某型坦克炮混合装药内弹道数值计算与安全性分析

摘要

新一代的大口径坦克炮为了追求穿甲弹弹丸炮口动能通常采用高能发射药及密实的混合装药结构，这就对火炮射击的安全性提出了挑战，特别是低温条件下由于可能存在的火药破碎燃烧会产生的重大的安全事故。本文以某型坦克炮的穿甲弹混合装药的内弹道安全性工程设计为背景，展开数值模拟与试验研究。
　　依据该型火炮点火和装药结构，建立了包含中心点火管在内的多种火药（粒状药、杆状药与管状药）混合装药内弹道双一维两相流数学模型。结合装药的点火、燃烧过程，对其内弹道参量进行了数值模拟，给出了中心点火管内点火燃气的压力、速度等参量的分布和变化规律，并分析了混合装药条件下，膛内气相及各种火药颗粒相的参量分布和变化特征。
　　依据火药颗粒的燃烧机理，从微观角度对火药燃烧的化学反应过程进行了分析，将火药的燃烧简化为固相燃烧热分解和火药燃气间化学反应两类。将复杂的化学反应归并为火药初期分解反应、有关NO2还原反应、有关NO还原反应以及水煤气四类反应。采用化学流体动力学理论建立火药颗粒准稳态燃烧的数学模型。
　　基于火药颗粒的准稳态燃烧数学模型，采用CFD软件Fluent对简单形状的火药燃烧过程进行了数值计算，得到火药颗粒在燃烧过程中燃气组份形成和分解过程，并给出颗粒表面上的压力分布特征。通过火药颗粒燃烧过程表面参数的分布和变化规律分析，给出了颗粒表面不同空间的参量变化特征，为分析火药颗粒的受力及微观燃烧机理提供依据。
　　设计了火药颗粒受撞击挤压破碎的试验装置，试验研究了低温条件下火药颗粒的撞击破碎特征，对火药破碎后形成的破片质量分布进行分析，总结了火药颗粒破碎特征，对火药颗粒受撞击后的应力应变特性进行了分析，指出火药颗粒在超过屈服速度撞击下的破碎必然性。结合火药颗粒的破碎实验结果，通过设定不同的火药颗粒破碎条件下，对其内弹道过程进行了数值模拟，根据计算结果分析药粒破碎对弹道参量的影响。
　　论文通过理论分析、数值仿真和试验研究对复杂装药结构下的大口径坦克炮穿甲弹内弹道过程进行了研究，研究结果为其内弹道的装药安全性设计提供技术依据。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题研究的背景及意义

1．2 坦克炮发展概况

1．2．1 国外坦克炮发展现状

1．2．2 国内坦克炮发展现状

1．3 内弹道数值模拟研究

1．4 火药破碎的安全性研究

1．4．1 国外研究现状

1．4．2 国内研究现状

1．5 本文主要工作

2 大口径坦克炮双一维两相流数学模型

2．1 引言

2．2 基本假设

2．3 点火管内守恒方程

2．3．1 基本守恒方程组

2．3．2 守恒方程辅助表达式

2．4 主装药区混合装药守恒方程

2．4．1 基本守恒方程组

2．4．2 主装药床守恒方程辅助关系

2．5 辅助方程

2．5．1 状态方程

2．5．2 燃烧速率

2．5．3 形状函数

2．6 两相流内弹道数值求解方法

2．6．1 向量形式内弹道控制方程组

2．6．2 差分格式及稳定性条件

2．7 小结

3 大口径坦克炮穿甲弹内弹道数值计算及分析

3．1 引言

3．2 初始条件和边界条件

3．2．1 初始条件

3．2．2 膛底边界条件

3．2．3 弹底运动边界

3．3 数值计算结果及分析

3．3．1 点火管内参量变化规律

3．3．2 主装药区膛内参量分布和变化

3．4 小结

4 火药颗粒燃烧模拟及分析

4．1 引言

4．2 火药颗粒燃烧模型

4．2．1 火药燃烧机理

4．2．2 火药燃烧简化处理

4．2．3 气相化学反应动力学方程

4．2．4 守恒控制方程

4．3 CFD软件概述

4．3．1 基本思想

4．3．2 Fluent软件介绍

4．4 密闭容器内火药颗粒一维径向燃烧流动模拟

4．4．1 模型建立

4．4．2 网格划分

4．4．3 假设条件及结束点判定

4．4．4 计算参数

4．5 数值计算结果及分析

4．5．1 组分随时间的变化

4．5．2 压力随时间的变化和空间分布

4．5．3 燃烧结束点

4．6 小结

5 火药低温破碎试验及其对内弹道安全性分析

5．1 引言

5．2 火药颗粒破碎机理

5．3 火药颗粒低温破碎实验

5．3．1 试验装置

5．3．2 试验过程及结果分析

5．3．3 火药颗粒撞击受力及破碎应力特性分析

5．4 火药破碎对内弹道性能的影响

5．4．1 试验结果数据分析

5．4．2 火药破碎对膛内压力异常影响的数值模拟

5．4．3 数值结果

5．5 不同破碎应力条件下内弹道计算结果及分析

5．6 小结

6 论文总结与展望

致谢

参考文献