0 引言
红外诱饵弹是目前研究最多、装备最广泛、且简单有效的一种红外干扰装备,在历次现代战争中都发挥了重要作用。为了有效对抗红外诱饵弹,提高红外导引头的抗干扰能力,发展出了多种抗干扰措施,其中一种是利用红外诱饵与飞机目标运动特性不同识别出诱饵。为此,发展出多型动力型红外诱饵[1-2]以应对红外导引头的这种抗干扰措施,适用于提高红外诱饵的干扰效能。国内也开展了动力型红外诱饵的相关研究[3-5]。
在动力型红外诱饵的设计过程中需要得到反应的温度场和产物浓度场以便分析诱饵的辐射性能和光谱特性,同时需要得到各种动态环境对温度场和产物浓度场的影响。在研究了Mg/PTFE(MT)体系热力学性能[6]和动力学性能的基础上,建立了MT体系药剂与空气反应的简化模型,利用MT体系反应动力学结合流体仿真分析了基于MT系统的动力型红外诱饵的燃烧流场并分析了动态环境对流场的影响,可为MT系统的动力型红外诱饵设计提供参考。
1 MT基烟火剂反应机理
MT基烟火剂是由Mg/PTFE微粒以及粘结剂组成,燃烧机理加复杂,大体可分为固相区、核心反应区和有氧反应区,见图1。
图1 MT体系燃烧区示意图
Fig.1 Combustion zone diagram of MT system
在固相反应区主要的变化是:PTFE热分解,Mg液化或汽化。PTFE在600 ℃时主要分解产物为
进一步分解为CF2和其他氟碳化合物,其中以CF2产物为主,在3 000 K时产物主要有[7]:ξ(∶CF2)=0.30, ξ(C)=0.29, ξ(CF4)=0.29, ξ(F)=0.05, ξ(·CF3)=0.05, ξ(∶CF)=0.02。
在核心反应区发生的主反应为[8]
Mg+CF2→MgF2+C
(1)
在有氧区发生的主要反应为
C2F4+O2→2COF2
(2)
xC+nO2→yCO+zCO2
(3)
Mg+COF2→MgF2+CO
(4)
Mg+CO→MgO+C
(5)
Mg+1/2O2→MgO
(6)
本文中对动力型红外诱饵流场仿真,在动力型诱饵燃烧室为无氧气环境,在燃烧室可认为C2F4已完成分解,离开燃烧室的产物无C2F4。针对以上MT烟火剂燃烧模型和仿真的模型,提出以下基本假设:
1) 假设MT的固相反应在进入燃烧室前已完成,固相反应区温度较低,约1 366 K,PTFE全部分解为C2F4,Mg已完全汽化;
2) 进入有氧反应区时,C2F4已完全分解,忽略反应2和反应4;
3) 气相反应速率遵循Arrhenius定律,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。
基于上述假设,MT与空气形成的体系其化学反应简化为表1的7个基元反应[9]。
表1 Mg/PTFE-air体系基元反应
Fig.1 Mg/PTFE-air system Primitive reactions
序号基元反应K=A Tbexp(-E/RT)1C2F4+M=2CF2+M7.82×10150.555 663.42Mg+CF2=MgF2+C4.00×10140.520 000.03C+C=C21.80×1021-1.604Mg+O2=MgO+O1.05×10110.516 509.05C+O2=CO+O5.80×10100576.06CO+O2=CO2+O1.60×1010047 800.07C+O=CO6.02×101103 000.0
2 计算模型
2.1 物理模型
动力型红外诱饵外径φ50 mm,长170 mm,壁厚1 mm。药柱直径为44 mm,内孔直径和喷喉直径均为6 mm,其结构示意图见图2。药柱内孔表面为燃烧面,在燃烧过程中内孔直径不断增大直至药柱燃烧完全,内外表面重合,实际计算是取壳体内表面作为质量入口。
图2 动力型红外诱饵结果示意图
Fig.2 The outline of kinematic infrared decoy
2.2 数值模型
控制方程:
建立二维轴对称坐标下的定常燃烧控制方程。各物理量只与径向距离r和轴向距离z有关,连续性方程为
(7)
式(7)中: ρ为混合气体密度;vz轴向速度;vr为径向速度。
动量方程为
(8)
(9)
其中,Fz和Fr分别为轴向和径向上的体积力。
能量方程为
(10)
式(10)中: ρi为i组分的密度;Vi为i组分的扩散速度;Fi为 i组分体积力;hi为i组分标准生成焓;ωi为单位体积内i组分的化学反应速率;Φ为耗散功。
组分输运方程为
(11)
式(11)中:Yi为i组分质量分数;Di为i组分扩散系数。
湍流和燃烧模型:
湍流模型选用Realizable k-ε方法。其中,常数取默认值,分别为C1ε=1.44,C2ε=1.92,Cμ= 0.09,湍动能κ与耗散率ε的湍流普朗特数分别为σk=1.0,σε=1.3。
3 计算结果与讨论
动力型诱饵的壳体外表面设置为无滑移壁面,内表面为质量入口,质量流率120 g/s,温度1 366 K。计算网格见图3。
图3 计算网格
Fig.3 Computational mesh
3.1 地面静止状态燃烧流场分析
设置Mg和C2F4质量比为0.55∶45,计算了地面静止状态下反应流场。温度分布和主要反应云图见图4和图5,主要产物浓度分布见图6。
图4 温度场分布
Fig.4 Contours of temperature
图5 主要反应动力速率云图
Fig.5 Contours of kinetic rate of main reaction
图6 主要产物浓度分布
Fig.6 Contours of main reaction production
