CN106908482A - 一种提高火药燃烧产物导电特性装置及其电导率计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高火药燃烧产物导电特性装置，包括：空气加热室，其设置有连接管路，用于产生高温气体；粉体注入装置，其安装在所述连接管路上，用于将固体火药颗粒送入所述连接管路，并且在所述连接管路内高温气体与所述火药颗粒混合；多个喷枪，其同时连接所述连接管路；电磁铁，其连接所述连接管路，用于将所述固体火药颗粒进行燃烧；绝缘管，其连接所述连接管路，燃烧后的气体经过所述绝缘管进入导电测试装置；其中，所述固体火药颗粒中含有1％～5％的钾盐添加剂。本发明还公开了一种基提高火药燃烧产物导电特性装置的电导率计算方法。

Description

一种提高火药燃烧产物导电特性装置及其电导率计算方法

技术领域

本发明涉及火药燃烧气体研究领域，具体涉及一种提高火药燃烧产物导电特性装置及其电导率计算方法。

背景技术

磁流体发电是一种将化学能直接转化为电能的新型发电方式，具有启动快，无转动部件，效率高等优点。随着爆炸磁流体发电机的研究发展，国内外相关学者发现高能炸药在燃烧室内爆轰能够形成高温、高压等离子体，燃气具有良好的导电性。美国MHD公司在二十世纪六十年代研制了磁流体发电装置：在C4型复合药柱上加入电离种子，当外加磁场大小为2.8T时，装置的发电最大电流达到260kA。俄罗斯开展了RDX/TNT炸药爆轰产物导电性的研究，其最大电导率为2500S/m。北京理工大学实验测得TNT在密度为1.520g/cm³时燃气的最大电导率为18000S/m。

随着兵器科学技术的发展，利用火药燃烧后高温产物的导电特性，使化学能转化为电磁能，为高功率脉冲发电机或者电磁脉冲武器的实现提供了可能。因此，研究燃烧产物的导电特性，把握影响燃烧产物导电特性的因素和变化规律，对拓宽火药燃烧性能研究领域和提高磁流体发电机的能量转化效率具有重要的理论和应用价值。

对于空气而言，其电离电位较高，当温度小于2000K时气体几乎不具有导电性。火药燃气的温度通常只有3000K左右，因此，如何在较低的温度下使气体具有较高电导率是一个难点问题。

