AP/HTPB底排药烤燃特性的实验研究和数值模拟

摘要

底排装置在外界热刺激下，存在意外引燃的危险性，不但使其丧失应有功能，而且会对人员和武器发射平台造成严重的损伤破坏。本文以底排装置的热安全性为工程背景，开展了高氯酸铵/端羟基聚丁二烯(AP/HTPB)底排药烤燃特性的实验和理论研究，获得底排药在不同加热环境下的烤燃响应时间、响应位置和响应温度等特性，并且研究了外界加热环境、装药尺寸和装药结构对其烤燃特性的影响。主要研究内容和成果如下: (1)AP/HTPB底排药热分析及烤燃特性的实验研究 首先采用热重分析法(TG-DTG)和差示扫描量热法(DSC)分别研究了升温速率为20℃/min和40℃/min时AP/HTPB底排药的热分解特性，实验结果表明:在TG-DTG试验中，当升温速率为40℃/min时，底排药的缓慢失重与瞬时失重的分界点、瞬时失重区间和平均失重速率均高于升温速率为20℃/min时的结果。DSC试验结果表明:当加热速率为20℃/min和40℃/min时，DSC曲线均出现一个小的吸热峰和一个“M型”的放热峰。结合实际的底排装置，抽取主要特性，设计并搭建了小尺度的AP/HTPB烤燃实验平台和测试系统，采用火烧加热形式对其进行烤燃实验。实验结果表明:针对实心圆柱形AP/HTPB底排药，快速和慢速烤燃响应时间分别为195s和1281.5s。针对圆环柱状AP/HTPB底排药，加热速率分别采用0.83K/s和0.33K/s时，烤燃响应时间分别为369s和840s。 (2)AP/HTPB底排药烤燃的理论模型及验证 在圆柱形和圆环柱状AP/HTPB底排药烤燃实验的基础上，建立了相应的二维简化模型，基于AP/HTPB底排药的两步烤燃反应机理，分别模拟计算了在本文实验工况下底排药的烤燃响应过程。计算结果表明:针对圆柱形AP/HTPB底排药，在快速烤燃条件下，监测点温度和烤燃响应时间的计算误差分别为0.67％和1.54％;在慢速烤燃条件下，其计算误差分别为1.45％和0.43％。针对圆环柱状的AP/HTPB底排药，当加热速率为0.83K/s和0.33K/s时，AP/HTPB烤燃响应时间的计算值分别为377.0s和849.5s，烤燃响应时间的相对误差不超过1％，同时监测点温度的计算值与实测值的相对误差不超过3％，验证了烤燃模型的合理性。 (3)圆环柱状AP/HTPB底排药的二维烤燃数值研究 针对实际底排装置，为满足工程简化的快速计算需求，建立二维圆环柱状AP/HTPB底排药的烤燃计算模型。基于底排药两步烤燃反应机理，分析在不同加热环境下底排药的烤燃特性。计算结果表明:AP/HTPB底排药发生烤燃响应的临界环境温度介于470K～475K。在慢速烤燃工况下，底排装置的烤燃响应区域发生在AP/HTPB底排药的内部，烤燃响应温度随着加热速率的升高总体呈下降趋势;在中速烤燃工况下，烤燃响应区域则出现在底排药的端面附近，并且贴近弹体炸药一侧，烤燃响应温度随加热速率的升高呈一定的波动性。在慢中速烤燃工况下，装药尺寸的变化对底排药烤燃响应位置的影响较小，并且底排药的烤燃响应时间随装药尺寸变化的规律一致，当装药孔径为43mm，装药长度从72mm增至90mm时，其烤燃响应时间明显减少，烤燃响应温度变化较大;当装药长度为72mm，内孔直径从43mm增至53mm时，底排药的烤燃响应时间呈缩短趋势，烤燃响应温度变化较小。在快速烤燃工况下，烤燃响应区位于底排药外表面靠近壳体一侧，烤燃响应温度则随加热速率的升高呈上升趋势，装药尺寸的变化对底排药烤燃响应特性的影响较小。底排药的烤燃响应时间随着加热速率的升高呈指数型减少。当底排装置处于火焰环境下时，底排药的烤燃形式多为中速和快速烤燃。 (4)三瓣式AP/HTPB底排药的三维烤燃数值研究 针对实际的底排装药结构，建立了三瓣式AP/HTPB底排药的三维烤燃计算模型，分析了在不同工况下底排药的烤燃响应特性。计算结果表明:三瓣式AP/HTPB底排药发生烤燃响应的临界环境温度介于470K～475K，与二维圆环柱状AP/HTPB底排药的临界环境温度一致。随着加热速率的增大，三瓣式底排药的烤燃响应位置从药柱内侧壁面附近逐渐沿狭缝腔向药柱外壁面移动，底排药的烤燃响应时间和烤燃响应温度随升温速率的变化规律总体上与二维圆环柱状AP/HTPB底排药大致相同。在外界加热环境相同的情况下，三瓣式底排药的烤燃响应时间比二维圆环柱状底排药的烤燃响应时间短。 针对三瓣式AP/HTPB底排药，当装药孔径为43mm，装药长度从72mm增加至90mm时，底排药的烤燃响应时间显著增长，同时在6K/h的加热速率下，底排药的烤燃响应位置变化最为明显，烤燃响应温度变化梯度最大;在其他慢中速加热速率下，装药长度对底排装置烤燃位置的影响较小。当装药长度为72mm，装药孔径从43mm增加至53mm时，在4.6K/h～6K/h下，底排药的烤燃响应位置发生了较大变化，其烤燃响应温度变化梯度较大;在其他慢中速加热速率下，底排药的烤燃响应温度随装药孔径的增大而降低。在相同烤燃形式下，底排药的烤燃响应时间随装药尺寸变化的规律一致。

