固体发射药燃速的等离子体增强机理及多维多相流数值模拟研究

论文摘要

本文以研究电热化学发射机理为目的，着重研究固体发射药在等离子体作用下的燃速增强效应以及电热化学炮内弹道过程的多维多相流问题。 本文主要工作有： (1) 利用密闭爆发器研究了多种制式及自研新火药在等离子体作用下点火和燃速电增强效应。等离子体点火密闭爆发器定容实验研究表明，通过对电能释放规律的控制，能有效调节火药的点火与燃烧过程。等离子体可以大幅度缩短点火延迟，并使得火药燃速显著增加。 (2) 密闭爆发器实验发现对不同种类及表面特性的火药存在放电期间电增强和放电后效期电增强两种电增强模式。后效期电增强又分为增长型和衰减型两种模式。这些发现为在适量电能下实现电热化学炮膛压的平台效应、提高弹道效率及初速奠定了理论基础。 (3) 对火药在等离子体作用下的燃速电增强现象的机理进行了解释。提出了对流和辐射传热对火药表层及深层燃烧特性的不同作用方式。在此基础上，着重分析了石墨涂层、包覆层、钝化层对火药燃烧特性的影响规律。 (4) 通过对常用的指数形式的燃速公式进行修正，提出了与温度和压力同时相关的燃速公式，较好地反映了火药在等离子体作用下的燃速规律。 (5) 对电热化学发射过程进行了瞬态多维多相流动数值模拟研究，得到了电热化学发射过程中多个参数的时变信息。同时，计算的膛压、初速、放电参数与实验基本符合。 (6) 在小口径电热化学发射装置上已成功地实现了超高速(约2200m／s)发射条件下的弹道指标一致性，一组多发实验的初速散布和膛压散布偏差均较小。 (7) 研究证实了高装填密度、等离子体发生器结构等因素对电热化学发射性能的影响。指明了进一步提高电热化学发射效率的技术途径。

论文目录

• 1 绪论
• 1.1 课题的背景及意义
• 1.2 国内外研究概况
• 1.2.1 密闭爆发器燃速电增强实验研究
• 1.2.2 发射实验中的电增强效应研究
• 1.2.3 等离子体与火药相互作用的基础研究
• 1.2.4 电热化学发射内弹道模型研究
• 1.3 本文的主要工作
• 2 火药燃速电增强的密闭爆发器实验研究
• 2.1 引言
• 2.2 密闭爆发器实验装置
• 2.3 实验数据处理方法
• 2.3.1 基本方程
• 2.3.2 火药燃速计算方法
• 2.3.3 压力变化率曲线的意义
• 2.4 等离子体点火性能分析
• 2.5 等离子体燃烧特性分析
• 2.5.1 等离子体对火药燃烧特性的影响
• 2.5.2 燃速电增强效应
• 2.6 等离子体作用下火药燃速公式
• 2.7 燃速电增强效应的机理分析
• 2.8 本章小结
• 3 电热化学发射实验中的电增强特性研究
• 3.1 引言
• 3.2 实验系统
• 3.3 典型实验结果
• 3.4 燃速分析
• 3.5 电热化学发射过程效率的分析
• 3.5.1 弹道效率分析
• 3.5.2 压力平台效应分析
• 3.6 电热化学炮电增强实验结果分析
• 3.6.1 不同火药对电增强效应的影响
• 3.6.2 装填密度对电增强的敏感性
• 3.6.3 不同等离子体发生器结构对电增强效应的影响
• 3.7 本章小结
• 4 电增强效应的多维多相流数值模拟研究
• 4.1 引言
• 4.2 膛内多相流动与燃烧模型
• 4.3 等离子体发生器模型
• 4.3.1 电爆炸模型
• 4.3.2 毛细管内等离子体流动模型
• 4.3.3 等离子体热力学及输运性质模型
• 4.4 等离子体射流积分近似数学模型
• 4.4.1 基本方程
• 4.4.2 求解方法
• 4.5 脉冲放电参数计算模型
• 4.6 数值计算方法
• 4.6.1 坐标变换
• 4.6.2 差分格式
• 4.6.3 边界条件
• 4.7 计算结果及分析
• 4.7.1 典型算例
• 4.7.2 电增强效应对发射性能的影响
• 4.8 本章小结
• 5 总结与展望
• 5.1 总结
• 5.2 展望
• 致谢
• 主要参考文献
• 攻读博士学位期间的主要成果