книги / Численное моделирование нестационарных переходных процессов в активных и реактивных двигателях

потока, практически не омывается и в рассматриваемом сечении горит в стационарном режиме - vk/v° =1.

На рис.2.13 и рис.2.14 показано изменение скорости горения (отношение текущей скорости горения к её стационарной величине к - vk / v°) пороховых элементов заряда артил­ лерийского выстрела по времени (время дано в шс) при начальной

заряда (рис.2.14). На начальном этапе горения нестационарные эффекты выражены заметнее, чем при Г0 = 293АГ. В момент

вспышки максимальное значение отношения v*/v° для поро­ ховых элементов заряда несколько выше. Влияние турбулентности на процесс горения пороховых элементов примерно на том же уровне.

В целом результаты численного моделирования хорошо отслеживают характерные особенности процесса зажигания и горения порохового заряда в условиях артиллерийского выстрела [16, 58 и др.]. К ним, в первую очередь, следует отнести: особенности воспламенительного периода, наличие нестацио­ нарного (переходного) режима горения для всех элементов заряда и его вырождение по времени, наличие режима турбулентного горения для верхнего полузаряда и верхней сгораемой гильзы. Результаты численного моделирования хорошо согласуются также и с экспериментальными данными по стационарной скорости горения используемых пороховых составов.

2.5.2. Расчёт газодинамического течения в каморе и стволе орудия

1. На рис.2.15 представлено изменение давления продуктов сгорания (МПа) по времени (шс) в фиксированных сечениях каморы и ствола (камеры сгорания) артиллерийского орудия при начальной температуре срабатывания Т0= 293АГ. Изменение давления дано до момента вылета снаряда из ствола. В качест-

ве фиксированных сечений выбраны: дно камеры сгорания (метка на графике - квадрат), начало верхнего полузаряда (метка на графике - треугольник), конец верхнего полузаряда (метка на графике - крест) и дно снаряда (метка на графике - звезда).

Изменение давления по времени в разных сечениях камеры сгорания артиллерийского орудия существенно неоднородное.

способности артиллерийского выстрела - начальный этап срабатывания, точнее момент страгивания и начала движения снаряда (момент времени t ~ Ъшс). В интервале времени от / ~ 2,5ш с до / ~ 3,5шс верхний полузаряд на начальной стадии горения (при большой толщине свода пороховых элементов) подвергается резко выраженному динамическому нагружению переменным по времени и длине заряда давлением. Максимальный перепад давления по длине полузаряда в это время составляет ~

АР"Ш» бОМПа.

Такой уровень динамического нагружения может привести к разрушению пороховых элементов верхнего полузаряда, резкому подъёму уровня давления в камере сгорания и, как следствие, нерасчётному режиму срабатывания артиллерийского выстрела с возможным разрушением снаряда.

Намного больший перепад давления по длине верхнего полузаряда наблюдается в последующие моменты времени при выстреле. Однако при выгорании свода эффект разрушения пороховых элементов не приведёт к существенному подъёму уровня давления в камере сгорания и не изменит режим срабатывания артиллерийского выстрела.

Близкие результаты наблюдаются и при низкой начальной температуре срабатывания артиллерийского выстрела. На рис.2.16 представлено изменение давления продуктов сгорания {МПа) по времени (шс) в фиксированных сечениях камеры сгорания орудия при начальной температуре Т0 - 223К . Выбранные сечения камеры сгорания те же, что и на рис.2.15. Перепады давления по времени и по длине камеры здесь несколько меньше. Наибольший

мического нагружения верхнего полузаряда и заряда в целом также несколько ниже. Но с понижением начальной температуры срабатывания артиллерийского выстрела физико-механические свойства пороховых элементов резко изменяются - существенно падает их прочность. Вследствие этого вероятность разрушения порохового заряда резко возрастает (расчёт напряжённодеформированного состояния и оценку прочности заряда см. в разделе 2.5.3).

2. Рассмотрим подробнее изменение основных газодина­ мических параметров течения (давления, скорости и температуры)

по длине каморы и ствола (камеры сгорания) артиллерийского орудия.

На рис.2.17 представлено изменение давления продуктов сгорания {МПа) по длине камеры сгорания (л/) в различные моменты времени при начальной температуре срабатывания Т0= 293К . На момент времени t-2\mc (метка на графике - ромб)

идёт процесс воспламенения нижнего полузаряда, верхний полузаряд ещё не горит. В это время в камере сгорания формируется резко выраженный ударно-волновой процесс течения. Наибольшее давление наблюдается в районе дна камеры. Максимальный перепад давления по длине камеры сгорания составляет АР'"" ~ ЪМПа. При t-Ъшс (метка - квадрат) полностью воспламенилась вся поверхность горения порохового заряда. Поток продуктов сгорания натекает на снаряд, в районе дна снаряда резко поднимается уровень давления, снаряд страгивается и, интенсивно ускоряясь, начинает своё движение. Наибольшее давление в данный момент времени наблюдается у

(метка - треугольник) общий уровень давления в камере орудия начинает интенсивно подниматься. Распределение давления по длине камеры временно выравнивается - максимальный перепад АР"'" = ТЬМПа. При 1=5млс (метка - крест) и далее при t-Ъмпс (метка - звезда) наблюдается резкий рост общего уровня давления в камере сгорания орудия. Перепад давления по длине камеры также резко возрастает и достигает предельной величины при t=6mc, равной АР'"" »320МПа. В дальнейшем при t-Пмпс

128 Глава 2. Моделирование артиллерийского выстрела

(метка - круг) и при /=8млс (метка - вертикальный крест) общий уровень давления в камере сгорания начинает снижаться, перепад давления по длине камеры также уменьшается. На момент времени /=9млс (метка - штрих), при продолжающемся снижении общего уровня давления, давление по длине камеры сгорания практически выравнивается.

