雷射輻照下含能材料快烤燃的全過程建模與規律研究

《雷射輻照下含能材料快烤燃的全過程建模與規律研究》是依託中國人民解放軍國防科技大學，由田占東擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：雷射輻照下含能材料快烤燃的全過程建模與規律研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：田占東
• 依託單位：中國人民解放軍國防科技大學

中文摘要

雷射輻照下含能材料的快烤燃研究是熱點火和熱爆炸研究的熱點課題之一，是含能材料熱安全性研究的重要內容，研究成果可為戰術雷射反導武器的研究和效能評估及戰鬥部防護設計提供理論基礎。本項目首先研究雷射輻照下金屬/含能材料雙層結構的傳熱規律，採用金屬殼體和含能材料之間真實存在的氣隙來描述二者之間的非理想熱接觸。研究含能材料在高強度熱流下的化學反應規律，採用多組分多反應道化學反應機制描述含能材料的化學反應過程。在此基礎上，建立能夠描述含能材料快烤燃從惰性加熱直至點火全過程的熱、化學和流體動力學相耦合的理論模型。根據建立的理論模型，利用有限差分方法和FORTRAN語言編制快烤燃計算程式。開展雷射輻照下含能材料快烤燃的驗證性實驗研究，測量典型位置處的溫度和裝置內部壓力發展歷程，對理論模型和計算程式進行驗證和修正。採用變物性參數，對雷射輻照下含能材料快烤燃全過程進行系統的數值模擬，研究其規律性。

結題摘要

本項目基於基元反應機制，建立了含能材料的雷射點火和快烤燃模型，編制了計算程式，以RDX（黑索今）為例，對含能材料的點火特性和快烤燃特性進行了數值模擬研究。 為研究RDX在熱作用下的反應特點和點火特性，本項目首先對零維系統中RDX的化學反應特性進行了分析，並在含能材料三相燃燒模型的基礎上，建立了RDX雷射點火的一維熱、化學和流體動力學相耦合的詳細模型。根據建立的物理和數學模型，利用FORTRAN語言編制了計算程式。採用基元反應機制（45種組分、231個反應）描述氣相中的化學反應，對RDX的雷射點火過程進行了系統的數值模擬研究，得到了點火過程中溫度和組分濃度的分布及其發展歷程，並通過與實驗結果的比較，對模型和程式進行了驗證。結果表明RDX的雷射點火過程可以分成六個階段：惰性熱傳導、初始熱分解、初級火焰的形成、次級火焰的準備、次級火焰的形成和穩態燃燒的建立。 基於雷射點火模型，建立了RDX快烤燃的一維模型。模型包括凝聚相炸藥、氣隙和殼體三部分。該模型主要基於以下觀點：(1) 炸藥和殼體之間的氣隙是二者存在接觸熱阻的主要原因，氣隙的尺寸由炸藥和殼體熱膨脹產生的位移決定；(2) 放熱的氣相反應是導致點火的根本原因，該反應通過基元反應機制來描述；(3) 炸藥和殼體之間的傳熱方式有熱傳導和熱輻射兩種，忽略對流的影響；(4) 假設氣隙中的物質具有相同的物理參數，即不考慮溫度、壓力、組分濃度等參數隨空間的變化，認為這些參數只隨時間變化。 根據建立的快烤燃模型，編制了計算程式。採用變物性參數，基於基元反應機制，對雷射輻照下RDX的快烤燃過程進行了數值模擬研究，得到了快烤燃過程中的溫度、組分濃度、氣隙中的壓力等特性參數，並由此得到了快烤燃過程的點火延遲時間。結果表明，RDX的快烤燃過程可以分為三個階段：惰性熱傳導階段、初始熱分解階段和點火燃燒階段。最後定量研究了雷射功率密度和殼體厚度對快烤燃過程的影響。