发射药氧平衡对燃烧产物浓度影响计算

1、中北高校 2022 届毕业设计说明书目 录1 引言. 1 1.1 选题的背景和意义 . 1 1.2 国内外争论概况 . 1 1.2.1 国外争论概况 . 1 1.2.2 国内争论现状 . 2 1.3 主要争论内容 . 3 2 发射药燃烧产物的运算原理及方法 . 4 2.1 发射药的氧系数 . 4 2.2 发射药的氧平稳 . 4 2.3 迭代法运算火药燃烧产物浓度 . 5 2.4 最小吉布斯能法 . 7 2.5 列主元法解线性方程组 . 11 3 最小自由能法的建模及结果与争论 . 13 3.1 最小自由能法的建模 . 13 3.2 氧平稳对火药燃烧产物影响 . 15 3.3 小结 . 18 4

2、 结论. 19 附录 . 20 参考文献 . 27 致谢 . 29 第 1 页 共 30 页中北高校 2022 届毕业设计说明书1 引言1.1 选题的背景和意义火药是指在适当的外界能量作用下,自身能进行快速而有规律的燃烧,同时生成大量高温气体的物质； 火药的燃烧是一种氧化仍原反应,火药自身包含氧化元素与仍原元素, 从元素组成来看, 火药通常由碳 （C）、氢（H）、氧（O）、氮（N）四种元素组成,其中碳、氢是可燃元素,氧是助燃氧化剂,氮是载气体；它可以在隔绝外界环境的条件下在适当的外界作用时发生自身的氧化仍原反应；人们利用火药燃烧化学反应将化学能转变成热能；为了充分利用此热能, 在火药设计中会尽

3、可能增加燃烧放热量及比容； 火药的燃烧放热量及比容都与火药组成有很大关系,在不同氧平稳下火药被氧化的程度不同,燃烧产物浓度自然也就不同；由此可见,要争论火药的能量性能和燃烧性能,就需要争论火药燃烧产物的生成规律,通过最小吉布斯自由能法可以求出火药燃烧产物浓度,进而争论不同组分的 加入对火药燃烧产物的影响； 这不仅可以帮忙人们判定火药的实际燃烧程度及对 人体的危害和对环境的污染等, 对于指导火药配方的理论设计和试验争论也有着 特别重要的意义 1-3 ；1.2 国内外争论概况 1.2.1 国外争论概况为了明白火药燃烧过程的物理化学本质,从理论上掌握和调剂火药的燃烧性能参数,很多学者从40 岁月以后

4、就对火药的燃烧机理进行了争论4 ；另外国外很多闻名的烟火学家也建立了如干烟火药燃烧理论模型,如希洛夫的烟火药燃烧火焰结构物理模型 5 、埃利 弗里曼稳态燃烧模型、希特洛夫斯基模型 6 以及针 对 Mg与聚四氟乙烯 PTEE体系的 Ladouceur 和 Kubota 燃烧数值模型 7 ；至于火药燃烧产物浓度的运算, 国内外最常采纳的都是最小自由能法；另外 能够较 国外也常常会采纳布莱克林法； 布莱克林法是从基本方程动身推导出的,好地防止平稳组分法在运算中初始值难以设定及在要求较高精度时代次数高的 弊病；最小吉布斯自由能法就是将火药的燃烧产物组成问题转化为以元素守恒原理为约束条件的平稳状态下自由

5、能最小的极值问题；依据热力学原理, 在高温条件下,燃烧气体产物可视为抱负气体, 这时物系的自由能就等于组成该体系各组第 1 页 共 30 页中北高校 2022 届毕业设计说明书分的自由能之和, Gn=GiXi ；一种物质的自由能是温度,压力和浓度的函数,当体系达到化学平稳时,体系的自由能就达到最小；因此在肯定温度和压力下,求出既能使体系的自由能为最小,又能满意体系质量守恒的一组组分值,即为该条件下的平稳组分,整个过程的运算采纳电子运算机编程, 迭代至要求精度为止,求得火药燃烧最优平稳组成；这种方法具有广泛的应用意义 8 ；1.2.2 国内争论现状 对于火药燃烧产物浓度的运算目前国内常用的方法有

