鉀_破模塊1右側(cè)密封片后向藥室噴出，藥室內(nèi)模塊1前后逐漸形成明亮火焰面。隨后，火焰擴(kuò)展至模塊2，并點(diǎn)燃點(diǎn)火藥包，50 ms時(shí)火焰從模塊2右側(cè)中心孔噴出，并在右側(cè)藥室內(nèi)同時(shí)沿軸向、徑向擴(kuò)展，約80 ms時(shí)基本充滿藥室，如圖4(e)所示。隨后，模塊2右側(cè)藥室內(nèi)火焰逐漸衰減，如圖4(g)所示。最后藥室左側(cè)兩模塊燃燒的火焰面向右擴(kuò)展至模塊2右側(cè)藥室，直至充滿整個(gè)藥室。當(dāng)藥室中的壓力達(dá)到藥室出口處控壓膜片的破膜壓力，火藥燃?xì)饧吧倭克幜男箟嚎讎姵觥?/p>

圖4 點(diǎn)傳火試驗(yàn)中火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程（工況2）Fig.4 Flame propagation process in the ignition and flame spreading test under working condition 2

根據(jù)試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果，發(fā)現(xiàn)兩工況下藥室內(nèi)最大壓力均出現(xiàn)在第一測(cè)壓通道（X=50 mm），最大壓力值約40 MPa，在藥室最大承壓范圍內(nèi)。對(duì)比兩種工況下的模塊裝藥點(diǎn)傳火過(guò)程中火焰?zhèn)鞑ヌ匦钥芍?，兩模塊裝填位置右移、兩藥盒間距增大后，點(diǎn)傳火過(guò)程中火焰?zhèn)鞑ブ聊K2中心傳火管右端面所需時(shí)間變長(zhǎng)，底部點(diǎn)火效應(yīng)明顯，點(diǎn)傳火一致性變差，容易形成壓力波。

圖5為工況2點(diǎn)傳火試驗(yàn)中模塊1后期運(yùn)動(dòng)過(guò)程序列。模塊藥盒及火藥燃燒一段時(shí)間后，藥室內(nèi)燃燒逐漸變?nèi)酰鹧嫠p過(guò)程中，模塊1受到左右兩端面的壓差作用，逐漸向右移動(dòng)，運(yùn)動(dòng)至藥室右端與模塊2緊鄰。

圖5 點(diǎn)傳火過(guò)程中模塊1運(yùn)動(dòng)序列（工況2）Fig.5 Sequence diagramsof the movement of module1 in theignition and flame spreading process under working condition 2

根據(jù)圖5得到模塊1在后期的位移時(shí)間關(guān)系，如圖6所示。對(duì)比兩工況下模塊1的運(yùn)動(dòng)情況可知，兩模塊裝藥裝填位置遠(yuǎn)離底火端，且模塊間距增大時(shí)，模塊1后期大幅運(yùn)動(dòng)階段的平均速度較低。

圖6 模塊裝藥點(diǎn)傳火過(guò)程中模塊1運(yùn)動(dòng)規(guī)律Fig.6 Movement law of module 1 in the ignition and flame spreading processof the modular charge

圖7為兩種試驗(yàn)工況下兩模塊裝藥點(diǎn)傳火過(guò)程中的壓力-時(shí)間（p-t）關(guān)系。兩種工況下試驗(yàn)裝置控壓膜片破孔壓力均設(shè)計(jì)為3 MPa。根據(jù)試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果，發(fā)現(xiàn)第一測(cè)壓通道（X=50 mm）壓力變化最具代表性，觀測(cè)分析其壓力曲線可知，兩模塊裝藥初始裝填位置遠(yuǎn)離底火端且模塊間距增大時(shí)，藥室內(nèi)壓力波動(dòng)性變大。工況1中最大壓力附近無(wú)明顯壓力波動(dòng)，工況2中最大壓力附近出現(xiàn)雙峰波動(dòng)現(xiàn)象，藥室內(nèi)壓力穩(wěn)定性較差，且兩工況下壓力最大值相差較大。

圖7 不同工況下模塊裝藥點(diǎn)傳火過(guò)程中壓力隨時(shí)間的變化Fig.7 Changes of pressure with timein the ignition processes of the modular charge under different work conditions

