身管武器发射过程中的传热关键问题研究

发布时间：2020-03-31 14:49

【摘要】：目前随着武器系统性能的提高,身管武器的烧蚀问题更加突出,严重影响身管寿命。在造成身管烧蚀磨损的众多因素中,热是主导因素。研究身管内的传热是理解、预测烧蚀的关键问题。本文以大口径火炮身管为研究对象,系统研究身管武器发射过程中的传热问题,涉及导热、自然对流、强制对流和辐射传热,以及不同工况下多种耦合传热过程,为身管武器设计提供理论指导。本文主要工作如下:a)结合经典内弹道理论,建立身管传热模型。身管传热第三类边界条件由内弹道模型中的拉格朗日假设得到。采用有限差分法数值求解了身管导热方程,研究分析了身管在单发、连发时的温度响应,比较了身管材料、发射频率等对身管传热的影响。身管在发射过程中,在接近膛线起始处内壁处温度最高,达到1100K左右,离炮口越近温度越低。同时内壁将产生很大的温度梯度。接着采用内弹道一维两相流模型,结合MacCormack格式计算得到包含点传火过程的膛内燃气流动参数,并以此作为身管传热的边界条件,研究了结合两相流模型的身管传热过程。两相流模型考虑了膛内火药的点传火过程,因此更贴近实际,身管温度响应也可以反映出点传火过程的影响。b)针对身管热控制问题,建立了身管在各种不同冷却方法下的传热模型。首先采用有限元方法建立了身管横截面传热模型,研究了镀铬、层间冷却对身管在连发射击时的温度控制效果,并分析了不同结构参数对结果的影响。建立了身管在外层冷却下的轴对称共轭传热模型,采用有限体积法进行了数值求解,研究了身管在外层水冷却下的二维温度响应。镀铬可以有效降低内壁的最高温度,层间水冷却可以降低内壁最高温度随射弹数的增长趋势。外层水冷方法在30发循环射击期间可以带走21%的总输入热量。c)为了选择适用于膛内辐射传热的辐射传递方程求解方法,系统地研究了不同辐射传递方程求解方法在耦合换热问题中的性能,包括对辐射源项、辐射热量密度上的误差以及计算时间。比较了球谐波函数法和有限体积法在耦合导热辐射传热问题中的差异,其中以蒙特卡洛计算结果作为基准解。接着比较了球谐波函数法,有限体积法和离散坐标发在耦合自然对流辐射传热问题中的性能,给出了其在不同参数下的计算误差和计算时间等。建立了基于格子Boltzmann方法和有限体积法/离散坐标法的耦合辐射传热问题求解方法,并扩展到了非规则区域,为以后的膛内颗粒尺度耦合对流和辐射传热奠定了基础。d)研究了高精度气体非灰辐射模型SLW方法,比较了在该方法中不同灰气体对总的辐射源项和辐射热流密度的贡献,并提出了一个采用有限体积法和P1方法分别求解不同灰气体的方法,在保证计算精度的条件下降低了计算时间。应用SLW方法求解了耦合导热和非灰辐射传热问题,分析了不同参数对耦合传热问题下温度分布、热流密度的影响。e)建立了膛内辐射传热模型,其中用SLW模型模拟高温高压燃气的非灰辐射作用,用有限体积方法求解辐射传递方程,求解了高温高压燃气的非灰辐射传热过程。同时建立了颗粒尺度高温非灰辐射传热模型,研究了燃气温度、压力及其孔隙率对颗粒表面辐射热流密度的影响。颗粒平均辐射热流密度受燃气温度和压力影响,在压力较低时,热流密度随温度线性变化,而压力较高时,随温度增高而快速增加。f)建立了身管受太阳辐射的二维传热模型,分析了太阳辐射对身管加热产生温度的作用过程。建立了包含热套管的耦合导热、自然对流、辐射的身管传热模型,研究分析了热套管对于降低身管上下表面温差的影响。太阳辐射会造成身管上下表面5-6K的温度差,热套管可以显著的降低上下两表面的温差。同时还建立了考虑空气夹层非灰辐射的耦合导热过程。在考虑气体辐射时,努赛尔数会有所降低。此差别会随着尺寸的增大而变大。
【图文】：

蚀的关键问题。本文以大口径火炮身管为研宄对象，系统研宄身管武器发射过程中的逡逑传热问题，涉及导热、自然对流、强制对流和辐射传热，以及不同工况下多种耦合传逡逑热过程，为身管武器设计提供理论指导。本文主要工作如图１．１所示，具体如下：逡逑ａ）

（ａ）膛内轴向不同位置处燃气温度变化曲线逦（ｂ）膛内燃气温度沿轴向分布曲线逡逑图２．１内弹道时期膛内分燃气温度分布逡逑图２．１为内弹道期间燃气温度随时间和空气的变化规律。膛内燃气温度会在火药逡逑点燃后骤升到火药爆温，其后随着弹丸前行，弹后气体膨胀，温度下降，另一方面也逡逑向身管内部传热。逡逑２．３身管传热模型建立逡逑在身管传热过程中，热量在身管内壁传递过程是两维（轴向和径向的）不稳定的逡逑导热过程，其温度随时间和位置变化的函数关系非常复杂。由于身管是轴对称的，所逡逑以热传导采用二维轴对称导热模型。逡逑２．３．１身管热传导数值模型逡逑身管导模型采用是二维轴对称模型，导热方程如下：逡逑ｄＴ邋＼邋ｄ邋（，邋ｄＴ＼邋ｄ邋（，，ｄＴ＼邋■逦＾逡逑ｐｃ——＝逦？ｉｒ——Ｈ逦Ｘ——＋０逦（２．２１）逡逑ｄｔ邋ｒ邋ｄｒ邋＼邋ｄｒ邋Ｊ邋ｄｚｙ邋ｄｚ邋）逡逑对于火炮身管而言，无内热源，因此上式右边最后一项略去。模型可以化为逡逑ｄＴ邋＼邋ｄ邋（，邋ｄＴ＼邋ｄ邋（，８Ｔ＼逦一。、逡逑ｐｃ—邋—逦Ａ
【学位授予单位】：南京理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TJ301;TJ201


本文编号：2609221