林長(zhǎng)津,王浩,朱晨光(.南京理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院,江蘇南京0094;.南京理工大學(xué)化工學(xué)院,江蘇南京0094)

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基于流動(dòng)與化學(xué)反應(yīng)耦合的鎂/聚四氟乙烯煙火劑二維燃燒模型及數(shù)值計(jì)算

林長(zhǎng)津1,王浩1,朱晨光2
(1.南京理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院,江蘇南京210094;2.南京理工大學(xué)化工學(xué)院,江蘇南京210094)

摘要:針對(duì)鎂/聚四氟乙烯(MT)煙火劑燃燒過程中湍流對(duì)燃燒的影響關(guān)系,建立流動(dòng)與化學(xué)反應(yīng)相耦合的二維計(jì)算流體力學(xué)模型,模擬不同質(zhì)量比MT煙火劑穩(wěn)態(tài)燃燒過程,獲得了燃燒場(chǎng)溫度、組分分布特性,并將計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)[10,16,18]值進(jìn)行對(duì)比。對(duì)比結(jié)果表明:燃燒場(chǎng)溫度上升段大約20 mm,這與文獻(xiàn)[10]實(shí)驗(yàn)值吻合較好,且溫升段距離與反應(yīng)機(jī)理C2F4+ M?2CF2+ M區(qū)域位置相對(duì)應(yīng);當(dāng)量質(zhì)量比為33/67的MT火焰溫度最高,與熱力計(jì)算結(jié)果相一致,隨著質(zhì)量比的增加,存在不完全反應(yīng);燃料Mg的消耗主要通過與CF2的氧化反應(yīng),Mg與F的反應(yīng)過程不能忽略,且隨著質(zhì)量比的增大,燃燒產(chǎn)物MgF的比例減少。

關(guān)鍵詞:兵器科學(xué)與技術(shù);鎂/聚四氟乙烯煙火劑;湍流燃燒;耦合;數(shù)值模擬

Key words: ordnance science and technology; Mg-Teflon pyrolant; turbulence combustion; coupling; numerical simulation

0　引言

鎂/聚四氟乙烯(MT)基煙火劑作為一種高能材料,能夠產(chǎn)生高溫火焰和高溫固體顆粒,同時(shí),它在紅外波段也具有高輻射能量,已在火箭發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火藥、紅外誘餌彈等方面得到廣泛應(yīng)用[1-7]。通常,在MT基煙火劑中加入氟橡膠(Viton)以提高混合物的均勻性,并保護(hù)鎂顆粒在存儲(chǔ)過程中不被氧化,也即所謂MTV煙火劑。除了優(yōu)越的性能輸出,它還具有良好的熱穩(wěn)定性,及對(duì)大多數(shù)軍事煙火材料的兼容性[8]。

MT基煙火劑是由鎂、聚四氟乙烯微粒以及黏合劑氟橡膠通過機(jī)械混合壓制而成,其燃燒屬于多組分非均相離散顆粒群的耦合燃燒,與一般的含能材料相比,其燃燒機(jī)理更加復(fù)雜。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者都曾對(duì)MT基煙火劑的燃燒特性進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究[1,9-13],包括動(dòng)態(tài)特性、光譜特性、熱力性能和產(chǎn)物分析。但是,理論研究相對(duì)較少。Ladouceur 等[14]針對(duì)鎂和聚四氟乙烯的燃燒反應(yīng)開展了動(dòng)力學(xué)模型數(shù)值模擬研究,利用參與反應(yīng)的化學(xué)組分、熱力學(xué)性質(zhì)、動(dòng)力學(xué)歷程以及速率常數(shù)等相關(guān)參數(shù),采用完全預(yù)混反應(yīng)的SANDLA編碼進(jìn)行計(jì)算。Deyong 等[15]基于MT煙火劑的動(dòng)力學(xué)模型,提出了18步反應(yīng)機(jī)理。Christo等[16]對(duì)上述MT煙火劑反應(yīng)動(dòng)力學(xué)機(jī)理進(jìn)行了敏感性研究,分析了影響燃燒產(chǎn)物和火焰溫度的主要因素,在組分均勻混合假設(shè)的基礎(chǔ)上,應(yīng)用完全攪拌反應(yīng)器(PSR)模型和預(yù)混模型模擬了MT煙火劑的燃燒過程。然而,在實(shí)際煙火劑氣相燃燒過程中,由于湍流的作用,各氣相組分是非均勻混合的,且與流體特性相關(guān),忽略湍流對(duì)煙火劑燃燒過程的影響會(huì)造成較大誤差。基于以上背景,本文建立了流動(dòng)與化學(xué)反應(yīng)相耦合的二維計(jì)算流體力學(xué)(CFD)模型,數(shù)值模擬了MT煙火劑的穩(wěn)態(tài)燃燒過程,獲得了流場(chǎng)溫度和組分空間分布特性。該方法在煙火劑數(shù)值模擬中的應(yīng)用,國(guó)內(nèi)外研究報(bào)道相對(duì)較少,且研究結(jié)果對(duì)深入認(rèn)識(shí)MT煙火劑的燃燒特性有一定的參考價(jià)值。

