CN111259544A - 固体火箭发动机烤燃过程中热点形成时间的获得方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种固体火箭发动机烤燃过程中热点形成时间的获得方法，其包括：设置热边界条件及材料属性，编写计算化学反应放热的自定义程序，结合CFD软件计算烤燃过程推进剂在各个时间步长各个位置处的反应热，并获取各个时间步长各个位置处的温度和传热热流值；提取爆炸前一秒各个位置处温度参数，定义温度最高点位置为热点位置，提取热点位置处传热热流由正值变为负值的两个时间点，利用线性插值法计算传热热流由正值变为零的时间点为热点形成时间点。本发明烤燃过程中热点形成时间的获得方法，能够准确获得推进剂弹体在烤燃过程中的热点形成时间点，将其应用于提前营救推进剂弹体的工作中，能很大的提高营救工作的安全性。

Description

固体火箭发动机烤燃过程中热点形成时间的获得方法

技术领域

本发明涉及固体推进剂安全性评估技术领域，特别涉及一种固体火箭发动机烤燃过程中热点形成时间的获得方法。

背景技术

固体火箭发动机内的推进剂为高能含能材料，燃烧后产生高压高温燃气，通过喷管高速排出，获得较大的推力。由于固体火箭发动机具有机动性强、可维护性好、临战反应迅速、能量较高等优点，被广泛用作各种战略导弹和战术的动力系统。但是当固体火箭发动机受到意外热、火焰、机械碰撞、爆轰冲击、静电等刺激时，存在意外引燃的危险性，发生不受控制的化学反应和能量释放，导致固体发动机燃烧或者爆炸，不但使其丧失应有功能，而且会造成严重的生命财产损失。

随着高价值作战平台的开发与使用，对各类固体火箭发动机安全性的研究越来越重视。固体火箭发动机经受殉爆等战场及意外火灾等异常热环境下，其推进剂可能发生燃烧、爆炸等重大事故，从而造成不可挽回的重大损失。现代战争对武器弹药的热安全性要求越来越高，特别是随着航天技术的发展，对固体推进剂的热安全性能提出了更严格的要求。因此，对固体推进剂烤燃特性的研究，将有助于提高武器系统的适应性和安全性。

烤燃试验(Cook-off test)是研究含能材料热安全性的重要方法，其研究的目的主要针对的是武器弹药在存储、运输和使用的过程中经常会遇到意外热刺激的情况。如战场上突发的火灾事故、发射或飞行过程中的摩擦生热及核爆炸时的强辐射加热等。这些热刺激有可能导致武器弹药或火箭推进剂在正常使用前发生燃烧、爆炸等重大事故，从而造成不可挽回的重大损失。通过Cook-off试验不仅可以获得含能材料在不同环境条件下温度变化情况，还可以获得压力和反应剧烈程度的信息，但随着数值模拟技术的发展，Cook-off试验危险性大、成本高、研究周期长，数据测量有限等问题逐渐凸显。

数值模拟方法克服了烤燃试验成本高、研究周期长和测量数据有限等问题，能够方便地改变升温速率、结构尺寸和约束等烤燃条件，对热反应过程进行综合分析。数值模拟结果具有前瞻性，可以对推进剂的热点火规律进行预测，特别适用于对推进剂在生产、存储、使用和运输条件下的热安全性进行评估，能够为固体发动机的整机安全性评价提供大量基础数据和理论支撑。针对烤燃试验过程，采用数值模拟方法，分析推进剂组分在热激励作用下的反应过程，研究烤燃试验过程中推进剂内部的温度时空分布及热量传递规律，找出影响其热响应特性的控制因素。进一步综合考虑壳体束缚条件对推进剂热分解特性及化学反应的影响，探索发动机设计参数安全性之间的内在规律，提出推进剂烤燃安全性评价方案，可以为建立固体火箭发动机整机安全性的评估方法和规范提供有力支撑。

推进剂弹体烤燃过程热点形成时间点，其是烤燃过程由外部供热为主转变为自热反应产热为主的转折点，该时间点后烤燃过程进入自维持阶段，现实条件下若在此时间点以后对推进剂弹体进行营救，推进剂弹体将有极大可能发生爆炸，造成重大人员伤亡，以此热点形成时间点为依据提前进行弹体营救工作将大大提高营救工作的安全性。

但是现有技术中，还没有能在数值模拟推进剂弹体烤燃过程中，准确获得烤燃过程热点形成时间点的技术手段。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种固体火箭发动机烤燃过程中热点形成时间的获得方法，以解决在数值模拟推进剂弹体烤燃过程中，如何获得烤燃过程热点形成时间点的技术问题。

