电热化学炮电增强燃烧理论及实验研究

来源 :南京理工大学 | 被引量 : 3次 | 上传用户:yangtianmei02
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本文基于密闭爆发器实验和电热化学发射实验,研究了等离子体增强燃烧效应,并建立了电热化学发射多维多相流内弹道模型。通过内弹道模型模拟分析了发射过程中膛内参数的变化。本文进行了如下实验与理论研究:  建立了考虑气相回流影响的中心杆式等离子体发生器瞬态时变模型。通过分析数值模拟所得的电流、电阻与实验所测值的均方差,验证了模型的精确性。由上述模型计算得到发生器工作过程中等离子体温度、速度、密度和压力。由计算所得等离子体参数可知:电爆炸后,等离子体速度为正,等离子体流入膛内;随着膛内压力的增加,出现膛内气相回流的现象。回流入发生器的气相与等离子体混合,使得等离子体温度下降,等离子体密度增加,发生器等效电阻上升。  对Woodley提出的等离子体作用下发射药燃速公式做了进一步改进,引入燃气压力变化速率的影响,提出了等离子体作用下固体发射药瞬态燃速公式。通过密闭爆发器实验研究等离子体对4/7高发射药的增强燃烧效应。实验中分别采用常规点火和等离子体点火,等离子体点火时改变输入发生器电功率和发生器与发射药间距,通过分析密闭爆发器实验中压力变化速率来研究等离子体的增强燃烧效应。发射药放置在同一位置时,发生器放电期间,压力变化速率与电功率成正比;放电结束后,压力变化速率值仍高于常规点火时。因此,在发生器放电期间和发生器放电结束后,等离子体对4/7高发射药均存在增强燃烧效应。缩短发生器与发射药距离和提高发生器的电功率均能提高压力变化速率,提升等离子体增强燃烧效果。建立了密闭爆发器燃烧模型,对密闭爆发器实验进行数值模拟研究,模型中分别采用Woodley的燃速公式和瞬态燃速公式。由实验数据拟合得4/7高发射药的电功率增强因子为0.005MW-1。分析计算所得压力均方差可知,采用瞬态燃速公式的计算结果受电功率变化、发生器与发射药间距变化的影响更小,计算准确度更高。  通过30mm电热化学发射实验和数值模拟研究了发射过程中等离子体增强燃烧效应。在采用中心杆式等离子体发生器的电热化学发射实验中,改变放电参数和装药量,分析初始参数变化对发生器电参数和内弹道参数的影响。同步放电时,随着输入发生器能量的增加,峰值压力和弹丸初速均增加;增加时序放电模块,可在控制峰值压力的条件下,提高弹丸初速;改变装药量对发生器工作状态影响很小;受膛内气固相的影响,中心杆式等离子体发生器电压的稳定性低于底喷式等离子体发生器;随着装药量增加,峰值压力不断增加,而弹丸初速的增加效果逐渐降低。分析电热化学发射中压力变化速率曲线时,忽略初始电磁干扰的影响。在压力上升阶段,压力变化速率曲线存在两个尖峰。首个尖峰主要受发生器电功率的影响,峰值随着电功率的增加而增大;第二个尖峰主要受发射药燃烧情况的影响,在同一电参数下,峰值随着装药量的增加而增大。建立电热化学发射集总参数模型来模拟30mm电热化学发射实验。模型中分别采用Woodley的燃速公式和瞬态燃速公式。对比计算所得压力的均方差和弹丸初速的相对误差可知,采用瞬态燃速公式的计算结果更贴近等离子体作用下发射药的实际燃烧过程。  根据电热化学发射内弹道模型,开发了两维固体发射药电热化学发射内弹道程序(2D-IB-SPETCG)。该程序可用于模拟采用底喷式和中心杆式等离子体发生器的电热化学发射过程。通过与实验对比,验证程序的模拟准确度。通过2D-IB-SPETCG模拟等离子体点火过程,分析采用底喷式和中心杆式等离子体发生器对膛内参数的影响。根据数值模拟结果,采用电能比和放电时序来分析电参数(输入电能、放电时序)和装药参数(装填密度、发射药弧厚)对膛内压力波的影响。得到控制膛内压力波峰值条件下,不同放电时序对应的可输入电能比:采用底喷式等离子体发生器时,同步放电条件下,可输入电能比在0.042内,时序放电条件下,可输入电能比与放电电流的底宽成正比,压力波首个负波幅值随着输入电能比的增加而提高,随着电流底宽的增加而降低;采用中心杆式等离子体发生器时,同步放电条件下,可输入电能比在0.11内,输入电能比的变化对首个负波幅值无明显影响,时序放电条件下,可输入电能比与放电电流的底宽成正比,压力波首个负波幅值随着输入电能比的增加而降低;在30mm电热化学炮中,发射药弧厚变化对压力波的影响可忽略不计。  通过实验和仿真研究了电热化学发射内弹道过程,为等离子体增强发射药燃烧效应提供了实验和理论依据,研究成果对电热化学炮的设计与优化具有重要的参考价值。
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