1　物理模型

根據(jù)Cudzilo等[17]提出的MT燃燒波結(jié)構(gòu),MT的多相燃燒分成:固相燃燒和氣相燃燒,如圖1所示。固相反應(yīng)區(qū)包括聚四氟乙烯的熱分解和鎂金屬顆粒的反應(yīng);氣相反應(yīng)區(qū)分為無(wú)氧區(qū)“a”和有氧區(qū)“b”,無(wú)氧區(qū)中,主要是均相反應(yīng)。由實(shí)驗(yàn)[8]可知,固相反應(yīng)區(qū)消耗少量混合物(約7.4%),產(chǎn)生足夠熱量供給聚四氟乙烯的熱分解和鎂金屬的液化或蒸發(fā),并為氣相區(qū)提供氣相反應(yīng)組分。

圖1　MT煙火劑燃燒示意圖Fig.1 Combustion of MT pyrolant

針對(duì)以上MT煙火劑燃燒結(jié)構(gòu)模型,提出以下基本假設(shè):

1)假設(shè)MT的固相反應(yīng),僅產(chǎn)生氣相產(chǎn)物四氟乙烯(C2F4),同時(shí)釋放的熱量使鎂金屬氣化;

2)氣相反應(yīng)機(jī)理采用Deyong等[15]提出的動(dòng)力學(xué)理論,氣相反應(yīng)速率遵循Arrhenius定律;

3)反應(yīng)區(qū)氣相產(chǎn)物近似作為理想氣體處理,忽略火焰輻射對(duì)燃燒反應(yīng)區(qū)的影響;

4)燃燒區(qū)氣體湍流模型采用Realizable k-ε模型。

2　數(shù)學(xué)模型

2.1控制方程

根據(jù)上述物理模型,建立二維定常流動(dòng)燃燒基本控制方程,具體如下:

1)連續(xù)方程:

式中:ρ是氣體混合物密度;y為軸向;r為徑向;υy為軸向速度;υr為徑向速度。

2)動(dòng)量方程:

式中:μ是粘性系數(shù);Fy和Fr分別為軸向和徑向上的體積力;Δ·v表示速度矢量的散度。

3)能量方程:

式中:p為壓力;T為溫度;ρi為i組分的密度;cp為比熱容;φ為耗散功;Vi為i組分的擴(kuò)散速度;Fi為i組分體積力;hi是i組分標(biāo)準(zhǔn)生成焓;wi是單位體積內(nèi)i組分的化學(xué)反應(yīng)速率。

4)組分輸運(yùn)方程:

式中:Yi是i組分質(zhì)量分?jǐn)?shù);Di為i組分?jǐn)U散系數(shù)。

2.2湍流和燃燒模型

湍流模型選用Realizable k-ε方法,方程如下:

式中:C1= max;C2= 1.9;η= (2Eij· Eij)1/2,Eij=;σk和σε分別是湍動(dòng)能k和耗散率ε的湍流普朗特?cái)?shù),σk= 1.0,σε= 1.2;Gk表示由于平均速度梯度引起的湍動(dòng)能;μt是湍流粘性系數(shù);E是總能量。

燃燒模型采用考慮18種詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)機(jī)理的動(dòng)力學(xué)理論,如表1所示。

表1　MT煙火劑的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)機(jī)理[15]Tab.1 Chemical kinetic mechanism of MT pyrolant

2.3網(wǎng)格劃分及初邊界條件

擬試樣藥柱尺寸為φ10 mm×20 mm,流場(chǎng)計(jì)算域?yàn)棣?00 mm×800 mm,初始條件p0= 1 atm,T0= 300 K,采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格,網(wǎng)格數(shù)為20 060,如圖2所示。試樣藥柱端面局部加密,最小體積10-6m3,作為氣相反應(yīng)區(qū)的質(zhì)量源項(xiàng),從藥柱端面輸入氣相反應(yīng)區(qū),進(jìn)口氣流速率為10 m/ s,溫度為1 366 K.

