CN110287599A - 一种发射药产生等离子体规律模型的构建方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种发射药产生等离子体规律模型的构建方法,属于等离子体领域,包括以下步骤:S1:内弹道假设,高压状态下,通过撞针撞击膛底,点燃底火,通过底火引燃主装药,主装药燃烧生成高温高压的燃气,通过燃气做工,推动弹丸运动,最终把弹丸发射出去,此过程可用经典内弹道过程进行模拟,S2:定容状态分析,S3:燃烧过程假设,S4:构建等离子体规律模型,S5:模型验证。本发明的构建方法更加的科学合理,通过对发射药燃烧的物理过程进行了分析,并结合内弹道理论、燃烧学理论、等离子体理论等,最终建立高压状态下发射药产生等离子体规律数学模型,将数值模拟的结果与试验结果进行对比,确定模型的正确性与可行性。
Description
技术领域
本发明涉及等离子体领域,具体为一种发射药产生等离子体规律模型的构建方法。
背景技术
高压状态下等离子体生成规律的研究是一个全新的领域,实验室通常用放电的方式生成等离子体,而高压状态下生成的等离子体是燃烧等离子体,其生成的机制是热电离,和普通的放电等离子体并不相同。研究高压状态下等离子体生成规律,温度是一个重要的因素,传统内弹道的研究,往往只关注膛内燃气压力的变化以及弹丸运动速度的变化,缺少对膛内燃气温度的研究。
发明内容
本发明的目的在于提供一种发射药产生等离子体规律模型的构建方法,以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的,本发明提供如下技术方案:一种发射药产生等离子体规律模型的构建方法,包括以下步骤:
S1:内弹道假设,高压状态下,通过撞针撞击膛底,点燃底火,通过底火引燃主装药,主装药燃烧生成高温高压的燃气,通过燃气做工,推动弹丸运动,最终把弹丸发射出去,此过程可用经典内弹道过程进行模拟;
S2:定容状态分析;
S3:燃烧过程假设;
S4:构建等离子体规律模型;
S5:模型验证。
优选的,在S1中,经典内弹道学是以热力学为理论依据,研究高压状态下各个火炮内弹道参数平均值的理论,经典内弹道学的数学模型是一阶常微分方程,由火药形状函数方程、能量方程、火药燃速方程、弹丸运动速度方程和弹丸速度与行程方程五个方程组成的方程组。
优选的,在S2中,在容积一定的情况下,由于体积没有变化,燃气不会因为推动弹丸做功而损失能量,并且忽略少量的热散失的话,火药燃气的温度即火药的爆温,对于某种特定的火药来说,它的爆温是一定的,这和火药的性质有关,是一个常量。
优选的,在S3中,为了增加燃烧产物的热电离,在发射药里添加少量的碳酸钾。
优选的,在S4中,高压状态下生成等离子体密度方程组由三部分组成:内弹道方程组、燃气温度方程和电子密度方程,仿真过程分为三步,首先根据内弹道方程计算出燃气压力、弹丸行程等与火药燃烧质量的关系,然后根据内弹道的计算结果,通过燃气温度方程计算出火药燃气的温度,最后再根据电子密度方程计算等离子体中电子密度。
优选的,在S5中,编写仿真程序,弹道诸元及装药条件,并根据所获得的仿真结果与内弹道试验数据进行对比,验证数学模型。
优选的,在S5中,利用数学模型进行数值仿真所获得的内弹道仿真数据与试验数据对比。
优选的,由数值仿真获得的数据和试验数据进行对比,在弹丸质量m=0.39kg,装药量ω=0.136kg,药室容积V0=1.32×10-4m3的情况下,求得膛压最大值在374MPa,弹丸初速898m/s,与试验结果基本吻合,图像基本相近,验证了所建模型的正确性。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:本发明的构建方法更加的科学合理,通过对发射药燃烧的物理过程进行了分析,并结合内弹道理论、燃烧学理论、等离子体理论等,最终建立高压状态下发射药产生等离子体规律数学模型,将数值模拟的结果与试验结果进行对比,确定模型的正确性与可行性。
附图说明
图1为本发明的整体流程图。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