兩工況中壓力曲線差別較大的主要原因是：兩工況中兩模塊初始組合裝填位置不同，導(dǎo)致試驗(yàn)過(guò)程中兩模塊點(diǎn)傳火時(shí)間和燃燒狀況不一致。工況1中，約25 ms時(shí)火焰?zhèn)鞑ブ聊K2傳火管右側(cè)，燃燒逐漸增強(qiáng)，模塊2快速運(yùn)動(dòng)至藥室右端面，隨后控壓膜片才發(fā)生破裂，破孔發(fā)生短暫泄壓現(xiàn)象后迅速被傳火管、藥盒端蓋及模擬發(fā)射藥粒堵塞，之后未發(fā)生高溫高壓燃?xì)鈬姵龅默F(xiàn)象。由于藥室內(nèi)模塊盒和真火藥的燃燒，壓力一直上升至較高值，所以第一通道最大壓力可達(dá)約40 MPa。工況2中，兩模塊初始間距由10 mm 增大至50 mm，模塊裝藥點(diǎn)傳火一致性變差。約55 ms時(shí)火焰才傳播至模塊2傳火管右側(cè)，藥室內(nèi)燃燒逐漸增強(qiáng)，至250 ms時(shí)藥室內(nèi)燃燒最劇烈，隨后控壓膜片發(fā)生破裂，因泄氣通道未發(fā)生堵塞現(xiàn)象，藥室內(nèi)高溫高壓燃?xì)獠粩嗤ㄟ^(guò)噴孔噴出，藥室內(nèi)壓力迅速下降，導(dǎo)致燃燒反應(yīng)變?nèi)?，所以第一通道最大壓力僅為7.5 MPa。

工況1試驗(yàn)過(guò)程中兩個(gè)模塊藥盒僅端蓋被沖開(kāi)，盒體基本未發(fā)生破裂，藥粒隨兩個(gè)藥盒擠壓到藥室右端，藥?；疚瓷㈤_(kāi)。工況2 試驗(yàn)中，藥盒破裂面增大，模塊2底部、端蓋及模塊1端蓋全部破開(kāi)，藥室右側(cè)兩個(gè)模塊藥盒為連通狀態(tài)，模塊1 底部有小部分撕裂。工況2點(diǎn)傳火試驗(yàn)過(guò)程中模塊藥盒破裂后，模擬藥粒在高溫高壓燃?xì)獾淖饔孟驴焖傧蛩幨矣叶诉\(yùn)動(dòng)，達(dá)到藥室右端后部分藥粒通過(guò)破孔壓螺噴出藥室，剩余部分藥粒與藥室右端面發(fā)生碰撞速度減小，積聚在藥室右端面附近，隨后，在重力、氣體壓力等作用下形成一定分布。對(duì)工況2藥室內(nèi)最終藥粒堆積進(jìn)行測(cè)量，設(shè)藥室左端面中心為零點(diǎn)，藥室軸向?yàn)閄軸。藥粒最終分布于藥室軸向195～500 mm 區(qū)域。其中，藥室內(nèi)大部分藥粒分布于軸向310～500 mm 區(qū)域，大致呈陡坡?tīng)罘植?。在陡坡?tīng)疃逊e表面取5 個(gè)特征點(diǎn)，分別位于藥室軸向350、400、450、475、500 mm 處，測(cè)量其藥粒堆積高度，如圖8所示。由圖8可知，藥室右端面附近藥粒呈陡坡?tīng)钚螒B(tài)堆積，隨軸向位移增大，藥粒堆積高度h增加，在藥室右端面附近測(cè)得藥粒堆積高度約為76.2 mm，略高于藥室右端面中心點(diǎn)。

圖8 點(diǎn)傳火過(guò)程結(jié)束后藥粒沿藥室軸向的分布（工況2）Fig.8 Distribution of propellant grains along the axial direction of the chamber after ignition and flame spreading under working condition 2