3　結(jié)果與討論

采用Fluent軟件,對(duì)鎂與聚四氟乙烯不同質(zhì)量比(當(dāng)量質(zhì)量比為33/67,典型誘餌劑質(zhì)量比為55/ 45,典型點(diǎn)火藥質(zhì)量比為61/39)的MT煙火劑穩(wěn)態(tài)燃燒過程進(jìn)行了數(shù)值模擬。

3.1溫度場(chǎng)分布特性

3種不同質(zhì)量比MT煙火劑燃燒溫度場(chǎng)云圖、徑向與軸向溫度分布分別如圖3～圖5所示。隨著質(zhì)量比的增大,溫度場(chǎng)高溫區(qū)逐漸縮小。溫度場(chǎng)云圖呈射流狀,由y =0.05 m與y =0.5 m徑向溫度分布對(duì)比可知,近表面處徑向溫度梯度較大。軸向溫度經(jīng)歷一段急劇升溫過程,在距離表面大約20 mm處達(dá)到最大值,這與Kubota[10]實(shí)驗(yàn)測(cè)得值大致吻合(20～25 mm);當(dāng)量質(zhì)量比為33/67 MT火焰溫度最高,這與熱力計(jì)算結(jié)果[18]相一致;軸向溫度進(jìn)入下降段,質(zhì)量比越大,溫度值下降越快。主要原因:可能與鎂、C2F4未完全反應(yīng)有關(guān)。由表2中3種質(zhì)量比MT反應(yīng)熱值,可以看出:當(dāng)量質(zhì)量比為33/67 時(shí),平均質(zhì)量單位時(shí)間反應(yīng)熱達(dá)到2.53 W,而當(dāng)質(zhì)量比為61/39時(shí),僅為0.45 W,說明混合物中存在未完全反應(yīng)。

圖2　網(wǎng)格劃分圖Fig.2 Mesh generation

根據(jù)Christo等[16]對(duì)溫度敏感性分析可知,與溫度相關(guān)反應(yīng)有:聚四氟乙烯的分解反應(yīng)C2F4+ M?2CF2+ M,對(duì)溫度影響較大,另外一個(gè)是C的結(jié)合反應(yīng)2C?C2.圖6所示為兩者反應(yīng)速率云圖,由圖6可見:C2F4+ M?2CF2+ M的反應(yīng)區(qū)域主要在燃燒表面上方20 mm內(nèi),這與圖3中溫度曲線溫升段距離相對(duì)應(yīng),進(jìn)一步說明C2F4+ M?2CF2+ M是決定反應(yīng)區(qū)溫度高低的主要因素。

圖3　3種不同質(zhì)量比MT煙火劑燃燒溫度場(chǎng)云圖Fig.3 Temperature contours of MT pyrolants with different mixing ratios

3.2組分分布特性

當(dāng)量質(zhì)量比為33/67的MT煙火劑中Mg反應(yīng)機(jī)理速率云圖、組分CF2和F質(zhì)量分?jǐn)?shù)軸向分布分別如圖7和圖8所示。由圖7和圖8可見:Mg反應(yīng)區(qū)域主要在燃燒表面上方20 mm內(nèi),Mg與F反應(yīng)速率較Mg與CF2反應(yīng)速率快,且反應(yīng)區(qū)域位置略高于后者,而組分CF2質(zhì)量分?jǐn)?shù)(主要由機(jī)理C2F4+ M?2CF2+ M)明顯高于F.可知:由于產(chǎn)生的組分F較少,Mg的消耗主要通過與CF2的氧化反應(yīng),這與Ladouceur等[14]的解釋相一致。

Mg的反應(yīng)產(chǎn)物為MgF和MgF2,不同質(zhì)量比MT產(chǎn)物組分MgF和MgF2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)體積總量如表3所示。由表3可見:隨著質(zhì)量比的增大,組分MgF和MgF2逐漸減少,MgF含量少于MgF2,但二者比值相差不大(＜10).因此,在Mg的消耗反應(yīng)中, Mg + F?MgF反應(yīng)機(jī)理不能忽略。兩者的比值隨著質(zhì)量比的增大而增大,側(cè)面說明:隨著質(zhì)量比的增大,組分MgF的生成量在減少。