6、三种：第一种是利用化学平稳原理运算； 其次种是最小吉布斯自由能法运算；第三种是采纳图解法得到的体会公式；最小吉布斯自由能法是目前用得较多的方法之一；在化学平稳原理方法中, 第一假设主要的燃烧产物和主要的解离产物,依据原子守恒与解离平稳常数列等式,将各产物浓度以各元素数表示, 通过运算机编程运算,适合含化学元素较少的系统的简化运算 8 ；而随着武器的不断进展,对 火药的要求越来越高, 火药的组分和组成火药的化学元素越来越多,火药的能量 越来越高,各种解离产物随温度上升而快速增大, 接下来的运算会变得特别繁琐；由此可见,化学平稳原理的方法具有明显的局限性；在体会公式法中, 工程上通常都是采纳直线拟

7、合方法通过变量代换把曲线回（回来分析是指应用 归转化为直线回来问题, 利用回来分析方法来求得体会公式 数学的方法, 对大量的观看数据进行处理, 从而得出比较符合事物内部规律的数 学表达式）；火箭火药燃烧产物成分随温度的变化近似为幂函数,属于一元非线 性回来问题； 大量的运算说明对于双基火箭火药的燃烧产物组分浓度的运算,本 方法的精确度很高； 可见当无法求得理论公式或理论公式太繁琐时,体会公式能较客观地反映事物的内在规律性,适用范畴比较狭窄 9-10 ；也能使运算更为简洁, 便于应用； 但缺点便是希洛夫的烟火药燃烧火焰结构物理模型、埃利弗里曼稳态燃烧模型、 希特洛夫斯基模型等的争论仅限于局部参数

8、在有限条件下的模拟运算,理论模型大都建立在各种假设和约束条件之上,涉及到的因素较少, 不足以指导火药的合成和燃烧性能猜测；故而北京理工高校的焦庆忠、焦清介等人争论了神经网络技术,通过模拟人类认知的微结构, 躲开了燃烧理论的建模与运算, 选用多层前馈型神 经网络结构 , 模拟黑火药反应并猜测燃烧体系产物种类、数量及特性参数,并对第 2 页 共 30 页中北高校 2022 届毕业设计说明书仿真结果与试验结果进行对比争论,误差低于 的无限靠近 11 ；7,实现对期望函数 试验数据 对于火药燃烧产物的实际测定, 西安近代化学争论所在国内领先开展了比较系统的发射药烟焰特性以及推动剂烟雾测试争论工作,通过

9、气象色谱、 红外光谱完成气体成分定量, 它利用气体采集装置与密闭爆发器直接相连,电化学传感器 实时采样读数的方法, 对发射药燃烧产物进行了分析； 精确性和重复性都很好 12 ；另外西安近代化学争论所仍公开了一种真空条件下火药燃烧特性测试装置,主要 包括燃烧室、真空泵、电加热器、热电偶、高速摄像仪及数据采集处理系统；本 创造的突出优点是,集成度高,一次测量可获得多种参数,试验费用低 13 ；最小自由能法的应用特别广泛；北京理工高校的陈明华、温玉全等人在对 MTV烟火剂的燃烧性能运算中采纳最小自由能法运算了不同配比的 MT烟火剂燃 烧后的温度、 反应热、 析碳量和氟化镁等参数, 确定了燃烧后产生最

10、大温度和最 大反应热的配比, 并由此对在红外辐射中起重要作用的析碳和氟化镁的量进行了运算和分析14 ；而在单基发射药氧平稳调解的课题中,中北高校的吕智星、 贺增弟等人采纳最小自由能法运算了单基发射药的爆温、爆热、火药力和燃气组成,探讨了硝酸铵含量对于发射药炮口焰的影响15 ；另外,南京理工高校的赵志建、刘明伟等人在对于多基硝铵火药稳态燃烧模型的争论中也采纳了最小自由能法,提出了描述多基硝铵火药燃烧过程中个含能组分热分解动力学、主要分解和燃烧 产物特性,燃烧比表面变化,火药中的间隙率等因素的数学模型 16 ；1.3 主要争论内容 应用最小自由能法原理, 编辑 C语言程序, 求解火药燃烧产物浓度；

11、最小自由能法运算过程中的初始值的求解应用平稳迭代原理；最小自由能法运算过程中的线性方程组采纳列主元法运算；转变火药组分比例, 运算转变后的燃烧产物浓度,由此探讨氧平稳对火药燃烧产物浓度的影响；第 3 页 共 30 页中北高校 2022 届毕业设计说明书2 发射药燃烧产物的运算原理及方法火药燃烧产物的组成主要取决于火药自身的元素组成和燃烧时的条件等；火药燃烧时放出大量的热, 因而燃烧产物所能达到的温度是很高的；高温时燃烧产物间要发生化学平稳反应和燃烧产物的解离反应；应用化学平稳法求得初始值,结合最小自由能法即可求解火药燃烧产物浓度；主元法求解；2.1 发射药的氧系数运算过程中的线性方程组采纳列氧