目录

声明

摘要

图表目录

主要符号表

1绪论

1．1课题背景

1．2国内外研究现状

1．2．1烤燃实验研究

1．2．2烤燃数值模拟研究

1．2．3 AP／HTPB底排药的燃烧特性

1．3本文主要工作

2 AP／HTPB底排药热分析及烤燃特性的实验研究

2．1引言

2．2 AP／HTPB底排药的热分解特性研究

2．2．1 TG-DTG实验

2．2．2 DSC实验

2．3 AP／HTPB底排药烤燃特性的实验研究

2．3．1模拟实验装置设计

2．3．2试样制备

2．3．3实验仪器与测试方法

2．3．4实验结果与分析

2．4本章小结

3 AP／HTPB底排药烤燃的理论模型及验证

3．1引言

3．2物理模型

3．3数学模型

3．4计算域和边界条件

3．4．2圆柱形AP／HTPB烤燃实验模型

3．5计算方法及求解参数设置

3．6数学模型及验证分析

3．6．1圆环柱状底排药

3．6．2圆柱形底排药

3．6．3与国外实验数据对比

3．7本章小结

4圆环柱状AP／HTPB底排药的二维烤燃数值研究

4．1引言

4．2物理模型

4．3计算模型

4．3．1边界条件和初始条件

4．3．2计算域和计算方法

4．4恒温条件下底排药的烤燃特性研究

4．5不同加热速率下底排药的烤燃特性研究

4．5．1慢速和中速烤燃

4．5．2快速烤燃

4．6不同火焰环境下底排药的烤燃特性

4．7不同装药尺寸下AP／HTPB底排药的烤燃响应特性

4．7．1装药长度的影响

4．7．2装药孔径的影响

4．8本章小结

5三瓣式AP／HTPB底排药的三维烤燃数值研究

5．1引言

5．2物理模型

5．3计算模型

5．3．1烤燃反应模型

5．3．2网格无关性验证

5．3．3底排装置内部气体流动对烤燃特性的影响

5．4恒温条件下底排药的烤燃特性研究

5．5不同加热速率下三维底排药的烤燃特性研究

5．5．1慢速和中速烤燃

5．5．2快速烤燃

5．6不同火焰温度下底排药的烤燃特性研究

5．7不同装药尺寸下三瓣式AP／HTPB底排药的烤燃特性分析

5．7．1装药长度的影响

5．7．2装药孔径的影响

5．8本章小结

6结论与展望

6．1工作总结

6．2论文创新点

6．3工作展望

致谢

参考文献

附录