3 理論模型及數(shù)值模擬

根據(jù)上述試驗(yàn)中工況2所用的兩模塊裝藥條件，基于CFD-DEM 方法，建立模塊裝藥藥盒破裂后藥粒散布的三維非穩(wěn)態(tài)氣固兩相流模型，并進(jìn)行如下簡(jiǎn)化假設(shè)：

（1）對(duì)模塊與藥室內(nèi)壁作等直徑處理；

（2）不考慮點(diǎn)火藥燃燒過(guò)程，點(diǎn)火壓力取為10 MPa；

（3）模塊藥盒按照試驗(yàn)觀測(cè)到的順序破開(kāi)；

（4）藥粒間及與壁面間的碰撞均采用Hertz-Mindlin 無(wú)滑動(dòng)接觸模型[16]；

（5）忽略氣相與藥粒相間的傳熱作用；

（6）用Realizablek-ε 湍流模型描述藥室內(nèi)的氣相湍流流動(dòng)。

3.1 氣相-顆粒相耦合模型

3.1.1氣相控制方程

氣相質(zhì)量守恒方程為：

氣相動(dòng)量守恒方程為：

氣相能量守恒方程為：

式中：φ為氣相體積分?jǐn)?shù)，ρg為氣體密度，vg為氣體速度，m˙in為氣體源相的質(zhì)量流率，p為氣體壓力，Mcp為輸入氣體增加的動(dòng)量，Eg為氣相總能量，Ein為輸入氣體的總能量，ρin為輸入氣體的密度。

3.1.2藥粒運(yùn)動(dòng)方程

平動(dòng)方程為：

式中：ms為藥粒的質(zhì)量，vs為藥粒的速度，F(xiàn)p為藥粒所受氣相作用力，F(xiàn)g為藥粒所受浮力與重力之和，F(xiàn)c為藥粒與藥粒、壁面間的碰撞力。

轉(zhuǎn)動(dòng)方程為：

式中：Is為藥粒的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，ωs為藥粒的角速度，Ts為藥粒碰撞時(shí)產(chǎn)生的扭矩，R i為藥粒質(zhì)心到接觸點(diǎn)的矢量，F(xiàn)τ,c為藥粒與藥粒、壁面間碰撞力的切向分量。

3.2 計(jì)算模型

采用Fluent 軟件與離散元程序結(jié)合，對(duì)模塊裝藥藥盒破裂后藥粒散布進(jìn)行數(shù)值模擬。對(duì)此三維氣固兩相流問(wèn)題采用如圖9所示的計(jì)算模型。數(shù)值模擬中，設(shè)藥室內(nèi)氣相及藥粒初始速度均為零，初始?xì)鈮簽?01 325 Pa，初始溫度為300 K。選擇基于壓力求解器求解，壓力-速度耦合采用SIMPLEC 模式，密度、壓力、動(dòng)量和能量方程均采用二階迎風(fēng)格式。計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)取2×10?5s。

圖9 模擬模型示意圖Fig.9 Simulation model

3.3 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

對(duì)圖9所示的計(jì)算模型采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行劃分，并選取3套網(wǎng)格驗(yàn)證網(wǎng)格獨(dú)立性?？紤]到FLUENT與離散單元程序的耦合中網(wǎng)格尺寸必須大于顆粒尺寸，現(xiàn)顆粒尺寸為8 mm，因而選取網(wǎng)格尺寸分別為9、10和16 mm，相應(yīng)稱為網(wǎng)格1、網(wǎng)格2和網(wǎng)格3。在圖9藥室中，選擇監(jiān)測(cè)點(diǎn)C（0.26，0，?0.045），使用這3套網(wǎng)格計(jì)算獲得溫度T隨時(shí)間t的變化曲線進(jìn)行對(duì)比。圖10為監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的T-t曲線，由圖10可知，網(wǎng)格尺寸對(duì)C點(diǎn)溫度影響較大。網(wǎng)格2與網(wǎng)格1相比，C點(diǎn)溫度平均誤差約為1.3%，網(wǎng)格3與網(wǎng)格1間的C點(diǎn)溫度平均誤差約為3.6%。網(wǎng)格2結(jié)果與尺寸最小的網(wǎng)格1結(jié)果基本一致，為提高計(jì)算效率，本文中采用網(wǎng)格2進(jìn)行后續(xù)計(jì)算。