На рис.2.18 представлено изменение скорости движения газообразных продуктов сгорания {м/с) по длине камеры сгорания орудия (л/) в различные моменты времени при начальной температуре Т0 = 293К . Обозначения на графике те же, что и на рис.2.17. На момент времени г=2млс на этапе воспламенения нижнего полузаряда в камере сгорания формируется интенсивный ударно-волновой процесс. Скорость течения продуктов сгорания в районе расположения нижнего полузаряда достигает величины Umax ~950м/с . На момент времени t-Ъмлс при полном воспламенении поверхности горения порохового заряда и начале движения снаряда распределение скорости течения продуктов сгорания по длине камеры несколько выравнивается, достигая максимума U'my ~150м/с в районе центра камеры. При 1=4млс вследствие малой скорости движения снаряда и формирования отражённой от дна снаряда волны давления в районе расположения нижнего полузаряда наблюдается обратное течение продуктов сгорания с максимальной отрицательной скоростью

максимального значения скорости потока перемещается от дна камеры к дну снаряда. В районе дна камеры сгорания формируется зона торможения потока, а в районе дна снаряда - зона максимальных скоростей. На момент времени г-Пмлс и далее при /=8шс распределение скорости течения продуктов сгорания по длине камеры сгорания качественно не меняется. По мере увеличения скорости движения снаряда увеличивается и скорость потока в районе дна снаряда, максимальное значение которой при t=9млс составляет U”,ах ~ 1550лi / с. Одновременно уменьшается скорость потока в районе дна камеры.

На рис.2.19 представлено изменение температуры в градусах Кельвина {К) газообразных продуктов сгорания по длине

- 8млс

---- 9млс

Рис.2.19. Изменение температуры продуктов сгорания по длине камеры в различные моменты времени при Т0= 293АГ.

камеры сгорания артиллерийского орудия (м) в различные моменты времени при начальной температуре срабатывания Т0= 293К . Обозначения на рисунке те же, что и на рис.2.17. На момент времени t-Тлтс высокотемпературный поток продуктов сгорания с максимальной температурой Т”ш ~ 2500К омывает

нижний полузаряд. Верхний полузаряд, который ещё не горит, и снаряд находятся в низкотемпературной зоне. При t=3mc и далее при t-Амлс распределение температуры газового потока по длине камеры сгорания резко меняется. В данный интервал времени при полном воспламенении поверхности горения порохового заряда и начале движения снаряда распределение температуры по длине камеры сгорания выравнивается. Зона максимального значения температуры газа с номиналом в Т”,ах ~3000К перемещается к

центру камеры сгорания орудия. На момент времени t=5mc при отходе нижнего полузаряда от дна камеры сгорания и отходе снаряда от верхнего полузаряда температура газа в районе дна камеры и в районе дна снаряда повышается, достигая наибольшего значения Т",ах ~3500 К . При t=6.тс и далее по времени при

/=7,8,9л*лс особые высокотемпературные зоны в районе дна камеры и дна снаряда сохраняются. Причём при общем падании уровня распределения температуры газообразных продуктов сгорания по длине камеры сгорания орудия идёт интенсивный локальный рост температуры в районе дна снаряда. Максимальное значение температуры газового потока достигает здесь значения

5200а:.

Впроцессе движения в камере сгорания помимо газообразных продуктов сгорания принимают участие и полузаряды (точнее несгоревшие их части). Каждый полузаряд (нижний и верхний) движутся в пакетном режиме со своей скоростью.

Втаблице 2.9 представлено изменение положения по длине камеры сгорания нижнего полузаряда (а) и верхнего полузаряда (б) артиллерийского выстрела в различные моменты времени при

начальной температуре срабатывания Т0 =293К . Изменение

положения фиксируется по текущей координате (л/) начала нижнего или верхнего полузаряда. По времени срабатывания артиллерийского выстрела нижний полузаряд смещается по длине камеры сгорания на расстояние А1”,ах= 0,033л*, верхний полузаряд

- на расстояние А = 1,430л*. Основное перемещение полу­ заряды осуществляют во второй половине интервала времени выстрела. Перемещение полузарядов существенно сказывается на распределение газодинамических параметров потока по длине камеры сгорания орудия и по времени срабатывания артил­ лерийского выстрела.

Таблица 2.9. Изменение положения по длине камеры нижнего полузаряда

начальной температуре срабатывания артиллерийского выстрела.