圖4　徑向溫度分布圖Fig.4 Radial temperature profiles

圖5　軸向溫度分布圖Fig.5 Axial temperature profiles

表2　不同質(zhì)量比MT反應(yīng)熱Tab.2 The heat of reaction per unit time for MT pyrolants with different mixing ratios

圖6　影響溫度的兩個(gè)主要反應(yīng)機(jī)理反應(yīng)速率云圖Fig.6 Contours of reaction rates (Mechanism 1 and 15) having effects on temperature

表3　不同質(zhì)量比MT中產(chǎn)物組分MgF和MgF2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)體積總量Tab.3 The sum of mass fractions of MgF and MgF2in MT pyrolants with different mixing ratios

4　結(jié)論

本文建立了流動(dòng)與化學(xué)反應(yīng)相耦合的二維CFD模型,并對(duì)3種典型鎂與聚四氟乙烯質(zhì)量比(33/67、55/45、61/39)MT煙火劑穩(wěn)態(tài)燃燒過程進(jìn)行了數(shù)值模擬。根據(jù)模擬結(jié)果,可得如下結(jié)論:

1) 3種不同質(zhì)量比MT燃燒場(chǎng)溫度經(jīng)歷急劇升溫過程,在距離表面大約20 mm處達(dá)到最大值,這與實(shí)驗(yàn)測(cè)得值大致吻合(20～25 mm),且溫升段距離正好與反應(yīng)機(jī)理C2F4+M?2CF2+M區(qū)域位置相對(duì)應(yīng)。

2)當(dāng)量質(zhì)量比33/67 MT火焰溫度最高,這與熱力計(jì)算結(jié)果相一致,隨著質(zhì)量比的增加,存在不完全反應(yīng)。

圖7　Mg反應(yīng)速率云圖Fig.7 Contours of reaction rate of Mg

圖8　組分CF2和F質(zhì)量分?jǐn)?shù)軸向分布圖Fig.8 Mass fractions of species CF2and F in axial direction

3) Mg的消耗主要通過與CF2的氧化反應(yīng),而Mg與F的反應(yīng)過程不能忽略。Mg的反應(yīng)產(chǎn)物為MgF2和MgF,隨著質(zhì)量比的增大,組分MgF2和MgF逐漸減少,同時(shí)MgF的比例也在減少。

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2D Combustion Model and Numerical Simulation of Mg-Teflon Pyrolant Based on Flow-chemistry Coupling

LIN Chang-jin1, WANG Hao1, ZHU Chen-guang2
(1.School of Energy and Power Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, Jiangsu, China; 2.School of Chemical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, Jiangsu, China)

Abstract:A two-dimensional computational fluid dynamics(CFD) model for flow-chemistry coupling is established to analyze the influence of turbulence on the combustion of Mg-teflon (MT) pyrolant.The steady combustion of MT pyrolants with different mixing ratios was simulated, and the combustion temperature and composition distribution characteristics were obtained.The calculated results are compared with the values in Refs.[10,16,18].The compared results show that the rising step of temperature in the combustion field is about 20mm, which agrees well with the experimental data in Ref.[10].The distance of temperature rising step is corresponding to the reaction region of C2F4+ M?2CF2+ M.The highest temperature of MT pyrolant with equivalent mixing ratio (33/67) is consistent with the thermodynamic calculated result.With the increase in mixing ratio, the incomplete reaction happens.Mg is mainly consumed through its oxidizing reaction with CF2.The reaction of Mg with F cannot be neglected.The percentage of combustion product MgF reduces with the increase in mixing ratio.

作者簡(jiǎn)介:林長(zhǎng)津(1989—),男,博士研究生。E-mail: lin_changjin2014@ yahoo.com;王浩(1961—),男,研究員,博士生導(dǎo)師。E-mail: wanghao@ mail.njust.edu.cn;朱晨光(1967—),男,教授,博士生導(dǎo)師。E-mail: zhuchen1967@ gmail.com

基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51076066)

收稿日期:2015-04-22

DOI:10.3969/ j.issn.1000-1093.2016.02.014

中圖分類號(hào):TJ530.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):1000-1093(2016)02-0287-06