圖10 不同網(wǎng)格尺寸計(jì)算得到的監(jiān)測(cè)點(diǎn)C 處溫度Fig.10 Temperature at monitoring point C calculated by using different grid sizes

3.4 數(shù)值計(jì)算結(jié)果與分析

針對(duì)圖9所示裝填條件下的兩模塊裝藥藥盒破裂后藥粒飛散過(guò)程進(jìn)行模擬，計(jì)算中藥室與模塊藥盒直徑均為135 mm，可燃中心傳火管直徑為30 mm。

圖11表示兩模塊裝藥點(diǎn)傳火過(guò)程中的藥粒運(yùn)動(dòng)過(guò)程。由圖11可知，傳火藥包被點(diǎn)燃后向藥盒內(nèi)輸入高溫燃?xì)?，模塊1與模塊2內(nèi)先后獲得高溫燃?xì)?，藥盒?nèi)壓力逐漸升高，藥粒由于受到氣相壓力作用，逐漸獲得加速度，藥盒內(nèi)靠近中心傳火管的部分藥粒首先被加速，并開(kāi)始運(yùn)動(dòng)。在0.50 ms時(shí)，藥室內(nèi)藥粒達(dá)到最大速度，約為36.9 m/s，如圖11(b)所示。模塊1端蓋瞬時(shí)破開(kāi)后，端蓋附近藥盒內(nèi)側(cè)壓力遠(yuǎn)高于藥盒外側(cè)，藥粒受到極大的氣相壓力作用，獲得向右運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)。隨后，模塊2端蓋破開(kāi)，端蓋附近藥粒也獲得向右運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，如圖11(c)所示。模塊2底部破開(kāi)時(shí)，模塊1內(nèi)的高溫高壓燃?xì)庖蚜魅胨幒虚g的區(qū)域內(nèi)，該區(qū)域內(nèi)壓力上升，模塊2底部?jī)?nèi)外兩側(cè)壓差較小，附近少量藥粒獲得向左運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，如圖11(d)所示。藥室內(nèi)呈現(xiàn)大量藥粒向右運(yùn)動(dòng)，極少量藥粒向左運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。此后，藥室內(nèi)的壓力梯度迅速減小，不會(huì)改變藥粒整體運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)。如圖11(e)所示，藥粒與藥室右端發(fā)生碰撞后速度迅速變小，逐漸堆積在藥室右端面附近。如圖11(g)所示，此時(shí)藥粒橫向速度較小，藥粒主要在重力的作用下向藥室底部散落。如圖11(h)所示，600.00 ms時(shí)約99%的藥粒均處于靜止?fàn)顟B(tài)，可將這一時(shí)刻的藥粒分布近似視為點(diǎn)傳火過(guò)程中藥粒的最終分布。

圖11 藥室內(nèi)的藥粒運(yùn)動(dòng)速度及位置分布Fig.11 Movement velocity and distribution of propellant grains in the charge chamber

圖12為數(shù)值模擬得到的終態(tài)藥室內(nèi)藥粒分布的正視圖，圖13為藥室內(nèi)藥粒坡?tīng)疃逊e規(guī)律試驗(yàn)測(cè)量值與計(jì)算值的對(duì)比。結(jié)合圖11(h)可知，藥室內(nèi)由左至右藥粒呈緩坡?tīng)疃逊e與陡坡?tīng)疃逊e的組合形態(tài)，陡坡?tīng)疃逊e坡度角約為23.4°。由于忽略模塊藥盒的移動(dòng)，計(jì)算中的水平堆積起始點(diǎn)較試驗(yàn)測(cè)量值左移，且藥室內(nèi)左側(cè)藥粒數(shù)較試驗(yàn)增多。與試驗(yàn)所取特征點(diǎn)相對(duì)應(yīng)，在藥室內(nèi)藥粒陡坡?tīng)疃逊e表面取5個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，與試驗(yàn)測(cè)量值進(jìn)行對(duì)比，右端2個(gè)點(diǎn)誤差較大，主要原因是計(jì)算中未考慮藥室右側(cè)控壓膜片破裂后的少量藥粒噴出，因此藥室右端藥粒堆積高度略高于試驗(yàn)測(cè)量值，總體上數(shù)值模擬與試驗(yàn)測(cè)量值的平均誤差約為10.9%，表明計(jì)算模型是合理的。另外，在點(diǎn)傳火試驗(yàn)過(guò)程中模擬藥粒及可燃藥盒燃燒會(huì)產(chǎn)生黏性物質(zhì)影響藥粒分布，藥室中可燃傳火管和藥盒端蓋未完全燃燒。上述因素均會(huì)使試驗(yàn)中藥粒分布的測(cè)量產(chǎn)生一定誤差。

