可燃多孔介质堆积状态下热特性的模拟研究215;【精品论文大全】 .doc

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1、精品论文推荐可燃多孔介质堆积状态下热特性的模拟研究粘素环，郝英立，许忠林，施明恒 东南大学能源与环境学院，南京 （210096） E-mail：mhshi摘要：对堆积条件下可燃多孔介质（弹药）的热特性进行了数值模拟，通过比较几种不同 情况下箱装弹药所处的温度场、速度场，得出了箱子的排放状况、窗口的位置、入流的温度对箱装弹药安全性的影响。通过计算发现：来流温度越低，库房内温度最大值越低，箱装弹药越安全；在入风窗口高度一定时，箱子的堆放高度存在一个最大值，此最大值与窗口位置 相关联；相对于出风窗口，入风窗口对流场的影响较大。本文为堆垛条件下箱装弹药的安全 贮存提供了依据。关键词：可燃多孔介质，堆积

2、，环境状况，数值模拟0 引言在弹药各部件中，发射药最易受环境影响分解放热而发生自燃或自爆，它在一定条件下 的不安全性决定了弹药发生自燃自爆的危险性。因此发射药的安全贮存十分令人关注。目前， 国内外对发射药的热自燃条件进行了一些研究。由于发射药的热自燃取决于发射药放热与弹 药系统散热是否平衡，所以堆积情况和环境因素对堆积弹药的热自燃过程影响很大。姜培学等1 2通过在实验室进行的小模型试验及在野外进行的大模型试验的结果比较， 确定了发射药热自燃的反应模型并对环境因素或边界条件对发射药热自燃现象的影响进行 了数值模拟；刘礼斌等3研究了温度对发射药热自燃，分解放热速率以及分解反应热的影响； 姜培学等4

3、对具有多个离散内热源的非稳态导热与自然对流换热的耦合传热进行了数值模 拟；路桂娥等5进行了发射药的热自燃实验；Colakovic6对枪炮弹药的自燃进行了可能性评 估；JIANG 7调查了促进自燃的可能性危险。但贮存过程中的环境状况对弹药的安全贮存的 影响尚未深入研究，本文用数值模拟方法系统地研究了环境状况对堆积条件下的可燃多孔介 质热特性的影响，为箱装弹药的安全贮存提供了理论依据。1 数理模型本文研究的物理模型及坐标系如图1所示。具有一定宽高尺寸的库房的左侧和右侧墙壁 各开有一个一定尺寸的窗户。在距离左侧墙壁一定位置处开始堆放弹药堆，自左向右，自下 而上放有一定数量的箱子，箱子数目可以变化。相

4、邻箱子之间留有一定间隙。空气从左侧窗 口流入，经过堆垛的箱子与箱子进行对流换热，将热量从右侧窗口带出。由于长度方向足够 长，箱子足够多，所以只取宽高截面的箱子作为研究对象。每个装有弹药箱的内部结构为：一个圆柱金属药筒内装有发射药，药筒内表面与发射药 之间敷设一层护膛纸，即发射药产生的热量经过金属药筒，护膛纸和空气夹层到达包装箱， 最后由包装箱传递到空气中，由来流空气带走。控制方程为：( )- 5 -通用方程：t+ div(U ) = div( grad ) + S（1）本课题得到基金项目：高等学校博士点基金资助课题 (2004 0286029)的资助。连续性方程： + (u) + (v) =

5、0（2）txy进风口墙壁出风口y弹药箱x图1 物理模型及坐标系(u)(uu)(vu)puuu方向动量方程：+= +( ) +( )（3）txyxxxyy(v)(uv)(vv) pvvv方向动量方程：+= g +( ) +( )（4）txyyxxyy(T )(uT )(vT ) T T能量方程：+txy=(x C) +(p xy C p) + qyv（5）数值模拟过程中作如下假设：对于v方向动量方程，忽略体积力 g ；对于能量方程， 源项只存在于箱子四周的节点上。边界条件：墙体壁面： u = 0, v = 0,T =T w ；箱子表面： q = qb ；进风口：u = uin , v = 0,T

6、 = Tin ；出风口： u x = 0, T x = 0 。计算参数为：库房宽 4 米，高 3 米，箱子宽 0.5 米，高 0.28 米，x 向箱子间间距 0.02 米，y 向箱子间间距 0.04 米，窗子高 0.75 米，以上数据在计算过程中不发生变化； 左侧墙壁：地板到窗子下沿的高度为1.5米，窗子上沿到天花板的高度为0.75米，右侧墙壁： 地板到窗子下沿的高度为1.5米，窗子上沿到天花板的高度为0.75米，这些数据在计算过程中 会发生改变。网格的划分：x向箱子网格数为25，x向间距网格数为4，y向箱子网格数14，y向间距网 格数8，其他网格数在计算过程中会发生变化，故在此不予详述。2

7、结果与讨论2.1 弹药箱个数的影响为了得到弹药箱个数的影响，库房内其他条件设为定值：入流空气温度293.15K，墙壁 及地板温度298.15K，箱子温度308.15K，入流空气速度0.01m/s（为使计算尽快收敛，在 FORTRAN程序中给定某些区域初速度为0.001m/s），两侧墙壁完全对称，窗户高0.75米， 地板到窗子下沿的高度为1.5米，窗子上沿到天花板的高度为0.75米。图 2 32 只箱子时 u 方向速度场图 3 35 只箱子时 u 方向速度场图 455 只箱子时 u 方向速度场图 5 56 只箱子时 u 方向速度场由图 5 可知，箱子的堆放情况对流场有很大影响。箱子的堆放层数不宜