从图4温度图看,最高温度分布在尾喷后方,在此区域发生的反应为Mg+CF2=MgF2+C,此反应贡献了大部分热量,在此反应区外围发生的反应为Mg+O2=MgO+O,C+O2=CO+O,为温度分布贡献了一部分热量。
四氟乙烯的分解反应C2F4+M=2CF2+M,此反应主要发生在燃烧室内。从C2F4浓度分布看,C2F4集中在燃烧室前端,离开喷口后的浓度较低,约为燃烧室内浓度的0.2倍,且分布在无氧区,从而验证了假设2的合理性。
在主反应区未完全反应的Mg进入有氧区与空气进一步发生反应生成MgO。主反应生成的C少部分与空气反应生成少量CO、CO2。
对辐射能量贡献较大的产物为C、MgO、MgF2。C的发射率较高,但分布区域小,且分布区域内温度较低,MgF2产物浓度较高且部分处于高温区,为辐射贡献大部分能量,MgO含量较低,但处于温度较高区域。产物和温度分布的特点使得动力型红外诱饵的辐射光谱与点源MTV诱饵有较大差异。
动力型诱饵温度分布和产物分布具有方向性主要分布于尾喷后方,与点源近似球形的分布有较大差异,使得诱饵的辐射能量具有方向性。
3.2 药柱组分对燃烧流场的影响
以3种典型MTV组分配比[10]研究不同药柱组分对燃烧流场的影响,得到不同组分温度场和沿轴向的温度曲线分别如图7和图8所示:随着Mg粉含量的增加,最高温度降低,高温区域变小,且最高温度点前移。
图7 不同组分温度场
Fig.7 Contours of temperature with different composition
图8 不同配比沿轴向的温度曲线
Fig.8 Curve of temperature with different composition in axis
图9—图11给出了主产物沿轴向或距喷口0.8 m处的径向分布情况。可以看出,随着Mg含量的增加,MgF2及C含量减少,意味着更多的Mg在主反应区参加反应。多余的Mg进入空气与空气进一步反应。
图9 不同配比生成物MgF2沿轴向质量分数
Fig.9 Curve of mass fraction of MgF2 with different composition in axis
图10 不同配比C+C2沿轴向质量分数
Fig.10 Curve of mass fraction of C+C2 with different composition in axis
图11 不同配比距喷口0.8 m时MgO质量分数
Fig.11 Curve of Mass fraction of MgO at distance of 0.8 m with different composition
从图11可以看出,Mg含量为33%时接近零氧平衡,Mg完全反应,无MgO产物。当Mg含量增加时生成的MgO随之增加。从生成的MgO质量分数看,大量Mg未能参加反应,离开反应区一段距离后降温液化,进一步降温形成颗粒,由于Mg发射率较小,对辐射的贡献较小。适当过量的Mg与空气反应提高体系的总反应热,有利于提高辐射强度。随着Mg的增加,大量的Mg来不及反应不能参加反应使得总反应热降低,不利于提高辐射强度。
3.3 环境压力对燃烧流场的影响
0.26 atm(对应高度10 km)和0.54 atm(对于高度5 km)时的温度场和主要产物分布分别如图12、图13和图14所示。在10 km以下,环境压力对MT体系最高反应温度影响较小,对温度分布有一定影响,高温分布区向喷口后方转移。主产物浓度有所降低,浓度分布向喷口后方和两侧转移。通过对MgO质量分数积分发现MgO在0.54 atm时减少约45%,在0.26 atm时减少约75%。
图12 不同大气压时温度场
Fig.12 Contours of temperature with different atmosphere
图13 不同压力时MgF2沿轴向质量分数
Fig.13 Curve of mass fraction of MgF2 with different atmosphere in axis
图14 不同压力距喷口0.8 m时MgO质量分数
Fig.14 Curve of mass fraction of MgO at distance of 0.8 m with different atmosphere
3.4 来流速度对燃烧流场的影响
0.8Ma来流速度下的温度流场见图15。在高速来流作用下,最高温度有所下降,高温区域变窄。
图15 0.8Ma温度场
Fig.15 Contours of temperature at 0.8Ma
图16给出了浓度分布,从主要产物浓度分布看,来流速度对浓度范围影响较小,但对产物分布范围影响明显,产物分布范围变窄。辐射强度与辐射面积成正比,在温度和产物浓度变化较小的情况下,高温区域变小将导致辐射强度变小。
图16 主要产物为0.8Ma时浓度分布
Fig.16 Contours of main reaction production at 0.8Ma
4 结论
通过对MT体系动力型红外诱饵的燃烧流场分析可以得到如下结论:Mg含量对燃烧流场温度和产物浓度分布有较大影响,随着Mg含量的增加,最高温度降低,高温区域变小,且最高温度点前移;由于动力型红外诱饵产物浓度和温度的变化使得其光谱特性与MT体系药柱光谱产生一定变化,MgF2对光谱的影响更加突出;适当过量的Mg有利于提高辐射强度,但随着Mg进一步提高,未反应的Mg增大,不利于提高辐射强度;在10 km以下高度,环境压力对燃烧温度影响较小,但对温度分布和产物分布会产生一定影响,对MgO影响尤其明显;来流速度将高温区和产物浓度限制在较小范围内,大幅降低辐射强度。
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