基于流动与化学反应耦合的镁/聚四氟乙烯烟火剂二维燃烧模型及数值计算

林长津,王浩,朱晨光(.南京理工大学能源与动力工程学院,江苏南京0094;.南京理工大学化工学院,江苏南京0094)



基于流动与化学反应耦合的镁/聚四氟乙烯烟火剂二维燃烧模型及数值计算

林长津1,王浩1,朱晨光2
(1.南京理工大学能源与动力工程学院,江苏南京210094;2.南京理工大学化工学院,江苏南京210094)

摘要:针对镁/聚四氟乙烯(MT)烟火剂燃烧过程中湍流对燃烧的影响关系,建立流动与化学反应相耦合的二维计算流体力学模型,模拟不同质量比MT烟火剂稳态燃烧过程,获得了燃烧场温度、组分分布特性,并将计算结果与文献[10,16,18]值进行对比。对比结果表明:燃烧场温度上升段大约20 mm,这与文献[10]实验值吻合较好,且温升段距离与反应机理C2F4+ M↔2CF2+ M区域位置相对应;当量质量比为33/67的MT火焰温度最高,与热力计算结果相一致,随着质量比的增加,存在不完全反应;燃料Mg的消耗主要通过与CF2的氧化反应,Mg与F的反应过程不能忽略,且随着质量比的增大,燃烧产物MgF的比例减少。

关键词:兵器科学与技术;镁/聚四氟乙烯烟火剂;湍流燃烧;耦合;数值模拟

Key words: ordnance science and technology; Mg-Teflon pyrolant; turbulence combustion; coupling; numerical simulation

0　引言

镁/聚四氟乙烯(MT)基烟火剂作为一种高能材料,能够产生高温火焰和高温固体颗粒,同时,它在红外波段也具有高辐射能量,已在火箭发动机点火药、红外诱饵弹等方面得到广泛应用[1-7]。通常,在MT基烟火剂中加入氟橡胶(Viton)以提高混合物的均匀性,并保护镁颗粒在存储过程中不被氧化,也即所谓MTV烟火剂。除了优越的性能输出,它还具有良好的热稳定性,及对大多数军事烟火材料的兼容性[8]。

MT基烟火剂是由镁、聚四氟乙烯微粒以及黏合剂氟橡胶通过机械混合压制而成,其燃烧属于多组分非均相离散颗粒群的耦合燃烧,与一般的含能材料相比,其燃烧机理更加复杂。国内外许多学者都曾对MT基烟火剂的燃烧特性进行了大量的实验研究[1,9-13],包括动态特性、光谱特性、热力性能和产物分析。但是,理论研究相对较少。Ladouceur 等[14]针对镁和聚四氟乙烯的燃烧反应开展了动力学模型数值模拟研究,利用参与反应的化学组分、热力学性质、动力学历程以及速率常数等相关参数,采用完全预混反应的SANDLA编码进行计算。Deyong 等[15]基于MT烟火剂的动力学模型,提出了18步反应机理。Christo等[16]对上述MT烟火剂反应动力学机理进行了敏感性研究,分析了影响燃烧产物和火焰温度的主要因素,在组分均匀混合假设的基础上,应用完全搅拌反应器(PSR)模型和预混模型模拟了MT烟火剂的燃烧过程。然而,在实际烟火剂气相燃烧过程中,由于湍流的作用,各气相组分是非均匀混合的,且与流体特性相关,忽略湍流对烟火剂燃烧过程的影响会造成较大误差。基于以上背景,本文建立了流动与化学反应相耦合的二维计算流体力学(CFD)模型,数值模拟了MT烟火剂的稳态燃烧过程,获得了流场温度和组分空间分布特性。该方法在烟火剂数值模拟中的应用,国内外研究报道相对较少,且研究结果对深入认识MT烟火剂的燃烧特性有一定的参考价值。

1　物理模型

根据Cudzilo等[17]提出的MT燃烧波结构,MT的多相燃烧分成:固相燃烧和气相燃烧,如图1所示。固相反应区包括聚四氟乙烯的热分解和镁金属颗粒的反应;气相反应区分为无氧区“a”和有氧区“b”,无氧区中,主要是均相反应。由实验[8]可知,固相反应区消耗少量混合物(约7.4%),产生足够热量供给聚四氟乙烯的热分解和镁金属的液化或蒸发,并为气相区提供气相反应组分。

