某火炮身管溫度仿真計(jì)算及其影響因素分析

朱文芳，王育維，郭映華，董彥誠(chéng)，李瑞靜

(西北機(jī)電工程研究所，陜西 咸陽 712099)

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某火炮身管溫度仿真計(jì)算及其影響因素分析

朱文芳，王育維，郭映華，董彥誠(chéng)，李瑞靜

(西北機(jī)電工程研究所，陜西 咸陽 712099)

火炮射擊過程中高溫燃?xì)庵芷谛詻_刷身管內(nèi)膛導(dǎo)致內(nèi)膛壁溫升高，從而使以含能材料為主配方的全可燃裝藥在膛內(nèi)滯留期間面臨更多的熱安全性問題。利用雙一維兩相流內(nèi)彈道模型與一維軸對(duì)稱熱傳導(dǎo)模型，描述了某火炮連續(xù)發(fā)射過程中的身管傳熱規(guī)律，并通過計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。在此基礎(chǔ)上，對(duì)持續(xù)射擊20發(fā)的身管溫度場(chǎng)進(jìn)行了仿真，得到了每發(fā)射擊完成后身管內(nèi)、外壁溫度分布規(guī)律，分析了不同環(huán)境溫度、射擊工況及身管厚度對(duì)身管溫度變化規(guī)律的影響。結(jié)果表明，射擊工況對(duì)藥室內(nèi)膛溫度徑向分布規(guī)律影響較大，環(huán)境溫度、身管厚度對(duì)其的影響很??；環(huán)境溫度、射擊工況對(duì)藥室內(nèi)壁最高溫度達(dá)到火炮報(bào)警溫度的射擊發(fā)數(shù)影響較大，身管厚度對(duì)其的影響很小。計(jì)算結(jié)果為裝藥射擊熱安全性、身管熱燒蝕及壽命研究提供參考。

全可燃裝藥；傳熱；射擊熱安全性；連續(xù)射擊

現(xiàn)代戰(zhàn)場(chǎng)對(duì)身管武器的威力和射速提出了更高的要求，由此帶來的是對(duì)身管更強(qiáng)的熱作用和更高的機(jī)械強(qiáng)度作用，尤其是在火炮連續(xù)射擊過程中，由于高溫燃?xì)庵芷谛詻_刷身管內(nèi)膛導(dǎo)致內(nèi)膛壁溫升高，從而使以含能材料為主配方的全可燃裝藥在膛內(nèi)滯留期間面臨更多的熱安全性問題?；鹋谘芯空咴谏砉軣醾鲗?dǎo)方面做了諸多研究。陳桂東等對(duì)模塊裝藥膛內(nèi)受熱情況進(jìn)行了計(jì)算分析，對(duì)身管受熱后彈丸膛內(nèi)滯留進(jìn)行計(jì)算分析、通過身管傳熱分析研究了火炮身管壽命的確定方法[1-3]，肖飛對(duì)身管溫度場(chǎng)測(cè)試?yán)碚撆c方法進(jìn)行了研究[4]。但上述研究者對(duì)身管傳熱的計(jì)算是基于均相流內(nèi)彈道理論，后效期也作了簡(jiǎn)化處理，這與火炮實(shí)際多維多相流發(fā)射過程相差較大，其計(jì)算結(jié)果作為身管傳熱計(jì)算的邊界輸入條件存在一定誤差，從而影響身管傳熱計(jì)算的精確度。

某火炮采用新型高能發(fā)射藥，與常規(guī)發(fā)射藥相比，此類發(fā)射藥爆熱較大，燃燒后產(chǎn)生氣體的溫度較高，與身管內(nèi)壁的對(duì)流換熱更加劇烈。因此，使用此裝藥進(jìn)行連續(xù)射擊時(shí)，藥室內(nèi)壁溫度上升較快，對(duì)火炮射擊安全性影響較大。筆者利用兩相流內(nèi)彈道理論和傳熱學(xué)理論對(duì)此火炮發(fā)射過程的身管傳熱問題進(jìn)行了分析和描述，并與身管外壁溫度測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。在此基礎(chǔ)上，對(duì)影響身管內(nèi)壁溫度的不同因素進(jìn)行計(jì)算分析，尋找對(duì)身管溫度影響較大的因素，為全可燃裝藥熱安全性分析提供基礎(chǔ)。

