基于详细化学反应动力学的激光点火模型_田占东

第31卷第3期

2011年5月

1455（2011）03-0285-05文章编号：1001-爆炸与冲击EXPLOSIONANDSHOCKWAVESVol．31，No．3May，2011

基于详细化学反应动力学的激光点火模型

1112田占东，张震宇，卢芳云，赵剑衡*

（1．国防科技大学理学院技术物理研究所，湖南长沙410073；

2．中国工程物理研究院流体物理研究所，四川绵阳621900）

摘要：为研究含能材料在激光作用下的点火特性，从基本守恒方程组出发，基于详细化学反应动力学模

型，建立了含能材料激光点火的气相模型。利用所建立的模型对RDX在激光辐照下的点火过程进行了数值模拟，得到了点火过程中的瞬时温度分布和组分分布，对点火特性进行了分析。计算得到的不同激光功率密度下的RDX点火延迟时间与文献结果一致。

关键词：爆炸力学；激光点火；点火延迟时间；详细化学反应；点火模型

中图分类号：O389国标学科代码：130·35文献标志码：A

含能材料激光点火模型一直受到学者们的关注，早期的研究以经验、半经验模型为主。模型大致分

［1］［2］成3类：固相模型、异相模型和气相模型。R．K．Kumar等建立了均质推进剂辐射点火模型，指出气

相反应起着重要作用。Y．C．Liau等将描述含能材料燃烧过程的详细化学反应动力学引入激光点火

232个反应道，过程，首先建立了RDX气相点火的详细模型。模型的气相反应机制包括45个组分、凝

Y．C．Liau等将此模型推广至研究聚相分解由两阶段反应模型描述，点火时间与实验结果符合很好，

HMX。K．V．Meredith［4］在Y．C．Liau等的研究成果基础上，引入气相中的动量守恒方程，对HMX激光点火和快烤燃过程进行了数值模拟。

本文中，在他人研究成果的基础上，在气相中采用详细化学反应动力学模型，建立含能材料激光点火的物理模型，并以RDX为例，对激光点火过程进行数值分析。［3］［1］

1物理模型

RDX吸收激光能量温度逐渐升高，激光照射在初始RDX固体表面，达到熔化温度后继续吸收能量

［1］发生相变，形成液相RDX，忽略固相RDX的反应，液相

RDX发生分解和蒸发。固相和液相统称为凝聚相。气相中

初始为环境气体，本文中选择惰性气体Ar，因为惰性气体不

会影响RDX及其分解产物的反应，又能保证初始压力和密度

的存在，随后凝聚相的分解和蒸发产物逐渐进入气相，随着反

应物的累积和温度的不断升高，气相中的化学反应逐渐加剧，

最终发生点火。物理模型示意图如图1所示。

1．1控制方程图1RDX激光点火物理模型示意图Fig．1PhysicalmodeloflaserignitionofRDX

以液相和气相的分界面为参考点，分别建立凝聚相和气相的控制方程。凝聚相的主要物理过程包括热传导、分解反应和蒸发，控制方程为能量守恒和组分连续性方程

ρcpTTT－+ρucp－λtxxx()ωiWiHi∑i－Qc=0（1）

*02-25；修回日期：2010-06-01收稿日期：2010-

基金项目：国家自然科学基金委员会-中国工程物理研究院联合基金项目（11076029）

作者简介：田占东（1978—），男，博士研究生，讲师。

286爆炸与冲击第31卷

YiYi·

+ρu=ωiWi（2）tx

气相是由多种物质组成的可压缩流体，基本物理过程包括热传导、对流、扩散、化学反应以及组分对

ρ

激光能量的吸收，控制方程为质量守恒、动量守恒、能量守恒和组分连续性方程

ρ

+（ρu）=0tx

4（u）（uu）pu=0++－μ3xtxxxN

4ρHppρuH（ρYiViHi）T+∑－－u+－－μuλ

3ttxxxxxi=1x

（3）

[

[][

]]

（4）

2

[]

－Qg=0

（5）（6）

（ρYi）（ρuYi）·

++（ρViYi）－ωiWi=0txx

·

u、p、T、H分别表示密度、cp、式中：ρ、质点速度、压力、温度和混合物的焓，μ和λ是比定压热容、粘Yi、Wi、Vi分别是组分i的质量分数、性系数和热传导系数，ω、分子量、摩尔生成速率及其在混合物中



Q的扩散系数，c和Qg分别表示凝聚相和气相吸收的激光能量。

为使方程组封闭，还需引入气相的状态方程，采用理想气体状态方程

ρ=

式中：R为普适气体常数。

蒸发的质量速率

m=

·

p

N

RT∑

i=1

Yi

Wi

（7）

14

pWpe

－X

πWRTp()