发明内容

本发明设计开发了一种提高火药燃烧产物导电特性装置，本发明的目的是解决了测试过程中电磁干扰以及高温气体与粉体充分混合均匀的问题。

本发明还设计开发了一种提高火药燃烧产物导电特性装置的电导率计算方法，通过计算能够得到电导率与其他参数的关系，准确计算出燃烧产物的电导率。

本发明提供的技术方案为：

一种提高火药燃烧产物导电特性装置，包括：

空气加热室，其设置有连接管路，用于产生高温气体；

粉体注入装置，其安装在所述连接管路上，用于将固体火药颗粒送入所述连接管路，并且在所述连接管路内高温气体与所述火药颗粒混合；

多个喷枪，其同时连接所述连接管路；

电磁铁，其连接所述连接管路，用于将所述固体火药颗粒进行燃烧；

绝缘管，其连接所述连接管路，燃烧后的气体经过所述绝缘管进入导电测试装置；

其中，所述固体火药颗粒中含有1％～5％的碱金属盐添加剂。

优选的是，还包括：

气控开关阀，其安装在所述空气加热室的出气口处；

质量流量计，其安装在所述气控开关阀与安装所述粉体注入装置的连接管路之间；

平台，其上通过喷枪支架固定所述喷枪，通过绝缘管支架固定所述绝缘管。

优选的是，所述绝缘管为石英玻璃绝缘管；以及

所述连接管路为DN10、PN10不锈钢管路。

优选的是，所述喷枪设置为3个。

优选的是，所述碱金属盐为碳酸钾。

一种提高火药燃烧产物导电特性装置的电导率计算方法，包括如下步骤：

步骤一、获取弹丸最大横截面积S，火药分裂之前的形状特征量χ、λ和μ，燃速系数u₁，次要功系数弹丸的质量m，药室自由容积缩径长l_ψ，火药力f，装药质量ω；

步骤二、建立火药燃烧方程组如下：

式中，ψ是火药已燃百分数；Z为火药相对已燃厚度；e₁为燃烧层厚度；p是火药燃气平均压力；l是弹丸行程；v是弹丸速度；

步骤三、对火药燃烧方程组进行求解，以时间t为自变量，获取p、l、ψ关于t的函数，进而计算燃气温度式中，R是气体常数；

步骤四、计算电子密度n_e

式中，E_i为电离种子的电离电位，g_o为原子基态的统计权重，g_i为离子基态的统计权重，m_e为电子质量，n_i为离子密度，n_o为电离种子的密度；其中，所述电离种子为碱金属盐，的值为1；其中，式中，n_k为电子种子的个数，V₀为火药燃烧室容积；

步骤五、计算电导率σ

优选的是，所述火药用量通过火药力进行控制，所述火药力的控制范围为850～1050KJ/kg。

优选的是，所述火药中碱金属盐添加含量的控制范围为1％～5％。

优选的是，在所述步骤二中，建立所述火药燃烧方程组时，初始取值为u₁＝7.6×10^-8m/(s·Pdⁿ)，ω＝0.116kg，f＝0.935KJ/kg，e₁＝0.0000528m，m＝0.39kg，S＝0.000738m²，θ＝0.2，λ＝0.1535，μ＝-0.04745，χ＝0.7874。

本发明与现有技术相比较所具有的有益效果：

1、本发明构建含钾盐添加剂的火药燃气热电离模型，能够准确计算出基于钾盐添加剂的提高火药燃烧产物导电特性的电导率计算方法，数值模拟了火药燃烧过程的压力、燃温等热力学变化过程，通过与试验膛压曲线进行对比，验证了模型的可靠性；

2、分析了不同火药力、燃烧室容积和钾盐含量变化对燃烧产物导电特性的控制影响，通过添加电离种子碳酸钾后能够使火药燃气具有较高的导电性，当碳酸钾含量在5％以内时，燃烧产物的电导率和电子密度随着钾盐含量增加而增加；火药力变化对燃气的导电特性具有较大影响，火药力的增加可以提高燃气温度，相应的增加燃气的电导率；在装药量不变的情况下，药室容积的增大能够使燃气保持较长时间的高温，减缓电子密度的下降趋势。因此，药室容积的扩大在一定程度上有助于提高燃气的导电特性；通过本发明所提供的计算方法对提高燃烧产物导电特性提供了理论支持。

附图说明

图1为本发明所述的主视结构示意图。

图2为本发明所述的俯视结构示意图。

图3为本发明所述的火药燃气热电离模型实验结果与仿真结果对比图。

图4为本发明所述的压力随火药力变化图。

图5为本发明所述的温度随火药力变化图。

图6为本发明所述的电子密度随火药力变化图。

图7为本发明所述的电导率随火药力变化图。

图8为本发明所述的温度随药室容积变化图。

图9为本发明所述的电子密度随药室容积变化图。

图10为本发明所述的电子密度随钾含量变化图。

图11为本发明所述的电导率随钾含量变化图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

在本发明中，温气体由空气加热器产生，并与固体颗粒混合后形成气固两相流进入测试身管段，采用低温等离子体喷枪在管路中注入等离子体，通过电磁铁在测试身管外施加磁场，研究火药爆炸后的燃烧气体在磁场作用下的导电特性。

如图1、图2所示，本发明设计开发了一种提高火药燃烧产物导电特性装置，其主体结构包括空气加热室110、粉体注入装置120、多个喷枪130、电磁铁140以及绝缘管150；其中，空气加热室110设置有连接管路，用于产生高温气体，粉体注入装置120安装在连接管路上，用于将固体火药颗粒送入连接管路，并且在连接管路内高温气体与火药颗粒混合，多个喷枪130同时连接在连接管路上，电磁铁140连接在连接管路上，用于将固体火药颗粒进行燃烧，绝缘管150连接在连接管路上，燃烧后的气体经过绝缘管150进入导电测试装置；其中，固体火药颗粒中含有1％～5％的钾盐添加剂。