圖12 終態(tài)藥粒散布正視圖Fig.12 Front view of propellant grain distribution

圖13 模擬與試驗(yàn)中陡坡?tīng)钏幜７植紝?duì)比Fig.13 Comparison of steep slope distributions of propellant grains between simulation and test

為分析藥室中陡坡?tīng)疃逊e的藥粒分布特性，選取600.00 ms時(shí)刻藥室內(nèi)陡坡?tīng)疃逊e區(qū)域等間距的6個(gè)截面（分別位于藥室軸向350、375、400、425、450和475 mm 處），分析藥室內(nèi)陡坡?tīng)钏幜６逊e密度D的分布特性。

圖14表示藥室內(nèi)陡坡?tīng)钏幜６逊e中垂直于X軸的不同截面處藥粒堆積密度分布。由圖14可知，相同軸向位置處的藥粒堆積表面藥粒分布較稀疏，且疏密度相差較小，但中下部藥粒堆積存在局部過(guò)疏或過(guò)密的現(xiàn)象，藥粒分布不均勻。隨著截面軸向位置右移，藥粒堆積高度增大，同一截面內(nèi)最大與最小藥粒堆積密度的差值增大。藥粒最大堆積密度約為1 000 kg/m3。

圖14 陡坡?tīng)疃逊e藥粒堆積密度分布Fig.14 Propellant grain density distribution

4 結(jié) 論

設(shè)計(jì)了模塊裝藥可視化點(diǎn)傳火試驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)不同初始組合裝填位置的模塊裝藥進(jìn)行了點(diǎn)傳火過(guò)程試驗(yàn)，分析了初始組合裝填位置對(duì)點(diǎn)傳火過(guò)程的影響。同時(shí)，針對(duì)兩模塊裝藥點(diǎn)傳火過(guò)程中藥粒散布問(wèn)題建立了三維非穩(wěn)態(tài)氣固兩相流模型并進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到以下結(jié)論。

（1）兩模塊裝藥整體裝填位置遠(yuǎn)離底火端且藥盒裝填間距變大時(shí)，兩模塊點(diǎn)傳火一致性變差，模塊藥盒破裂面增大，藥室內(nèi)右側(cè)兩個(gè)模塊藥盒為連通狀態(tài)，藥粒最終分布于藥室軸向195～500 mm 區(qū)域。其中，藥粒主要分布于藥室右側(cè)陡坡?tīng)疃逊e區(qū)域，陡坡?tīng)疃逊e沿軸向逐漸增高至藥室右端面達(dá)到最高。

（2）在試驗(yàn)基礎(chǔ)上，建立了兩模塊裝藥藥粒散布三維非穩(wěn)態(tài)氣固兩相流模型，并進(jìn)行了數(shù)值模擬，藥粒散布模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本吻合，表明該模型是合理的，在一定程度上反映了兩模塊藥盒破裂后藥粒的散布特性。其中，模塊裝藥點(diǎn)傳火過(guò)程中藥盒破裂后，約0.50 ms時(shí)飛散的藥粒達(dá)到約36.9 m/s的最大速度，藥粒運(yùn)動(dòng)基本結(jié)束后，呈緩坡?tīng)疃逊e與陡坡?tīng)疃逊e的組合形態(tài)，陡坡?tīng)疃逊e坡度角約為23.4°，藥室內(nèi)藥粒陡坡?tīng)疃逊e區(qū)域，中下部藥粒堆積密度存在局部過(guò)疏或過(guò)密現(xiàn)象，藥粒分布不均勻，藥粒最大堆積密度約為1 000 kg/m3。