本发明固体火箭发动机烤燃过程中热点形成时间的获得方法，包括步骤：

1)利用CFD软件建立推进剂弹体的三维模型；

2)使用CFD软件对所建立的模型进行网格划分，定义网格中心点为节点；

3)在CFD软件中设置瞬态模型；

4)在CFD软件中添加材料属性：设置推进剂弹体的壳体、绝热层、推进剂材料及相关部件的热物理学性能参数；

5)在CFD软件中设置热边界条件；

6)在CFD软件中开启能量方程计算功能，能量方程为：

其中，ρ为物质密度，单位为kg·m^-3；c为比热，单位为J·kg^-1·K^-1；T为温度，单位为K；t为时间，单位为s；λ为导热系数，单位为W·m^-1·K^-1；S为源项；

还包括步骤7)：按照适用于CFD软件的编程方法编写自定义程序，该自定义程序在执行过程中实现如下步骤：

第一步：计算推进剂弹体在各节点位置处的反应热S′；

第二步：用反应热S′替代能量方程中的源项S，公式为：

S＝S′

第三步：计算各节点对应网格内传热热流的值Q_c，公式为：

Q_c＝ρ′Vc_p(T′-T_l)-S′

其中：ρ′为当前节点位置的物质密度，单位为kg·m³；V为当前节点对应网格的体积，单位为m³；c_p为当前节点位置物质的定压比热容，单位为J/kg·K；T′为当前节点位置的当前时刻温度，单位为K；T_l为当前节点位置前一步长时刻温度，单位为K；S′为反应热，单位为J；

8)在CFD软件的自定义函数入口载入自定义程序文件，并在CFD软件的推进剂材料设置中，将含能材料的能量方程源项设置为该自定义程序；

9)在CFD软件中模拟计算得到烤燃升温、逐渐形成热点、推进剂弹体由热点处爆炸的过程，以及不同时刻弹体各个节点位置的温度参数以及传热热流；

10)从模拟结果中提取爆炸前一秒的推进剂弹体内部节点的温度数据，温度最高的节点就是热点，该节点的位置坐标就是热点的位置坐标；

11)调取热点位置坐标处在整个烤燃过程中不同时间点的传热热流数据，找到热点位置坐标处传热热流为正且值最近0的第一时间点，并找到热点位置坐标处的传热热流为负且值最近0的第二时间点，通过线性插值法，求得传热热流为0的时间点，该时间即为热点的形成时间。

进一步，所述的自定义程序是通过阿累尼乌斯公式计算推进剂弹体在节点位置处的反应热S′，阿累尼乌斯公式如下：

其中：ρ′为当前节点位置的物质密度，单位为kg·m³；V为当前节点对应网格的体积，单位为m³；Z为反应的指前因子，单位为s^-1；E为反应活化能，单位为kJ·mol^-1；T′为当前节点位置当前时刻的温度，单位为K；R为通用气体常数，R＝8.314J·mol^-1·K^-1；Q为推进剂的化学反应热，单位为kJ/kg；S′为反应热，单位为J。

本发明的有益效果：

本发明固体火箭发动机烤燃过程中热点形成时间的获得方法，能在数值模拟推进剂弹体烤燃过程中，准确、快速获得烤燃过程热点形成时间点，此时间点具有唯一性，将其应用于提前营救弹体的工作中，能很大的提高营救工作的安全性。

本发明固体火箭发动机烤燃过程中热点形成时间的获得方法，不仅适用于导弹、火箭等推进剂烤燃过程，对于核武器、炸弹、工业炸药等装填有含能材料但非推进用途的弹体烤燃过程仍然适用，其中含能材料可为各种火药、炸药。

附图说明

图1为推进剂弹体烤燃过程中热点形成时间的获得方法流程图；

图2为传热热流为正的热流图；

图3为传热热流为负的热流图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。

本实施例中固体火箭发动机烤燃过程中热点形成时间的获得方法，其包括步骤：

1)利用CFD软件建立推进剂弹体的三维模型。

2)使用CFD软件对所建立的模型进行网格划分，定义网格中心点为节点。

3)在CFD软件中设置瞬态模型。

4)在CFD软件中添加材料属性：设置推进剂弹体的壳体、绝热层、推进剂材料及相关部件的热物理学性能参数。

5)在CFD软件中设置热边界条件；。

6)在CFD软件中开启能量方程计算功能，能量方程为：

其中，ρ为物质密度，单位为kg·m^-3；c为比热，单位为J·kg^-1·K^-1；T为温度，单位为K；t为时间，单位为s；λ为导热系数，单位为W·m^-1·K^-1；S为源项。

本实施例烤燃过程中热点形成时间的获得方法还包括步骤7)：按照适用于CFD软件的编程方法编写自定义程序，该自定义程序在执行过程中实现如下步骤：

第一步：计算推进剂弹体在各节点位置处的反应热S′；本实施例中自定义程序是通过阿累尼乌斯公式计算推进剂弹体在节点位置处的反应热S′，当然在不同实施例中，还可采用其它公式计算反应热S′；阿累尼乌斯公式如下：

其中：ρ′为当前节点位置的物质密度，单位为kg·m³；V为当前节点对应网格的体积，单位为m³；Z为反应的指前因子，单位为s^-1；E为反应活化能，单位为kJ·mol^-1；T′为当前节点位置当前时刻的温度，单位为K；R为通用气体常数，R＝8.314J·mol^-1·K^-1；Q为推进剂的化学反应热，单位为kJ/kg；S′为反应热，单位为J。