（8）

X表示气相中含能材料初始组分的物质的量浓度。式中：pe表示蒸发压力，

1．2边界条件

－

凝聚相左边界（－∞）是Dirichlet边界条件，右边界（0）是Neumann边界条件，即

YRDXx=－∞=1．0，Tx=－∞=T0

（9）（10）

－λc

T

x

·

0－

=－λgT

x

0+

－meHe+q″l

·

0+

″

meHe表示界面处由于蒸发产生的能量损失。ql表示激光热流，T0式中：下标c和g表示凝聚相和气相，

表示初始温度。

+

气相中左边界条件（0）和右边界条件（+∞）分别为

(ρu)=(ρu)x=0－，Tx=0+=Tx=0－，x=0+

Yi

p

+∞

x=0+

=Yi

x=0－

（11）（12）

ρu

x

1．3

化学反应

=

+∞

Yix

+∞

=Tx

=0，

+∞

=p0

化学反应的一般形式可写作

'″υikχi∑υikχi∑ii

'″

式中：υik和υik分别表示第k个反应中第i种组分的化学当量系数，χi为组分i的分子式。

第k个可逆反应的化学反应速率可表示为

（13）

qk=kfk∏[Xi]υ'ik－krk∏[Xi]υ″ik

i

i

（14）

式中：

[X]

i

kfk和krk表示第k个反应的正向和反向反应速率常数。表示组分i的物质的量浓度，

第3期田占东等：基于详细化学反应动力学的激光点火模型287

正向反应速率常数与温度相关，遵循Arrhenius定律

kfk=AkTβkexp

(－Ek

RT)

（15）

Ek分别是第k个反应的指前因子、式中：Ak、βk、温度指数和活化能。

反向反应速率常数与正向反应速率常数通过平衡常数相关。于是，组分i的生成速率可写成

ωi=

气相反应采用45组分232反应道1．4

［5］

·

(υ″

∑ikk

－υ'ik)qk

［1］

（16）

。

描述，液相采用两阶段反应过程

物性参数

3

凝聚相RDX的密度为1．8g/cm，热传导系数为0．278J/（K·s·m），熔化温度478K，固相和液相

145．88kJ/mol，的生成焓分别为112．02、比热容和蒸发压力与温度相关，分别可表示为（20．32+3.53T）

J/（K·s·m）和133．32×1011．87－5850/TPa［6］。气相组分的比热容、焓、粘性系数、热传导系数、扩散系数

7-8］。随温度变化，因此，混合物的相应参数是温度和组分浓度的函数，参数主要取自文献［

2结果分析与讨论

2

基于上述理论，利用有限差分方法编制相应的计算程序，计算获得了激光功率密度为400W/cm、环境压力为1个大气压情况下的RDX激光点火过程。计算取凝聚相和气相界面为0点，凝聚相所在区

0)，+∞)。图2、3分别为凝聚相和气相中不同时刻的温度分布：由于吸收域(－∞，气相所在区域(0，

8ms以后表面温度达到稳定。激光能量，凝聚相温度不断上升，在2ms时，燃烧表面已达到熔化温度，凝聚相中温度最大值出现在接近表面的地方，这是因为越靠近表面吸收的激光能量越多，而表面存在蒸

发过程需要消耗一部分能量

。

图2不同时刻凝聚相中的温度分布Fig．2Temperaturedistributionincondensed

region

图3不同时刻气相中的温度分布Fig．3Temperaturedistributioningasregion

RDX蒸汽进入气气相中初始阶段的主要物理过程是热传导，温度上升较为缓慢，随着表面的蒸发，相，在气相中只有RDX和CO2组分可以吸收一定的激光能量，所以在6．0ms左右距表面约0．3mm处

化学反应逐渐加速，在7．5ms时距表面0.5温度上升较快。经过一段时间反应物的累积和温度的升高，

mm处的温度迅速上升至1．3kK以上，形成初级火焰，并向外扩展，一直到9．0ms左右，由图中可以看

出，初级火焰的温度约1．5kK。9．0ms以后，温度再次迅速升高，到9．5ms时距表面约4．6mm处的温度已经超过3kK，形成次级火焰，气相发生点火。一旦点火，火焰（图中以温度表示）迅速向凝聚相表面回传。