在另一种实施例中，还包括：

气控开关阀，其安装在所述空气加热室的出气口处；

质量流量计，其安装在所述气控开关阀与安装所述粉体注入装置的连接管路之间。

在另一种实施例中，还包括：试验平台210，在平台210上通过多个喷枪支架131固定喷枪130，通过绝缘管支架151固定绝缘管150；同时，在本实施例中，试验平台210用于固定燃气发生器和试验段，根据试验系统的特点，试验设备采用钢制刚性台架，根据发生器和试验段的固定要求进行非标设计，试验平台210与地面的固定方式为M20地脚螺栓或膨胀螺栓。发生器的供应管路上设计柔性段以便进行调整，并且由于尾气的温度很高、动能较大，直接排放比较危险，所以需要设计降温降噪环节，本实施例采用将尾气封闭在管道中喷水冷却后抽吸的方法进行处理。尾气温度控制在100℃以内。

在另一种实施例中，绝缘管150为石英玻璃绝缘管，连接管路为DN10、PN10不锈钢管路。

在另一种实施例中，喷枪130设置为3个，分别为喷枪130a、喷枪130b、喷枪130c。

在另一种实施例中，钾盐为碳酸钾。

在本发明中，由固体火药的燃烧机理可知，火药主要由C、H、O、N四种元素组成。在燃烧过程中，生成的产物主要为N₂、CO、CO₂、H₂O等。由于火药燃气的燃温只有3000K左右，气体电离程度较弱，因此，在火药中添加少量电离电位较低的化合物碳酸钾，增加燃烧产物的电离度，可提高燃气的导电性。

本发明还设计开发了一种基于钾盐添加剂控制提高火药燃烧产物导电特性的方法，其包括如下步骤：

步骤一、获取弹道结构参数和装药参数；

步骤二、建立火药燃烧方程组如下：

式中，ψ是火药已燃百分数；χ、λ、μ为火药分裂之前的形状特征量；Z为火药相对已燃厚度；u₁为燃速系数；e₁为燃烧层厚度；p是火药燃气平均压力；n为燃速指数；l是弹丸行程；v是弹丸速度；S是弹丸最大横截面积；m是弹丸的质量；是次要功系数；l_ψ是药室自由容积缩径长；ω是装药质量；θ是火药热力参数；f是火药力；

步骤三、由于火药燃气不断推动弹丸做功而损失能量，所以燃气温度不断降低，火药气体温度与体积的变化关系通常以弹丸行程表示，根据燃气温度方程Sp(l+l_ψ)＝ωψRT，得到燃气温度式中，R是气体常数，温度是与压力P、弹丸行程l、火药已燃百分比ψ有关的函数，这些数据可以通过步骤二中方程组求得；

步骤四、由于火药燃气中生成等离子体的方式是热电离，所以根据燃气中电子密度方程得到电子密度计算公式式中，n_e，n_i，n₀为电子、离子和电离种子的密度，取n_e＝n_i；h为普朗克常数；E_i为种子的电离电位，g₀为原子基态的统计权重，g_i为离子基态的统计权重；m_e为电子质量；对于碱金属来说，的值约为1；其中，式中，n_k为电子种子的个数，V₀为火药燃烧室容积；

步骤五、建立电导率方程如下：

式中，σ_L是弱电离气体的电导率，σ_H是完全电离气体的电导率，σ_L主要由电子和中性粒子的碰撞决定， 其中，n_e是电子密度，T是温度，Q是中性粒子和电子的总碰撞截面；由于在燃气温度为3000K时，燃烧产物属于弱电离气体，电导率σ_L＞＞σ_H，因此，本实施例中在计算中取火药燃气的电导率σ＝σ_H，得到电导率