第二步：用反应热S′替代能量方程中的源项S，公式为：

S＝S′

第三步：计算各节点对应网格内传热热流的值Q_c，公式为：

Q_c＝ρ′Vc_p(T′-T_l)-S′

其中：ρ′为当前节点位置的物质密度，单位为kg·m³；V为当前节点对应网格的体积，单位为m³；c_p为当前节点位置物质的定压比热容，单位为J/kg·K；T′为当前节点位置的当前时刻温度，单位为K；T_l为当前节点位置前一步长时刻温度，单位为K；S′为反应热，单位为J。

8)在CFD软件的自定义函数入口载入自定义程序文件，并在CFD软件的推进剂材料设置中，将含能材料的能量方程源项设置为该自定义程序。

9)模拟计算得到烤燃升温、逐渐形成热点、推进剂弹体由热点处爆炸的过程，以及不同时刻弹体各个节点位置的温度参数以及传热热流。

10)从模拟结果中提取爆炸前一秒的推进剂弹体内部节点的温度数据，温度最高的节点就是热点，该节点的位置坐标就是热点的位置坐标。

11)调取热点位置坐标处在整个烤燃过程中不同时间点的传热热流数据，找到热点位置坐标处传热热流为正且值最近0的第一时间点，并找到热点位置坐标处的传热热流为负且值最近0的第二时间点，通过线性插值法，求得传热热流为0的时间点，该时间即为热点的形成时间。

本实施例中固体火箭发动机烤燃过程中热点形成时间的获得方法，能在数值模拟推进剂弹体烤燃过程中，准确获得烤燃过程热点形成时间点，将其应用于提前营救弹体的工作中，能很大的提高营救工作的安全性。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (2)

1.固体火箭发动机烤燃过程中热点形成时间的获得方法，包括步骤：

1)利用CFD软件建立推进剂弹体的三维模型；

2)使用CFD软件对所建立的模型进行网格划分，定义网格中心点为节点；

3)在CFD软件中设置瞬态模型；

4)在CFD软件中添加材料属性：设置推进剂弹体的壳体、绝热层、推进剂材料及相关部件的热物理学性能参数；

5)在CFD软件中设置热边界条件；

6)在CFD软件中开启能量方程计算功能，能量方程为：

其中，ρ为物质密度，单位为kg·m^-3；c为比热，单位为J·kg^-1·K^-1；T为温度，单位为K；t为时间，单位为s；λ为导热系数，单位为W·m^-1·K^-1；S为源项；其特征在于：

还包括步骤7)：按照适用于CFD软件的编程方法编写自定义程序，该自定义程序在执行过程中实现如下步骤：

第一步：计算推进剂弹体在各节点位置处的反应热S′；

第二步：用反应热S′替代能量方程中的源项S，公式为：

S＝S′

第三步：计算各节点对应网格内传热热流的值Q_c，公式为：

Q_c＝ρ′Vc_p(T′-T_l)-S′

其中：ρ′为当前节点位置的物质密度，单位为kg·m³；V为当前节点对应网格的体积，单位为m³；c_p为当前节点位置物质的定压比热容，单位为J/(kg·K)；T′为当前节点位置的当前时刻温度，单位为K；T_l为当前节点位置前一步长时刻温度，单位为K；S′为反应热，单位为J；

8)在CFD软件的自定义函数入口载入自定义程序文件，并在CFD软件的推进剂材料设置中，将含能材料的能量方程源项设置为该自定义程序；

9)利用CFD软件模拟计算得到烤燃升温、逐渐形成热点、推进剂弹体由热点处爆炸的过程，以及不同时刻弹体各个节点位置的温度参数以及传热热流；

10)从模拟结果中提取爆炸前一秒的推进剂弹体内部节点的温度数据，温度最高的节点就是热点，该节点的位置坐标就是热点的位置坐标；

11)调取热点位置坐标处在整个烤燃过程中不同时间点的传热热流数据，找到热点位置坐标处传热热流为正且值最近0的第一时间点，并找到热点位置坐标处的传热热流为负且值最近0的第二时间点，通过线性插值法，求得传热热流为0的时间点，该时间即为热点的形成时间。

2.根据权利要求1所述的烤燃过程中热点形成时间的获得方法，其特征在于：

所述的自定义程序是通过阿累尼乌斯公式计算推进剂弹体在节点位置处的反应热S′，阿累尼乌斯公式如下：

其中：ρ′为当前节点位置的物质密度，单位为kg·m³；V为当前节点对应网格的体积，单位为m³；Z为反应的指前因子，单位为s^-1；E为反应活化能，单位为kJ·mol^-1；T′为当前节点位置当前时刻的温度，单位为K；R为通用气体常数，R＝8.314J·mol^-1·K^-1；Q为推进剂的化学反应热，单位为kJ/kg；S′为反应热，单位为J。

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