发射药氧平衡对燃烧产物浓度影响计算

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1、目录1引言11.1选题的背景和意义11.2国内外研究概况11.2.1国外研究概况11.2.2国内研究现状21.3主要研究内容32发射药燃烧产物的计算原理及方法42.1发射药的氧系数42.2发射药的氧平衡42.3迭代法计算火药燃烧产物浓度52.4最小吉布斯能法72.5列主元法解线性方程组113最小自由能法的建模及结果与讨论133.1最小自由能法的建模133.2氧平衡对火药燃烧产物影响153.3小结184结论19附录20参考文献27致谢291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，自身能进行迅速而有规律的燃烧，同时生成大量高温气体的物质。火药的

2、燃烧是一种氧化还原反应，火药自身包含氧化元素与还原元素，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还原反应。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，在不同氧平衡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，要研究火药的能量性能和燃烧性能，就需要研究火药燃烧产物的生成规律，通过最小吉布斯自由能

3、法可以求出火药燃烧产物浓度，进而研究不同组分的加入对火药燃烧产物的影响。这不仅可以帮助人们判断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实验研究也有着非常重要的意义[1-3]。1.2国内外研究概况1.2.1国外研究概况为了了解火药燃烧过程的物理化学本质，从理论上控制和调节火药的燃烧性能参数，许多学者从40年代以后就对火药的燃烧机理进行了研究[4]。另外国外许多著名的烟火学家也建立了若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(P

4、TEE)体系的Ladouceur和Kubota燃烧数值模型[7]。至于火药燃烧产物浓度的计算，国内外最常采用的都是最小自由能法。另外国外也经常会采用布莱克林法。布莱克林法是从基本方程出发推导出的，能够较好地避免平衡组分法在计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则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衡状态下自由能最小的极值问题。根据热力学原理，在高温条件下，燃烧气体产物可视为理想气体，这时物系的自由能就等于组成该体系各组分的自由能之和，G(n)=Gi(Xi)。一种物质的自由能是温度，压力和浓度的函数，当

5、体系达到化学平衡时，体系的自由能就达到最小。因此在一定温度和压力下，求出既能使体系的自由能为最小，又能满足体系质量守恒的一组组分值，即为该条件下的平衡组分，整个过程的计算采用电子计算机编程，迭代至要求精度为止，求得火药燃烧最优平衡组成。这种方法具有广泛的应用意义[8]。1.2.2国内研究现状对于火药燃烧产物浓度的计算目前国内常用的方法有三种：第一种是利用化学平衡原理计算；第二种是最小吉布斯自由能法计算；第三种是采用图解法得到的经验公式。最小吉布斯自由能法是目前用得较多的方法之一。在化学平衡原理方法中，首先假设主要的燃烧产物和主要的解离产物，根据原子守恒与解离

6、平衡常数列等式，将各产物浓度以各元素数表示，通过计算机编程计算，适合含化学元素较少的系统的简化计算[8]。而随着武器的不断发展，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升高而迅速增大，接下来的计算会变得非常繁琐。由此可见，化学平衡原理的方法具有明显的局限性。在经验公式法中，工程上通常都是采用直线拟合方法通过变量代换把曲线回归转化为直线回归问题，利用回归分析方法来求得经验公式（回归分析是指应用数学的方法，对大量的观察数据进行处理，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

7、变化近似为幂函数，属于一元非线性回归问题。大量的计算表明对于双基火箭火药的燃烧产物组分浓度的计算，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，经验公式能较客观地反映事物的内在规律性，也能使计算更为简洁，便于应用。但缺点便是适用范围比较狭窄[9]-[10]。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研究仅限于局部参数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预测。故而北京理工大学的焦庆忠、焦清介等人研究了神经网络技术，通过模拟人类认

8、知的微结构，避开了燃烧理论的建模与运算，选用多层前馈