一种致盲弹辐射能量数值仿真系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种致盲弹辐射能量数值仿真系统及方法。所述仿真系统由化学反应动力学计算模块、传热计算模块、各层颗粒吸收和衰减系数计算模块、各层光程计算模块四部分构成。本发明专利技术计算了药剂燃烧过程中的7步子反应的能量吸收与释放，计算了燃烧“火球”各层之间能量传递过程。计算获得的燃烧“火球”空间尺度、光谱辐射能量均与实验数据匹配良好，并且得到了连续易于分析的光谱辐射能量数据分布。与传统的应用实验测得“火球”表面温度再用黑体辐射定律计算的方法相比，省去了实验步骤，提高了计算效率、计算精度和可靠性。该方法为强光致盲弹燃烧过程仿真提供了一种新思路，可作为工程计算的一种有效模型和方法。

【技术实现步骤摘要】
一种致盲弹辐射能量数值仿真系统及方法
本专利技术属于含能材料燃烧光谱辐射特性计算仿真领域，涉及不同配方的警用致盲弹燃烧过程中的光谱辐射能量数值仿真系统及方法。
技术介绍
闪光弹(Flashbang)，又称致盲弹、炫目弹或炫晕弹等，是一种以强光阻碍目标视力功能的一种轻型非致命武器，属于手榴弹的一种，为战术性的辅助工具之一。闪光弹被投掷后，会于数秒内发射刺眼强光，可以致使被攻击目标于短时间内有短暂性失明，使得目标顿时丧失反抗能力。除了以人为目标外，闪光弹亦有被用以投掷至坦克上光学器材的膜层，致使探测器失去了探测能力；另外，闪光弹亦有干扰敌人的战术用途。由于其携带方便，作用广泛，强光弹经常被用于警用、军用等许多方面。强光致盲弹药本身蕴藏有很高的化学能，通过燃烧反应部分转变成光能，并以强辐射光的形式释放，达到毁伤敌人目的。这种弹药具有致人眩晕失明失去抵抗能力和使光电探测器材“致盲”不能正常工作的特点。强光致盲剂热辐射诱导下冲击激励发光强度参数的计算，对于指导强光致盲剂配方设计及强光致盲弹弹体设计、装药设计以及点火方式等都有十分重要的意义。热辐射诱导下的发光或各向均匀强光是它与普通爆炸闪光、爆炸激励定向强激光和红外光的发出是有区别的。因此，对强光致盲弹的爆炸过程进行仿真分析是很有必要的。传统的强光致盲弹模型的建立均是以实验为基础，将致盲弹燃烧过程近似为黑体辐射，进而通过实验测得致盲弹燃烧产生“火球”表面温度来计算致盲弹的辐射能量，该方法是不准确的而且是非时变的，在某些精密条件下是不适用的。
技术实现思路
本专利技术目的是提供一种致盲弹辐射能量数值仿真系统及方法，基于含能材料燃烧爆炸“火球”形成机理研究，根据化学反应动力学理论、燃烧理论、传热理论、黑体辐射理论，考虑强光致盲弹化学药剂燃烧过程微观化学反应建立的燃烧、传热模型，能够精确地计算燃烧过程中化学反应各个步骤释放能量，从而计算得出致盲弹燃烧过程中某一时刻、各个波段的辐射能量及“火球”(辐射源)的空间尺度。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：一种致盲弹辐射能量数值仿真系统，包括化学反应动力学计算模块、传热计算模块、各层颗粒吸收和衰减系数计算模块和各层光程计算模块，其中：化学反应动力学计算模块，用于通过化学反应动力学对药剂的燃烧过程进行计算，得出药剂化学反应过程中各个时刻反应物、生成物、中间产物的质量与体积；传热计算模块，用于利用化学反应动力学计算模块得到的各个时刻反应物、生成物、中间产物的质量与体积通过对燃烧“火球”各层之间热传递、气体膨胀做功计算得到“火球”各层温度，从而可以计算出“火球”内各层微粒光谱辐射能量；各层颗粒吸收和衰减系数计算模块，用于利用化学反应动力学计算模块得到的各个时刻反应物、生成物、中间产物的质量与体积计算燃烧“火球”内部各层的颗粒吸收系数和衰减系数；各层光程计算模块，用于计算燃烧“火球”内部某层的某一颗粒向四周发射的各条光线经过“火球”各层的光程，并与各层颗粒吸收和衰减系数计算模块计算得到的燃烧“火球”内部各层的颗粒吸收系数和衰减系数相结合得到各层光谱辐射透过率。