8、过高，否则气流 从箱子顶部绕流过去，气流在箱子所处区域流速很小，箱子与气流不能充分换热，不利于弹 药储存。随箱子排数的增加，箱子与两侧墙壁间空间变小，此间气流速度变小，不利于箱子 与气流换热。2.2 窗口位置的影响库房内放有 55 只箱子，入流空气温度 293.15K，墙壁及地板温度 298.15K，箱子温度308.15K，来流空气速度 0.01m/s。图 6 左侧窗口距地板 1.75 米时 u 向速度场 图 7 左侧窗口距地板 1.25 米时 u 向速度场图 8 右侧窗口距地板 1.75 米 u 向速度场图 9 右侧窗口距地板 1.25 米 u 向速度场将图 6-9 与图 4 对比可知，左侧

9、入风口的位置对流场的影响较之右侧出风口位置要大。 由图 4-9 可知左侧入风窗口位置和堆垛箱子的高度共同决定了速度场，当堆垛箱子高度超出 窗口下沿很多时，来流被抬高很多，气流从箱子上部流过，不能与箱子进行充分对流换热， 使得箱子散发出来的热量不能被及时带走，这对弹药储存十分不利，因此要合理调整窗口与 箱子的高度。2.3 入流温度的影响入流空气温度 288.15K，墙壁及地板温度 298.15K，箱子温度 308.15K，入流空气速度0.01m/s图 10 54 只箱子时温度场图 11 入口 288.15K，两侧窗口位置对称，温度场图 12 入口 288.15K 左侧窗口下沿距图 13 入口 2

10、88.15K，左侧窗口下沿距 地板 1.75 米，温度场地板 1.25 米, 温度场由图 10，11 可知当来流温度越低时，库房内最高温度越低，因此应尽量降低来流的温 度。对比图 4 可以看出，窗口位置亦对温度场产生很大影响。当左侧窗口位置越高时，箱子 与左侧墙壁间气流温度越高，并且靠左侧处温度高的箱子数目会增多。3 结论本文对堆积条件下的库存弹药的热特性进行了数值模拟，通过比较几种不同情况下箱 装弹药所处温度场、速度场，得出了箱子的排放状况、窗口的位置、入流的温度对箱装弹药 环境状况的影响。通过计算发现：入流温度越低，库房内温度最大值越低，箱装弹药越安全； 在入风窗口高度一定时，箱子的堆放高

11、度存在一个最大值，此最大值与窗口位置相关联；相 对于出风窗口，入风窗口对流场的影响较大，且入风口位置不宜过高，否则左侧箱子与气流 不能充分换热，不利于弹药储存。本文对堆垛条件下箱装弹药的安全贮存提供了可靠的理论 依据。参考文献1 姜培学,江劲勇,陈明华等.发射药热自燃的数值模拟研究,清华大学学报(自然科学版)1998,7,78-81.2 姜培学,任泽霈,江劲勇等.环境因素对发射药升温速率及安全性的影响分析,火炸药学 报,1998,4,24-28.3 刘礼斌,陈名华,柳维旗等.温度对发射药安全和能量影响的数值计算,弹道学报,2004,16(2).19-22.4 姜培学, 任泽霈, 江劲勇等. 箱

12、装发射药的温度变化规律及其安全性分析, 清华大学学报( 自然科学 版),2001,41:131-135.5 路桂娥,江劲勇,陈明华等.发射药的热自然实验研究,火炸药学报,2000,3.48-49.6 COLAKOVIC M. Probability estimation for the self-ignition of the gun powerdJ.PropellantsExplosives,1992,17:110-115.7 JIANG jin-yong.Research on the potential danger of propellant self-ignitionA.Theory

13、 pract energyMaterC.Beijing:The Publishing House of Ordance Industry,1997.Numerical Simulation of the thermal performance for combustible porous media Stored in StacksNian Suhuan，Hao Yingli，Xu Zhonglin，Shi MinghengSchool of Energy and Environment，Southeast University，Nanjing(210096)AbstractA Numeric

14、al simulation of the thermal performance for combustible porous media stored in stack is conducted in this work. Influences of the array of boxes, the position of windows and thetemperature of inflow on the thermal performance of combustible porous media are analyzed under different conditions. The

15、results show that when the temperature of inflow becomes low, thehighest temperature of the storehouse also becomes low. And therefore, the media stored in stackbecomes safer. If the height of the front window ventilator is defined, a highest value of boxes stored in stack exists, which is interrela

16、ted with the position of the front window ventilator. Compared with the back window ventilator, the front window ventilator is more important to the flow field. The height of the front window ventilator should not be very large, otherwise the heat exchange between the inflow and the boxes can not be carried out fully. As a result, it is unfavorable to the storage of the mrdia. Reliable reference to the safety of media stored in stacks is presented in this paper.Keywords：combustible porous media；stack；environmental aspect；numerical simulation