摘要
本文以底排装置瞬态降压导致高氯酸铵/端羟基聚丁二烯(AP/HTPB)推进剂燃烧失稳为背景，从微观和宏观角度，开展AP/HTPB推进剂与点火具非稳态耦合燃烧特性研究，着重分析AP/HTPB在瞬态降压时的熄火、振荡燃烧、旋转条件下的非稳态燃烧以及与点火具的耦合燃烧特性，为实现底排弹出膛口后AP/HTPB推进剂稳定燃烧奠定基础。主要研究内容和成果如下： （1）AP/HTPB推进剂瞬态降压下非稳态燃烧的微尺度理论模型 首先采用半密闭爆发器对AP/HTPB推进剂在瞬态降压下的非稳态燃烧特性以及AP/HTPB推进剂与点火具非稳态耦合燃烧特性进行实验研究，结果表明：在瞬态降压条件下，AP/HTPB推进剂存在三种非稳态燃烧行为，即：熄火复燃、永久熄灭和振荡燃烧。AP/HTPB推进剂与点火具在瞬态降压工况下均会发生燃烧失稳，AP/HTPB火焰先熄灭，后在点火具脉冲射流火焰作用下经历振荡复燃直至形成稳定火焰。考虑到AP/HTPB“三明治”微结构特点，基于BDP多火焰模型、简化化学动力学模型和熄火温度判据，建立了AP/HTPB推进剂降压熄火的微尺度理论模型。在此基础上，进一步耦合脉冲点火射流，建立脉冲点火射流作用下AP/HTPB推进剂振荡燃烧微尺度模型。 （2）AP/HTPB推进剂瞬态降压下非稳态燃烧特性的数值模拟 根据AP/HTPB推进剂瞬态降压下非稳态燃烧的微尺度理论模型，分别开展了AP/HTPB推进剂瞬态降压下火焰熄灭过程的数值模拟和脉冲点火射流作用下AP/HTPB推进剂振荡燃烧过程的数值模拟，计算结果表明：随着燃烧压力的快速下降，AP/HTPB推进剂气相火焰由扩散占优火焰转变为预混占优火焰，燃面附近的燃烧产物由于异相吹离效应远离燃面，最终导致火焰熄灭。熄灭后的AP/HTPB在脉冲点火射流作用下固相表面温度上升，当表面温度达到着火温度时发生振荡燃烧，点火射流热流密度越高，振荡燃烧持续时间越短，AP/HTPB趋于稳定燃烧越快。 （3）AP/HTPB推进剂在旋转降压双重条件下非稳态燃烧特性的数值分析 建立了AP/HTPB旋转降压下非稳态燃烧微尺度模型。分别针对不同燃烧压力和不同转速下的AP/HTPB燃烧过程进行了数值分析，结果表明：瞬态降压会导致气相化学反应区纵向扩散并远离燃面，气相化学反应快慢由扩散过程主导转变为化学动力过程主导，同时，最大容积放热速率快速降低，气相火焰放热核心远离燃面，表现为异相吹离效应。旋转会引起化学反应物横向扩散，在瞬态降压初期，细长扩散化学反应带受旋转动量影响向一侧偏转。当气相化学反应区远离燃面时，气相火焰放热核心由于旋转动量的影响开始向整个AP表面扩散。 （4）AP/HTPB推进剂和点火射流非稳态耦合燃烧特性的数值研究 针对瞬态降压工况下，AP/HTPB推进剂和点火具的非稳态耦合燃烧过程，建立AP/HTPB多层周期性“三明治”微结构下的非稳态耦合燃烧模型，考虑到多个AP/HTPB微元火焰间的相互影响，同时耦合点火具射流与AP/HTPB之间的传热和流动。针对初始燃烧压力为56.3MPa，数值模拟AP/HTPB瞬态降压工况下的耦合燃烧特性，结果表明：在瞬态降压过程中存在一个临界压力，当压力高于临界值时，气相火焰分布主要受压力的影响；当压力低于临界值时，气相火焰分布主要受点火射流的影响。瞬态降压过程会导致AP/HTPB气相扩散占优，化学反应带转变为预混占优化学反应带，引起的异相吹离效应使得化学反应组分远离燃面，在点火射流的作用下，远离燃面的化学反应组分逐渐扩散至下游处的AP与HTPB交界面处，点火射流和瞬态降压的双重作用导致了AP/HTPB燃面的非对称变化。AP/HTPB气相火焰结构同时受压力和点火具射流流速影响。当压力低于20MPa或点火具射流近燃面平均流速小于40m/s时，气相火焰结构受两者影响较大；当压力高于20MPa或点火具射流近燃面平均流速大于40m/s时，气相火焰结构受两者影响迅速减弱。 （5）底排装置中AP/HTPB推进剂和点火具非稳态耦合燃烧特性的数值研究 针对某155mm底排弹的底排装置，数值研究了在瞬态降压工况下底排装置内AP/HTPB推进剂和点火具射流的非稳态耦合燃烧特性。利用Navier-Stokes方程、两方程Realizable k-ε湍流模型和有限速率反应模型建立了二维轴对称数值模型。AP/HTPB气相化学反应采用37种组分和127个化学反应方程式的详细化学反应机理描述。求解得到底排装置燃烧室内温度场、速度场和各组分浓度场分布，揭示了瞬态降压过程中点火具射流对AP/HTPB燃烧特性的影响规律。结果表明：底排装置瞬态降压开始后0.3~0.6ms之间，点火具射流扩散至大部分AP/HTPB燃面，使得AP/HTPB燃面温度快速上升。随着底排装置内燃烧压力降至常压，AP/HTPB的燃烧产物与点火具射流耦合流动加剧，并在点火具喷口附近观察到组分互相掺混形成的环状回流区。
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