最后通过对之前模块计算得到的数据结合计算出致盲弹燃烧过程中某一时刻、各个波段的辐射能量。一种利用上述仿真系统进行致盲弹辐射能量数值仿真的方法，包括如下步骤：步骤一、用户输入药剂质量，以化学反应药剂微粒为研究对象，将研究对象分为内层、中间层和外层，通过化学反应动力学计算模块对药剂的燃烧过程进行计算，得出药剂化学反应过程中各个时刻反应物、生成物、中间产物的质量与体积；步骤二、以燃烧“火球”为研究对象，将“火球”分为N层层，将步骤一得到的药剂化学反应过程中各个时刻反应物、生成物、中间产物的质量与体积代入传热计算模块，通过下式计算得到“火球”各层温度Tk，i；其中，Ak为“火球”内部第k层表面积，Tk-1，i-1为第k-1层在i-1时刻的温度，Tk，i为第k层在i时刻的温度，hk-1，i-1和Jk-1，i-1分别为第第k-1层在i-1时刻的扩散热焓和扩散通量，hk，i和Jk，i分别为第k层在i时刻的扩散热焓和扩散通量，Wrad和W分别为辐射和对外做功损失的能量，mk、ck分别为第k层气体质量和比热容；由得到的某时刻“火球”内各层温度Tk，i可以计算出该时刻“火球”内各层微粒光谱辐射能量Qk，i(λ)：其中，h为普朗克常数，c为光速，λ为波长，k波为波尔兹曼常数；步骤三、将步骤一得到的药剂化学反应过程中各个时刻反应物、生成物、中间产物的质量与体积代入各层颗粒吸收和衰减系数计算模块，通过以下公式计算出弥散体系中各层颗粒吸收系数ε和衰减系数α，并与各层光程计算模块计算得到的燃烧“火球”内部某层的某一颗粒向四周发射的各条光线经过“火球”各层的光程相结合得到各层光谱辐射透过率Tk(λ)：εk(λ)＝Qabs(λ)；αk(λ)＝2πr2NQext(λ)其中：Qabs(λ)为各波段吸收效率因子，Qext(λ)为各波段衰减效率因子，αk(λ)为对应的消光系数，lk为微粒在第k层经过的光程，N为本征载流子数密度，r为“火球”半径；步骤四、将步骤二得到的各层微粒光谱辐射能量Qk，i(λ)、步骤三得到的各层光谱辐射透过率Tk(λ)结合以下公式得到燃烧“火球”对外辐射能量数据：其中：N光为粒子所发出的光线数，Qk，i(λ)为该层粒子光谱辐射能量，Qk外(λ)为该层粒子发出经“火球”吸收后辐射出的能量，ρk为各层粒子浓度，Q外·(λ)为“火球”对外光谱辐射能量。本专利技术计算了药剂燃烧过程中的7步子反应的能量吸收与释放，计算了燃烧“火球”各层之间能量传递过程。计算获得的燃烧“火球”空间尺度、光谱辐射能量均与实验数据匹配良好，并且得到了连续易于分析的光谱辐射能量数据分布。与传统的应用实验测得“火球”表面温度再用黑体辐射定律计算的方法相比，省去了实验步骤，提高了计算效率、计算精度和可靠性。总之，该方法为强光致盲弹燃烧过程仿真提供了一种新思路，可作为工程计算的一种有效模型和方法。本专利技术具有如下优点：1、能够快速仿真获得燃烧过程中“火球”(辐射源)的空间尺度、光谱辐射能量数据。2、能够获得连续易于观察的光谱辐射能量数据分布，比起以往计算获得的离散数据，本专利技术得到更加直观、精确、可靠地燃烧光谱辐射能量数据。3、无需实验测量中间数据，采用纯仿真方法获得燃烧光谱辐射能量数据。4、本专利技术可以推广到任意弥散体系燃烧光谱辐射量的计算。附图说明图1为致盲弹燃烧辐射能量计算总体方案；图2为化学反应研究对象分层示意图；图3为分层示意图；图4为坐标系示意图；图5为光线传输方向示意图1；图6为光线传输方向示意图2；图7为Al+KClO4光谱辐射曲线；图8为Al+KClO4辐射能量时变曲线。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的技术方案作进一步的说明，但并不局限如此，凡是对本专利技术技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本专利技术技术方案的精神和范围，均应涵盖在本专利技术的保护范围中。1、化学反应动力学计算模块强光致盲弹燃烧过程，化学反应过程中还原剂Mg和Al是主要研究对象。