12、系数即火药中所含的氧化元素物质的量与火药中所含可燃元素完全氧化 所需氧的物质的量之比；即式中no,i（2.1 ）n ,i 氧系数mol no,i火药中所含氧化元素的物质的量,mol no,i火药中所含可燃元素完全氧化所需氧化元素的物质的量,当 =1 时,物质中氧化元素物质的量与可燃元素完全氧化所需氧化元素物质 的量相等, 符合等物质的量规章, 此时进行燃烧化学反应所放出的热量最大；当1 时,属富氧化合物；当1时,属缺氧物质；在火药设计中,为提高火药的做功才能,除考虑燃烧时放热量大以外,仍要考虑比容的大小；2.2 发射药的氧平稳 所谓氧平稳是指： 火炸药或组分中所含氧的质量与所含可燃元素完全氧化

13、所 需氧的质量之差值；运算常常以百分数表示；式中O bn o,i-Mnf,i16100%（2.2 ）Ob氧平稳mol/molno,i火药或组分中所含氧化元素原子的物质的量之和,nf,i火药或组分中所含可燃元素完全氧化所需氧元素原子的物 质的量之和, mol/mol M火药或组分的摩尔质量第 4 页 共 30 页中北高校 2022 届毕业设计说明书 当 Ob0 时,该物质为正氧平稳；发射药成分通常包括硝化纤维素、溶剂、安定剂等,而 这些组分大多说为负氧平稳,故而发射药也大多为负氧平稳；2.3 迭代法运算火药燃烧产物浓度 在高温下燃烧产物间要发生化学平稳反应和燃烧产物的解离反应；例如,含C、H、O

14、、N四种元素的一般发射药燃烧时的主要产物有这些燃烧产物中存在水煤气平稳反应,即CO 2+H2 CO+H 2O CO、CO 2、H2、H2O、N2；这个平稳反应随温度变化而向不同方向移动,温度上升, 平稳向右移动, 产物之间含量比例发生变化；在高温下,燃烧产物间要发生解离,主要解离产物有 OH,H,O2,O,N,NO 等；有如下的解离反应：H2 2H H2O OH+H N2 2N CO CO+O CO CO+1/2O；解离反应是一种吸热反应,所以随着燃烧温度的上升,解离程度愈大 8 ；对于一般能量不高的发射药,燃烧温度不高,解离很少,可以忽视；但对于高能的推动剂,由于燃烧温度在 3500K以上,

15、甚至 4000K以上,这时,燃烧产物的解离反应很严峻,燃烧产物种类明显增多； 解离反应一方面使火药的化学潜能释放不完全,另一方面又增加火药的比容,对于高能火药可以增加比容而补偿解离消耗的热能；压力对于燃烧产物组成有重要的影响,压力增加, 解离反应就困难, 对于发射药在枪炮膛压力条件下燃烧,压力高达数百兆帕时, 解离程度不高； 推动剂在火箭燃烧室压力条件下燃烧,压力为数十兆帕至数百兆帕,就解离反应很明显,燃烧产物的浓度要受到相互间一系列化学反应平稳的制约；对此,只考虑燃烧产物均为气态时的平稳组成；第 5 页 共 30 页中北高校 2022 届毕业设计说明书火药假定化学式为 CaHbOcNd,对于

16、一般火药, 氧系数小于 1,但假设其均能使C原子完全气化；那么依据化学反应原理,可将火药燃烧的化学反应写为：C aHbO cNdn CO 2CO 2n COCOn H2OH2On HHn N2N2n HHn O2n OOn NOn OHOHO 2NO依据原子守恒定律,可列以下方程组,n Cn CO2n CO2n OHn H2n O2n On NO（2.3 ）n H2 n H2 n H2On On COn OH2 n CO 2n H2On Nn N2 nN2n NO由于含有 CO、CO2、H2、H2O,存在水煤气平稳反应：H2+CO CO+H 2O 其平稳常数为Kwp COp H2On COn H2O（2.4 ）p CO 2p H2n CO 2n H2其平稳常数 Kw是随温度的转变而转变,在给定温度下可热力学数据手册查得；在第一次近似求解时,先假设次要组分（2.3 ）和式（ 2.4 ）简化、合并得OH,H,O2,O,N,NO 为 0, ；这样可将