1 計(jì)算模型

針對(duì)某火炮全可燃裝藥條件下發(fā)射過程身管傳熱的特點(diǎn)，利用雙一維兩相流內(nèi)彈道模型和軸對(duì)稱熱傳導(dǎo)模型，聯(lián)立求解內(nèi)彈道方程和傳熱方程，由內(nèi)彈道方程求得火藥燃?xì)鉁囟龋玫缴砉軆?nèi)壁的熱流邊界條件，并通過傳熱方程得到了火炮發(fā)射過程中身管壁溫的變化規(guī)律。

1.1 雙一維兩相流內(nèi)彈道模型

全可燃裝藥內(nèi)彈道模型采用雙一維兩相流內(nèi)彈道模型，具體模型參考文獻(xiàn)[5-7]。

1.2 后效期模型

后效期膛內(nèi)氣流以準(zhǔn)定常流處理，由于火藥已完全燃盡，膛內(nèi)為純氣相狀態(tài)，屬一維氣相流動(dòng)問題；膛口氣流速度在整個(gè)后效期內(nèi)均等于當(dāng)時(shí)當(dāng)?shù)芈曀伲瑲饬鲝奶趴诘牧鞒鲞^程是絕熱過程。炮口處氣體流速與火藥氣體流出質(zhì)量速率公式如下[8]：

炮口處氣體流速為

(1)

火藥氣體流出質(zhì)量速率為

(2)

式中：N為炮口網(wǎng)格點(diǎn)的參數(shù)；p、ρ分別為炮口氣體的壓力、密度;S為炮口處身管截面面積;k為火藥氣體比熱比。

1.3 身管傳熱模型

身管傳熱模型采用軸對(duì)稱一維非穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)方程[5]，主要考慮火炮射擊過程中沿身管軸向不同位置處火藥氣體通過旺盛的湍流對(duì)流換熱和輻射換熱來加熱身管，身管外壁則與周圍空氣以自然對(duì)流與輻射方式進(jìn)行熱交換。

火炮身管傳熱方程為

(3)

式中：a1為身管材料的導(dǎo)溫系數(shù);r為身管徑向半徑。

1.4 邊界條件

在火炮射擊過程中，火藥氣體跟隨彈丸沿身管軸向運(yùn)動(dòng)，此處沒有考慮橫風(fēng)作用，傳遞給身管的熱量主要通過火藥氣體的對(duì)流放熱，火藥氣體對(duì)壁面的熱輻射，與對(duì)流傳熱相比，除膛底與彈底附近的地方外，一般不會(huì)超過百分之一[7]，故輻射傳熱可忽略。筆者對(duì)流傳熱采用旺盛湍流流動(dòng)的關(guān)聯(lián)式，努塞爾數(shù)為Nu=0.05Re0.8Pr0.4Ke，Ke為入口長(zhǎng)度修正系數(shù)；筆者所建身管傳熱模型為一維軸對(duì)稱模型，周圍空氣與身管外壁之間的熱交換僅考慮了自然對(duì)流換熱，暫不考慮輻射傳熱?；鹋跓o冷卻設(shè)施，暫不考慮強(qiáng)制對(duì)流傳熱。自然對(duì)流換熱努塞爾數(shù)采用Nu=0.48 Gr1/4Pr1/4。

1.5 穩(wěn)定性條件

求解方程穩(wěn)定性條件為dt≤0.5dr2/a1，由于兩相流內(nèi)彈道方程與傳熱方程聯(lián)立計(jì)算，因此兩相流內(nèi)彈道方程的時(shí)間步長(zhǎng)dt1與傳熱方程的時(shí)間步長(zhǎng)dt2，取兩者之中最小值為耦合求解的時(shí)間步長(zhǎng)。

2 計(jì)算結(jié)果及分析

2.1 計(jì)算結(jié)果與測(cè)試結(jié)果對(duì)比

利用精度高、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)的熱電阻測(cè)溫傳感器，按一定放置規(guī)律固定在身管外壁上，通過溫度變送器、遠(yuǎn)距離傳輸信號(hào)線、信號(hào)轉(zhuǎn)換板、數(shù)據(jù)采集儀，連續(xù)記錄身管壁溫的變化過程，完成身管外壁溫度長(zhǎng)時(shí)間、適時(shí)測(cè)量。對(duì)身管外壁不同位置(A、B、C)處的溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，A點(diǎn)距膛底3.976 m，B點(diǎn)距膛底5.33 m，C點(diǎn)距膛底6.03 m。身管外壁溫度傳感器布置位置示意圖如圖1所示。