下面以Al+KClO4配方为研究对象介绍一下该模型的物理机理。反应动力学仍以单个颗粒及周围气体为研究对象，并认为“火球”中的每一层温度分布均匀，因此同一层中各个颗粒的化学状态函数是相同的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种致盲弹辐射能量数值仿真系统，其特征在于所述仿真系统由化学反应动力学计算模块、传热计算模块、各层颗粒吸收和衰减系数计算模块、各层光程计算模块四部分构成，其中：化学反应动力学计算模块，用于通过化学反应动力学对药剂的燃烧过程进行计算，得出药剂化学反应过程中各个时刻反应物、生成物、中间产物的质量与体积；传热计算模块，用于利用化学反应动力学计算模块得到的各个时刻反应物、生成物、中间产物的质量与体积通过对燃烧“火球”各层之间热传递、气体膨胀做功计算得到“火球”各层温度，从而可以计算出“火球”内各层微粒光谱辐射能量；各层颗粒吸收和衰减系数计算模块，用于利用化学反应动力学计算模块得到的各个时刻反应物、生成物、中间产物的质量与体积计算燃烧“火球”内部各层的颗粒吸收系数和衰减系数；各层光程计算模块，用于计算燃烧“火球”内部某层的某一颗粒向四周发射的各条光线经过“火球”各层的光程，并与各层颗粒吸收和衰减系数计算模块计算得到的燃烧“火球”内部各层的颗粒吸收系数和衰减系数相结合得到各层光谱辐射透过率，最后通过对之前模块计算得到的数据结合计算出致盲弹燃烧过程中某一时刻、各个波段的辐射能量。

【技术特征摘要】
1.一种致盲弹辐射能量数值仿真系统，其特征在于所述仿真系统由化学反应动力学计算模块、传热计算模块、各层颗粒吸收和衰减系数计算模块、各层光程计算模块四部分构成，其中：化学反应动力学计算模块，用于通过化学反应动力学对药剂的燃烧过程进行计算，得出药剂化学反应过程中各个时刻反应物、生成物、中间产物的质量与体积；传热计算模块，用于利用化学反应动力学计算模块得到的各个时刻反应物、生成物、中间产物的质量与体积通过对燃烧“火球”各层之间热传递、气体膨胀做功计算得到“火球”各层温度，从而可以计算出“火球”内各层微粒光谱辐射能量；各层颗粒吸收和衰减系数计算模块，用于利用化学反应动力学计算模块得到的各个时刻反应物、生成物、中间产物的质量与体积计算燃烧“火球”内部各层的颗粒吸收系数和衰减系数；各层光程计算模块，用于计算燃烧“火球”内部某层的某一颗粒向四周发射的各条光线经过“火球”各层的光程，并与各层颗粒吸收和衰减系数计算模块计算得到的燃烧“火球”内部各层的颗粒吸收系数和衰减系数相结合得到各层光谱辐射透过率，最后通过对之前模块计算得到的各层微粒光谱辐射能量和各层光谱辐射透过率数据结合计算出致盲弹燃烧过程中某一时刻、各个波段的辐射能量。2.一种致盲弹辐射能量数值仿真方法，其特征在于所述仿真方法步骤如下：步骤一、用户输入药剂质量，以化学反应药剂微粒为研究对象，将研究对象分为内层、中间层和外层，通过化学反应动力学计算模块对药剂的燃烧过程进行计算，得出药剂化学反应过程中各个时刻反应物、生成物、中间产物的质量与体积；步骤二、以燃烧“火球”为研究对象，将“火球”分为N层层，将步骤一得到的药剂化学反应过程中各个时刻反应物、生成物、中间产物的质量与体积代入传热计算模块，通过下式计算得到“火球”各层温度Tk,i；其中，Ak为“火球”内部第k层表面积，Tk-1,i-1为第k-1层在i-1时刻的温度，Tk,i为第k层在i时刻的温度，hk和hk-1分别为第k层和第k-1层的扩散热焓，Jk-1为第k-1层的扩散通量，Wrad和W分别为辐射和对外做功损失的能量，mk、ck分别为第k层气体质量和比热容；由得到的某时刻“火球”内各层温度Tk...

【专利技术属性】
技术研发人员：万子南，李韬，陈守谦，王丽，党凡阳，王玉雷，秦兰琦，汪东生，刘振奇，范志刚，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23