图1　MT烟火剂燃烧示意图Fig.1 Combustion of MT pyrolant

针对以上MT烟火剂燃烧结构模型,提出以下基本假设:

1)假设MT的固相反应,仅产生气相产物四氟乙烯(C2F4),同时释放的热量使镁金属气化;

2)气相反应机理采用Deyong等[15]提出的动力学理论,气相反应速率遵循Arrhenius定律;

3)反应区气相产物近似作为理想气体处理,忽略火焰辐射对燃烧反应区的影响;

4)燃烧区气体湍流模型采用Realizable k-ε模型。

2　数学模型

2.1控制方程

根据上述物理模型,建立二维定常流动燃烧基本控制方程,具体如下:

1)连续方程:

式中:ρ是气体混合物密度;y为轴向;r为径向;υy为轴向速度;υr为径向速度。

2)动量方程:

式中:μ是粘性系数;Fy和Fr分别为轴向和径向上的体积力;Δ·v表示速度矢量的散度。

3)能量方程:

式中:p为压力;T为温度;ρi为i组分的密度;cp为比热容;φ为耗散功;Vi为i组分的扩散速度;Fi为i组分体积力;hi是i组分标准生成焓;wi是单位体积内i组分的化学反应速率。

4)组分输运方程:

式中:Yi是i组分质量分数;Di为i组分扩散系数。

2.2湍流和燃烧模型

湍流模型选用Realizable k-ε方法,方程如下:

式中:C1= max;C2= 1.9;η= (2Eij· Eij)1/2,Eij=;σk和σε分别是湍动能k和耗散率ε的湍流普朗特数,σk= 1.0,σε= 1.2;Gk表示由于平均速度梯度引起的湍动能;μt是湍流粘性系数;E是总能量。

燃烧模型采用考虑18种详细化学反应机理的动力学理论,如表1所示。

表1　MT烟火剂的反应动力学机理[15]Tab.1 Chemical kinetic mechanism of MT pyrolant

2.3网格划分及初边界条件

拟试样药柱尺寸为φ10 mm×20 mm,流场计算域为φ400 mm×800 mm,初始条件p0= 1 atm,T0= 300 K,采用结构网格,网格数为20 060,如图2所示。试样药柱端面局部加密,最小体积10-6m3,作为气相反应区的质量源项,从药柱端面输入气相反应区,进口气流速率为10 m/ s,温度为1 366 K.

3　结果与讨论

采用Fluent软件,对镁与聚四氟乙烯不同质量比(当量质量比为33/67,典型诱饵剂质量比为55/ 45,典型点火药质量比为61/39)的MT烟火剂稳态燃烧过程进行了数值模拟。

3.1温度场分布特性

3种不同质量比MT烟火剂燃烧温度场云图、径向与轴向温度分布分别如图3～图5所示。随着质量比的增大,温度场高温区逐渐缩小。温度场云图呈射流状,由y =0.05 m与y =0.5 m径向温度分布对比可知,近表面处径向温度梯度较大。轴向温度经历一段急剧升温过程,在距离表面大约20 mm处达到最大值,这与Kubota[10]实验测得值大致吻合(20～25 mm);当量质量比为33/67 MT火焰温度最高,这与热力计算结果[18]相一致;轴向温度进入下降段,质量比越大,温度值下降越快。主要原因:可能与镁、C2F4未完全反应有关。由表2中3种质量比MT反应热值,可以看出:当量质量比为33/67 时,平均质量单位时间反应热达到2.53 W,而当质量比为61/39时,仅为0.45 W,说明混合物中存在未完全反应。

图2　网格划分图Fig.2 Mesh generation

根据Christo等[16]对温度敏感性分析可知,与温度相关反应有:聚四氟乙烯的分解反应C2F4+ M↔2CF2+ M,对温度影响较大,另外一个是C的结合反应2C↔C2.图6所示为两者反应速率云图,由图6可见:C2F4+ M↔2CF2+ M的反应区域主要在燃烧表面上方20 mm内,这与图3中温度曲线温升段距离相对应,进一步说明C2F4+ M↔2CF2+ M是决定反应区温度高低的主要因素。

图3　3种不同质量比MT烟火剂燃烧温度场云图Fig.3 Temperature contours of MT pyrolants with different mixing ratios