步骤六、根据步骤一～步骤五中方程建立火药燃气热电离模型如下：

式中，ψ是火药已燃百分数；χ、λ、μ为火药分裂之前的形状特征量；Z为火药相对已燃厚度；u₁为燃速系数；e₁为燃烧层厚度；p是火药燃气平均压力；n为燃速指数；l是弹丸行程；v是弹丸速度；S是弹丸最大横截面积；m是弹丸的质量；是次要功系数；l_ψ是药室自由容积缩径长；ω是装药质量；θ是火药热力参数；f是火药力；n_e，n_i，n₀为电子、离子和电离种子的密度，取n_e＝n_i；h为普朗克常数，k为玻尔兹曼常数；E_i为种子的电离电位，g_o为原子基态的统计权重，g_i为离子基态的统计权重；m_e为电子质量；对于碱金属来说，的值约为1；其中，式中，n_k为电子种子的个数，V₀为火药燃烧室容积。

试验例

为验证火药燃气热电离模型的可靠性，对某型火炮内弹道的数值进行计算，弹道诸元及部分装药条件如表1所示。

表1模型初始取值

如图3所示为装药量ω＝0.116kg下，数值仿真所获得的内弹道膛压曲线与实测试验数据对比图，由图3可以看出，在火药燃烧初始阶段，火药气体的增加使得膛内压力迅速上升。随着压力的继续增大，弹丸开始运动以致弹后空间不断地增加，从而使得压力逐渐下降。膛压最大值在281MPa，与试验结果基本吻合，验证了所建模型的正确性。

实施例1

火药力表示单位质量火药做功的能力，不同的火药成分对应不同的火药力。在其他参数不变的条件下，分别取火药力f为850kJ/kg、900kJ/kg、950kJ/kg、1000kJ/kg、1050kJ/kg进行实验分析，获得的压力、温度随时间的变化曲线如图4～7所示，通过对火药力f的控制能够对火药燃气的电子密度以及电导率进行有效的控制。

从图4可知，火药力的增加会导致膛内最大压力的上升；根据气体状态方程可知，在药室容积不变的情况下，压力上升必然导致燃气温度的增加；从图5可以看出，火药燃气的温度随火药力的增加而上升，随着弹丸的加速运动，火药气体的内能转化为弹丸的动能而使温度逐渐下降。

为了便于数据的直观显示，将电子密度取对数，实验获得的电子密度随时间变化曲线如图6所示：在初始时刻，由于火药力的增加导致燃气温度上升，根据电子密度与温度变化曲线，温度的上升相应的导致电子密度的增加，随着时间变化，燃气温度逐渐降低，电子与离子发生复合而使电子密度下降。图7所示为燃气电导率随火药力变化图，从图中可以看出，在火药力f为850kJ/kg时，燃气电导率最高只有630S/m，而当火药力增加到1050kJ/kg时，燃气的电导率提高到1200S/m。由此可知，火药力变化对燃气的电导率具有很大影响。

实施例2

在其他参数不变的条件下，分别将燃烧室容积控制在110cm³、130cm³、150cm³、170cm³和190cm³进行仿真试验，获得火药燃气温度和电子密度随时间变化曲线如图8、图9所示。

从上图可以看出，随着药室容积的增大，燃气温度下降的速度减缓，这是由于药室容积的增大使得火药燃烧速度降低，能够延长火药燃烧时间从而使燃气保持较长时间的高温；相应的，由于燃气温度下降的减缓，使得电子密度的下降趋势也减缓。因而，药室容积的扩大有助于保持控制燃气的导电特性。

实施例3

为研究钾盐含量对燃烧产物导电特性的影响，分别取其含量为1％、2％、3％、4％、5％时进行实验计算。对应电导率最大值分别为725S/m、772S/m、801S/m、825S/m和845S/m。

从图10、图11可知，由于钾的电离能较低，燃烧产物的电导率和电子密度随着钾含量增加而增加，由图11可以看出，当钾元素含量在2％以内时，电导率随钾含量增多而增长较快。当钾元素含量从2％增加到5％时，燃烧产物的电导率增长较为平缓。此外，随着电离种子含量的增加，火药质量所占比例势必下降，导致火药力不足，致使膛内温度下降，最终导致电导率下降。因此钾元素种子的含量并非越多越好，通常取其含量控制在2％～5％之间可以有效的控制火药燃气的电导率，并且提高电导率的导电特性。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (9)