请参阅图1,本发明提供一种技术方案:一种发射药产生等离子体规律模型的构建方法,包括以下步骤:
S1:内弹道假设,高压状态下,通过撞针撞击膛底,点燃底火,通过底火引燃主装药,主装药燃烧生成高温高压的燃气,通过燃气做工,推动弹丸运动,最终把弹丸发射出去,此过程可用经典内弹道过程进行模拟;
经典内弹道学是以热力学为理论依据,研究高压状态下各个火炮内弹道参数平均值的理论,经典内弹道学的数学模型是一阶常微分方程,由火药形状函数方程、能量方程、火药燃速方程、弹丸运动速度方程和弹丸速度与行程方程五个方程组成的方程组;
根据高压状态下火药燃烧情况的特点,做出以下假设:
(1)假设无论主装药还是点火药都符合几何燃烧规律;
(2)火药燃烧采用燃速指数公式,即
(3)假定发射药燃烧和弹丸运动都是在平均压力下进行的;
(4)射击时热散失比较复杂,而且难以描述,通常使用减小火药力或增大比热的方法进行修正,实际上是减少发射药量;
(5)所有的次要功用系数来计算,由于射击过程中次要功主要是与动能有关,所有的次要功都可以用系数来加以考虑;
(6)以弹丸挤进弹带的压力作为弹丸启动的条件;
(7)膛内燃气符合诺贝尔——阿贝尔状态方程;
(8)弹带密封良好,不存在漏气现象;
火药燃烧以后生成的产物成份不变,弹丸由于燃气的推力而运动,燃气因为推动弹丸做功而温度下降,由于温度的下降引起火药其他参数也有略小的下降,但是对模拟结果影响微弱,所以把其他参数看作是常数;
S2:定容状态分析,在容积一定的情况下,由于体积没有变化,燃气不会因为推动弹丸做功而损失能量,并且忽略少量的热散失的话,火药燃气的温度即火药的爆温,对于某种特定的火药来说,它的爆温是一定的,这和火药的性质有关,是一个常量,因此,定容状态下的气体状态方程:
其中,Vψ为自由容积,随压力一起变化,使用火药力和装填密度表示的定容状态下的气体状态方程:
从公式当中可以看出,压力随着火药燃烧百分比而逐渐变化,但是,燃烧温度一直是火药的爆温;
S3:燃烧过程假设,为了增加燃烧产物的热电离,本发明中在发射药里添加少量的碳酸钾,根据热电离理论,做出如下假设:
(1)碳酸钾在高温环境中完全分解;
(2)假定燃烧产物是均匀的;
(3)不考虑热电离过程中出现概率极小的二次电离或者多重电离的情况;
S4:构建等离子体规律模型,
内弹道方程
(1)火药形状函数
火药形状函数方程:
其中,χ、λ为火药分裂之前的形状特征量;Zk为燃烧结束时火药相对已燃厚度;χs、λs为火药分裂后的形状特征量;
(2)燃速方程
燃烧速度方程:
(3)弹丸运动方程
根据火药燃烧内弹道的基本假设,同时考虑次要功的影响,可由牛顿定律获得:
其中,S是弹丸最大横截面积;p是火药燃气平均压力;m是弹丸的质量;l是弹丸行程;v是弹丸速度;是次要功系数;
(4)气体状态方程
根据能量守恒定律,得到火药燃烧的能量方程
其中,lψ是药室自由容积缩径长,ω是装药质量,θ是火药热力参数,ψ是火药已燃百分数,f是火药力,Δ是装填密度,ρp是火药密度,α是余容;
(5)弹道方程组
根据以上方程得到高压状态下内弹道方程组:
燃气温度方程
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:
p(Vψ+Sl)=ωψRT
通常以弹丸行程表示:
Sp(l+lψ)=ωψRT
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;这些数据可以通过内弹道方程组求得;
电子密度方程
通过燃气温度方程,可以获得火药燃气的燃温;由于火药燃气中生成等离子体的方式是热电离,所以可以应用萨哈方程计算燃气中电子密度;
其中,T为热力学温度,Ei为离子的电离电位,go为原子基态的统计权重,gi为离子基态的统计权重,me为电子质量,ne为电子密度,ni为离子密度,n0为原子密度,对于碱金属来说,的值约为1,其他气体一般为2;
高压状态下生成等离子体密度方程组由三部分组成:内弹道方程组、燃气温度方程和电子密度方程,仿真过程分为三步,首先根据内弹道方程计算出燃气压力、弹丸行程等与火药燃烧质量的关系,然后根据内弹道的计算结果,通过燃气温度方程计算出火药燃气的温度,最后再根据电子密度方程计算等离子体中电子密度;