3.2组分分布特性

当量质量比为33/67的MT烟火剂中Mg反应机理速率云图、组分CF2和F质量分数轴向分布分别如图7和图8所示。由图7和图8可见:Mg反应区域主要在燃烧表面上方20 mm内,Mg与F反应速率较Mg与CF2反应速率快,且反应区域位置略高于后者,而组分CF2质量分数(主要由机理C2F4+ M↔2CF2+ M)明显高于F.可知:由于产生的组分F较少,Mg的消耗主要通过与CF2的氧化反应,这与Ladouceur等[14]的解释相一致。

Mg的反应产物为MgF和MgF2,不同质量比MT产物组分MgF和MgF2的质量分数体积总量如表3所示。由表3可见:随着质量比的增大,组分MgF和MgF2逐渐减少,MgF含量少于MgF2,但二者比值相差不大(＜10).因此,在Mg的消耗反应中, Mg + F↔MgF反应机理不能忽略。两者的比值随着质量比的增大而增大,侧面说明:随着质量比的增大,组分MgF的生成量在减少。

图4　径向温度分布图Fig.4 Radial temperature profiles

图5　轴向温度分布图Fig.5 Axial temperature profiles

表2　不同质量比MT反应热Tab.2 The heat of reaction per unit time for MT pyrolants with different mixing ratios

图6　影响温度的两个主要反应机理反应速率云图Fig.6 Contours of reaction rates (Mechanism 1 and 15) having effects on temperature

表3　不同质量比MT中产物组分MgF和MgF2的质量分数体积总量Tab.3 The sum of mass fractions of MgF and MgF2in MT pyrolants with different mixing ratios

4　结论

本文建立了流动与化学反应相耦合的二维CFD模型,并对3种典型镁与聚四氟乙烯质量比(33/67、55/45、61/39)MT烟火剂稳态燃烧过程进行了数值模拟。根据模拟结果,可得如下结论:

1) 3种不同质量比MT燃烧场温度经历急剧升温过程,在距离表面大约20 mm处达到最大值,这与实验测得值大致吻合(20～25 mm),且温升段距离正好与反应机理C2F4+M↔2CF2+M区域位置相对应。

2)当量质量比33/67 MT火焰温度最高,这与热力计算结果相一致,随着质量比的增加,存在不完全反应。

图7　Mg反应速率云图Fig.7 Contours of reaction rate of Mg

图8　组分CF2和F质量分数轴向分布图Fig.8 Mass fractions of species CF2and F in axial direction

3) Mg的消耗主要通过与CF2的氧化反应,而Mg与F的反应过程不能忽略。Mg的反应产物为MgF2和MgF,随着质量比的增大,组分MgF2和MgF逐渐减少,同时MgF的比例也在减少。

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2D Combustion Model and Numerical Simulation of Mg-Teflon Pyrolant Based on Flow-chemistry Coupling

LIN Chang-jin1, WANG Hao1, ZHU Chen-guang2
(1.School of Energy and Power Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, Jiangsu, China; 2.School of Chemical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, Jiangsu, China)

Abstract:A two-dimensional computational fluid dynamics(CFD) model for flow-chemistry coupling is established to analyze the influence of turbulence on the combustion of Mg-teflon (MT) pyrolant.The steady combustion of MT pyrolants with different mixing ratios was simulated, and the combustion temperature and composition distribution characteristics were obtained.The calculated results are compared with the values in Refs.[10,16,18].The compared results show that the rising step of temperature in the combustion field is about 20mm, which agrees well with the experimental data in Ref.[10].The distance of temperature rising step is corresponding to the reaction region of C2F4+ M↔2CF2+ M.The highest temperature of MT pyrolant with equivalent mixing ratio (33/67) is consistent with the thermodynamic calculated result.With the increase in mixing ratio, the incomplete reaction happens.Mg is mainly consumed through its oxidizing reaction with CF2.The reaction of Mg with F cannot be neglected.The percentage of combustion product MgF reduces with the increase in mixing ratio.

作者简介:林长津(1989—),男,博士研究生。E-mail: lin_changjin2014@ yahoo.com;王浩(1961—),男,研究员,博士生导师。E-mail: wanghao@ mail.njust.edu.cn;朱晨光(1967—),男,教授,博士生导师。E-mail: zhuchen1967@ gmail.com

基金项目:国家自然科学基金项目(51076066)

收稿日期:2015-04-22

DOI:10.3969/ j.issn.1000-1093.2016.02.014

中图分类号:TJ530.2

文献标志码:A

文章编号:1000-1093(2016)02-0287-06