1.一种提高火药燃烧产物导电特性装置，其特征在于，包括：

空气加热室，其设置有连接管路，用于产生高温气体；

粉体注入装置，其安装在所述连接管路上，用于将固体火药颗粒送入所述连接管路，并且在所述连接管路内高温气体与所述火药颗粒混合；

多个喷枪，其同时连接所述连接管路；

电磁铁，其连接所述连接管路，用于将所述固体火药颗粒进行燃烧；

绝缘管，其连接所述连接管路，燃烧后的气体经过所述绝缘管进入导电测试装置；

其中，所述固体火药颗粒中含有1％～5％的碱金属盐添加剂。

2.如权利要求1所述的提高火药燃烧产物导电特性装置，其特征在于，还包括：

气控开关阀，其安装在所述空气加热室的出气口处；

质量流量计，其安装在所述气控开关阀与安装所述粉体注入装置的连接管路之间；

平台，其上通过喷枪支架固定所述喷枪，通过绝缘管支架固定所述绝缘管。

3.如权利要求1或2所述的提高火药燃烧产物导电特性装置，其特征在于，所述绝缘管为石英玻璃绝缘管；以及

所述连接管路为DN10、PN10不锈钢管路。

4.如权利要求3所述的提高火药燃烧产物导电特性装置，其特征在于，所述喷枪设置为3个。

5.如权利要求4所述的提高火药燃烧产物导电特性装置，其特征在于，所述碱金属盐为碳酸钾。

6.一种提高火药燃烧产物导电特性装置的电导率计算方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、获取弹丸最大横截面积S，火药分裂之前的形状特征量χ、λ和μ，燃速系数u₁，次要功系数弹丸的质量m，药室自由容积缩径长l_ψ，火药力f，装药质量ω；

步骤二、建立火药燃烧方程组如下：

式中，ψ是火药已燃百分数；Z为火药相对已燃厚度；e₁为燃烧层厚度；p是火药燃气平均压力；l是弹丸行程；v是弹丸速度；

步骤三、对火药燃烧方程组进行求解，以时间t为自变量，获取p、l、ψ关于t的函数，进而计算燃气温度式中，R是气体常数；

步骤四、计算电子密度n_e

$n_e=\frac{n_0}{n_i}\frac{{\left(2{\mathrm{\πn}}_{e}kT\right)}^{1.5}}{h^3}\frac{2g_i}{g_0}\exp \left(\frac{-{\mathrm{eE}}_i}{kT}\right);$

式中，E_i为电离种子的电离电位，g_o为原子基态的统计权重，g_i为离子基态的统计权重，m_e为电子质量，n_i为离子密度，n_o为电离种子的密度；其中，所述电离种子为碱金属盐，的值为1；其中，式中，n_k为电子种子的个数，V₀为火药燃烧室容积；

步骤五、计算电导率σ

$\mathrm{\σ}=1.56\×{10}^{-2}{T}^{1.5}/\ln (1.23\×{10}^7{T}^{1.5}/\sqrt{n_e}).$

7.如权利要求6所述的提高火药燃烧产物导电特性装置的电导率计算方法，其特征在于，所述火药用量通过火药力进行控制，所述火药力的控制范围为850～1050KJ/kg。

8.如权利要求7所述的提高火药燃烧产物导电特性装置的电导率计算方法，其特征在于，所述火药中碱金属盐添加含量的控制范围为1％～5％。

9.如权利要求8所述的提高火药燃烧产物导电特性装置的电导率计算方法，其特征在于，在所述步骤二中，建立所述火药燃烧方程组时，初始取值为u₁＝7.6×10^-8m/(s·Pdⁿ)，ω＝0.116kg，f＝0.935KJ/kg，e₁＝0.0000528m，m＝0.39kg，S＝0.000738m²，θ＝0.2，λ＝0.1535，μ＝-0.04745，χ＝0.7874。