S5:模型验证,根据数学模型,编写仿真程序,弹道诸元及装药条件,并根据所获得的仿真结果与内弹道试验数据进行对比,验证数学模型;
由数值仿真获得的数据和试验数据进行对比,在弹丸质量m=0.39kg,装药量ω=0.136kg,药室容积V0=1.32×10-4m3的情况下,求得膛压最大值在374MPa,弹丸初速898m/s,与试验结果基本吻合,图像基本相近,验证了所建模型的正确性。
本发明的构建方法更加的科学合理,通过对发射药燃烧的物理过程进行了分析,并结合内弹道理论、燃烧学理论、等离子体理论等,最终建立高压状态下发射药产生等离子体规律数学模型,将数值模拟的结果与试验结果进行对比,确定模型的正确性与可行性。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例,对于本领域的普通技术人员而言,可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型,本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (8)
1.一种发射药产生等离子体规律模型的构建方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1:内弹道假设,高压状态下,通过撞针撞击膛底,点燃底火,通过底火引燃主装药,主装药燃烧生成高温高压的燃气,通过燃气做工,推动弹丸运动,最终把弹丸发射出去,此过程可用经典内弹道过程进行模拟;
S2:定容状态分析;
S3:燃烧过程假设;
S4:构建等离子体规律模型;
S5:模型验证。
2.根据权利要求1所述的一种发射药产生等离子体规律模型的构建方法,其特征在于:在S1中,经典内弹道学是以热力学为理论依据,研究高压状态下各个火炮内弹道参数平均值的理论,经典内弹道学的数学模型是一阶常微分方程,由火药形状函数方程、能量方程、火药燃速方程、弹丸运动速度方程和弹丸速度与行程方程五个方程组成的方程组。
3.根据权利要求1所述的一种发射药产生等离子体规律模型的构建方法,其特征在于:在S2中,在容积一定的情况下,由于体积没有变化,燃气不会因为推动弹丸做功而损失能量,并且忽略少量的热散失的话,火药燃气的温度即火药的爆温,对于某种特定的火药来说,它的爆温是一定的,这和火药的性质有关,是一个常量。
4.根据权利要求1所述的一种发射药产生等离子体规律模型的构建方法,其特征在于:在S3中,为了增加燃烧产物的热电离,在发射药里添加少量的碳酸钾。
5.根据权利要求1所述的一种发射药产生等离子体规律模型的构建方法,其特征在于:在S4中,高压状态下生成等离子体密度方程组由三部分组成:内弹道方程组、燃气温度方程和电子密度方程,仿真过程分为三步,首先根据内弹道方程计算出燃气压力、弹丸行程等与火药燃烧质量的关系,然后根据内弹道的计算结果,通过燃气温度方程计算出火药燃气的温度,最后再根据电子密度方程计算等离子体中电子密度。
6.根据权利要求1所述的一种发射药产生等离子体规律模型的构建方法,其特征在于:在S5中,编写仿真程序,弹道诸元及装药条件,并根据所获得的仿真结果与内弹道试验数据进行对比,验证数学模型。
7.根据权利要求1所述的一种发射药产生等离子体规律模型的构建方法,其特征在于:在S5中,利用数学模型进行数值仿真所获得的内弹道仿真数据与试验数据对比。
8.根据权利要求7所述的一种发射药产生等离子体规律模型的构建方法,其特征在于:由数值仿真获得的数据和试验数据进行对比,在弹丸质量m=0.39kg,装药量ω=0.136kg,药室容积V0=1.32×10-4m3的情况下,求得膛压最大值在374MPa,弹丸初速898m/s,与试验结果基本吻合,图像基本相近,验证了所建模型的正确性。
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Legal Events
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20190927 |
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