为更加详细地理解气相中的反应过程，有必要对气相中的组分摩尔分数进行分析。文中计算时采用组分的质量分数Yi作为未知量，因此需要将其转换成摩尔分数Xi，转换公式为

Xi=YiW/Wi

（17）

288爆炸与冲击第31卷式中：W为多组分混合物的平均分子量。

RDX蒸汽图4给出了4个时刻气相中主要组分的摩尔分数以及相应的温度分布。当表面蒸发后，

气相中的初始组分Ar被“吹离”表面。在7．0ms时，除初始组分Ar和少量凝聚相分解产物进入气相，

和蒸发组分RDX外，其余组分的最大摩尔分数也不超过0．05，说明此时反应还很微弱，温度的上升主要是由于热传导和RDX蒸汽对激光能量的吸收造成的

。

图4气相中的组分摩尔分数分布

Fig．4Molefractiondistributioningasphase

NO在7．5ms时，局部反应加速，主要生成H2O、

和HCN，还有少量其他组分，同时反应逐渐向外扩展，

直到9.0ms都是初级火焰的形成和次级火焰的准备

阶段。这期间主要的放热反应是氮化反应，但氮化反

所以初级火焰的温度维持在1．5kK应时间相对较长，

左右。随着氮化反应的完成，温度迅速升高，生成的主

CO、H2O和H2，要产物包括N2、最终发生气相点火。

图5为激光功率密度不同时的点火延迟时间（环

6，9］境压力为1个大气压），图中还给出了文献［的实

验结果，考虑到实验数据的分散性，可以认为本文的计

算结果与实验结果一致。图5点火延迟时间和激光功率密度的关系

Fig．5Effectoflaserintensityonignitiondelaytime

3结论

从基本守恒方程组出发，建立了含能材料激光点火的三相模型，详细考虑了其中的热传导、对流、扩

用详细化学反应动力学模型描述气相中的反应，对气相组分采用随温度变化的物性参散等物理过程，

数。数值模拟结果显示RDX激光点火过程要经历惰性加热、熔化、分解与蒸发、形成初级火焰以及点火

第3期田占东等：基于详细化学反应动力学的激光点火模型289并形成次级火焰几个阶段。计算得到的点火延迟时间与文献一致。

参考文献：

［1］LiauYC，KimES，YangV．Acomprehensiveanalysisoflaser-inducedignitionofRDXmonopropellant［J］．Combust

Flame，2001，126（3）：1680-1698．

［2］KumarRK，HermanceCE．Roleofgasphasereactionsduringradiantignitionofsolidpropellants［J］．CombustionsSci-

1976，14（46）：169-175．enceandTechnology，

［3］LiauYC，LymanJL．Modelinglaser-inducedignitionofnitraminepropellantswithcondensedandgas-phaseabsorption

［J］．CombustionsScienceandTechnology，2002，174（3）：141-171．

［4］MeredithKV．IgnitionmodelingofHMXinlaser-inducedandfast-cookoffenvironments［D］．ProvoUT：BrighamYoung

University，2003．

［5］YetterRA，DryerFL，AllenMT，etal．Developmentofgas-phasereactionmechanismsfornitraminecombustion［J］．

JournalofPropulsionandPower，1995，11（4）：683-697．

［6］BecksteadMW，PuduppakkamK，ThakreP．Modelingofcombustionandignitionofsolid-propellantingredients［J］．

ProgressinEnergyandCombustionScience，2007，33（6）：497-551．

［7］KeeRJ，RupleyFM，MillerJA．thechemkinthermodynamicdatabase［R］．SandiaNationalLaboratoriesReport

SAND87-8215B，1990．

［8］CloutmanLD．Aselectedlibraryoftransportcoefficientsforcombustionandplasmaphysicsapplications［R］．UCRL-ID-

139893，2000．

［9］ParrTP，Hanson-ParrDM．RDXignitionflamestructure［C］∥The27thSymposium（International）onCombustion．

Pittsburgh：TheCombustionInstitute，1998：2301-2308．

Modelingandsimulationoflaser-inducedignition

usingdetailedchemicalkinetics*

TIANZhan-dong1，ZHANGZhen-yu1，LUFang-yun1，ZHAOJian-heng2

（1．InstituteofTechnicalPhysics，CollegeofScience，NationalUniversityofDefenseTechnology，

Changsha410073，Hunan，China；

2．InstituteofFluidPhysics，ChinaAcademyofEngineeringPhysics，

Mianyang621900，Sichuan，China）

Abstract：Inordertoinvestigateignitioncharacteristicofenergeticmaterialsradiatedbylaser，agas-phasereactionmodelwasestablishedusingdetailedchemicalkinetics．Inthemodel，45speciesand232reactionstepswasusedtodescribegasphasemechanism．Thenthemodelwasusedformodelingtheprocessoflaser-inducedignitionofRDX．TemperaturedistributionsinbothcondensedandgasphasewereobtainedtoanalysetheprocessofignitionofRDX．MoleFractionsofmainspecieswerepresentedtoshowthechemicalreactionprocessinthegasphase．Thecalculatedignitiondelaytimesareconsistentwiththeresultsinliteratures．Keywords：mechanicsofexplosion；laser-inducedignition；ignitiondelaytime；detailedchemicalkinetics；ignitionmodeling

*Received25February2010；Revised1June2010

SupportedbytheJointFundoftheNationalNaturalScienceFoundationofChinaandtheChinaAcademyof

EngineeringPhysics（11076029）

Correspondingauthor：ZHAOJian-heng，jianh_zhao@sina．com

（责任编辑曾月蓉）