身管武器发射过程中的传热关键问题研究

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。

目录

声明

摘要

1绪论

1．1课题背景和意义

1．2身管传热的研究现状

1．2．1内弹道数值模拟方法研究进展

1．2．2身管传热研究进展

1．3身管冷却技术研究现状

1．4辐射传热求解研究进展

1．4．1气体辐射模型研究进展

1．4．2辐射传递数值求解方法的研究进展

1．4．3膛内辐射传热研究现状

1．5本文主要工作

2耦合经典内弹道的身管传热问题研究

2．1引言

2．2经典内弹道模型

2．2．1火炮发射期间火药燃气温度变化

2．3身管传热模型建立

2．3．1身管热传导数值模型

2．3．2方程离散

2．3．3内弹道边界条件

2．4发射时温度分析

2．4．1单发时的身管传热分析

2．4．2连发时的身管热分析

2．4．3导热系数对身管传热的影响

2．4．4连发时射频对身管温度的影响

2．5本章小结

3耦合内弹道两相流模型的身管传热研究

3．1引言

3．2数学物理模型

3．2．1控制方程

3．3一维两相流数值方法

3．3．1离散格式

3．3．2初始条件和边界条件

3．4耦合两相流模型的身管传热分析

3．4．1两相流膛内燃气参数

3．4．2两相流模型下身管热传导分析

3．5本章小结

4身管温度控制方法研究

4．1引言

4．2基于横截面模型的层间冷却方法研究

4．2．1横截面身管计算模型

4．2．2自然冷却时身管温度响应

4．2．3不同冷却方法下的内壁温度响应

4．2．4内壁热流密度变化规律

4．2．5镀铬层厚度对内壁温度的影响

4．2．6冷却通道参数对内壁温度的影响

4．3外层水冷却方法研究

4．3．1物理模型

4．3．2控制方程及边界条件

4．3．3数值方法及网格无关性验证

4．3．4单发时身管的传热分析

4．3．5循环发射时传热分析

4．3．6外层冷却对身管温度的影响效果

4．4本章小结

5耦合传热问题中辐射传递方程求解方法性能研究

5．1引言

5．2辐射传递方程及数值求解方法

5．2．1球谐波函数法

5．2．2离散坐标法

5．2．3有限体积法

5．2．4蒙特卡洛法

5．3耦合辐射导热问题中辐射传递方法研究

5．3．1数学和物理模型

5．3．2数值方法及验证

5．3．3结果分析

5．4耦合自然对流辐射问题中辐射传递方法研究

5．4．1数学与物理模型

5．4．2不同参数下温度分布

5．4．3不同情况下壁面努赛尔数比较分析

5．4．4不同方法计算得到的努赛尔数对比

5．4．5不同参数下不同方法计算时间及误差

5．5基于格子Boltzmann方法的耦合辐射传热问题研究

5．5．1格子Boltzmann方法

5．5．2规则区域LBM和FVM求解耦合导热辐射传热

5．5．3非规则区域中LBM和FVM耦合方法

5．6本章小结

6高温燃气非灰辐射传热研究及在膛内的应用

6．1引言

6．2 SLW方法理论

6．3 SLW方法中灰气体贡献研究

6．3．1案列1：正方形区域内等温情况

6．3．2案例2：温度场非均匀的正方形区域

6．3．3案例3：矩形区域中非均匀温度场

6．3．4混合方法的效果

6．4考虑非灰辐射效应的耦合导热辐射传热

6．4．1灰气体个数的影响

6．4．2不同气体组分的影响

6．4．3气体混合比的影响

6．4．4壁面发射率的影响

6．4．5和灰气体模型对比

6．4．6 RTE求解方法的影响

6．5膛内高温高压燃气非灰辐射传热研究

6．5．1轴对称模型下燃气非灰辐射传热

6．5．2颗粒尺度燃气非灰辐射传热研究

6．6本章小结

7考虑太阳辐射的身管共轭传热分析

7．1引言

7．2同心圆管内自然对流

7．2．1数学及物理模型

7．2．2模型验证

7．2．3温度分布及流函数

7．2．4内壁总努赛尔数分布

7．2．5对流、辐射以及总努塞尔数分布

7．2．6气体混合比的影响

7．2．7无量纲化方法的影响

7．3太阳辐射对身管的加热分析

7．3．1太阳辐射模型

7．3．2太阳辐射对身管的加热作用

7．3．3含套管时身管内耦合导热、自然对流传热

7．3．4含套管时持续射击时身管传热分析

7．4本章小结

8结论与展望

8．1本文主要工作及结论

8．2本文主要创新点

8．3研究展望

致谢

参考文献

附录