身管外壁最高溫度計(jì)算結(jié)果與測(cè)試結(jié)果對(duì)比如表1所示。表1中的2發(fā)數(shù)據(jù)是連續(xù)發(fā)射，在不同位置的測(cè)試結(jié)果，第1發(fā)為5號(hào)裝藥發(fā)射結(jié)果，第2發(fā)為6號(hào)裝藥發(fā)射結(jié)果，2發(fā)射擊之間的時(shí)間間隔為30min。

表1 身管外壁最高溫度計(jì)算結(jié)果與測(cè)試結(jié)果對(duì)比 K

圖2為第1發(fā)射擊時(shí)身管外壁B點(diǎn)溫度計(jì)算結(jié)果與測(cè)試結(jié)果的對(duì)比。

由表1、圖2可看出，計(jì)算出的身管外壁最高溫度與測(cè)試結(jié)果接近，但50 s以內(nèi)計(jì)算結(jié)果與測(cè)試結(jié)果有區(qū)別。分析認(rèn)為造成此現(xiàn)象的主要原因有：測(cè)溫傳感器具有一定熱阻；實(shí)際射擊中身管外表面有涂層，涂層的導(dǎo)熱性能較身管差很多，具有熱阻效應(yīng)。以上2種熱阻的存在使測(cè)試結(jié)果存在一定響應(yīng)延遲。筆者認(rèn)為，這種差別對(duì)溫度上升速率有一定影響，而對(duì)溫度上升量影響不大，即對(duì)身管內(nèi)壁的總散熱量影響不大?？偟膩碚f，計(jì)算曲線與測(cè)試曲線的趨勢(shì)基本一致，說明仿真模型能較準(zhǔn)確描述火炮身管溫度變化過程，具有一定的工程指導(dǎo)意義。

2.2 身管內(nèi)壁溫度影響因素分析

對(duì)某火炮最大號(hào)裝藥射擊過程身管熱傳導(dǎo)進(jìn)行仿真，射擊過程身管內(nèi)壁溫度隨著射擊發(fā)數(shù)的增加而累加。該火炮裝藥采用全可燃裝藥，其藥筒以含能材料為主要成分，若藥室內(nèi)壁溫度達(dá)到藥筒著火溫度，裝藥入膛后若滯留，在高溫烘烤下可能存在自燃現(xiàn)象，從而嚴(yán)重影響了發(fā)射裝藥的安全性。計(jì)算中按藥室內(nèi)壁最高溫度達(dá)到443 K，也即通常所采用的身管內(nèi)壁報(bào)警法[3]的報(bào)警溫度停止計(jì)算，并利用計(jì)算結(jié)果分析影響身管內(nèi)壁溫度的因素。

2.2.1 以最大射速持續(xù)射擊20發(fā)的身管溫度場(chǎng)計(jì)算分析

環(huán)境溫度為20 ℃，以10發(fā)/min的射速連續(xù)射擊20發(fā)，身管內(nèi)、外壁溫度分布情況如圖3、4所示。

由圖3可知，前6發(fā)內(nèi)壁的溫度分布規(guī)律為坡膛處(距膛底約1.0 m處)溫度最高，這主要是由于此處火藥燃?xì)馑俣雀?、溫度高，與身管內(nèi)壁的對(duì)流換熱劇烈。但從第7發(fā)開始，身管上距膛底5.12 m之后的溫度開始高于坡膛處溫度，而且在此處溫度有明顯的跳躍，這是因?yàn)樵诖颂幧砉鼙诤裼刑S性變化，身管壁厚驟減，身管外壁溫度升高較快，由于前7發(fā)的積累，外壁溫度較高，從而此處身管內(nèi)外壁溫差減小，由身管內(nèi)壁向外壁的導(dǎo)熱量減小。因此，隨著射擊發(fā)數(shù)的增加，身管壁厚薄的部位內(nèi)壁溫度積累效應(yīng)越來越明顯，溫度升高量大。

由圖4可知，身管外壁溫度分布規(guī)律受身管壁厚影響很大，在身管壁厚有驟變的部位均存在溫度跳躍性變化，身管壁厚越薄，外壁溫度上升越快。距膛底5.12 m之后的身管壁厚較薄，溫度上升快，溫度值也較高。

2.2.2 不同環(huán)境溫度計(jì)算分析

對(duì)不同初始環(huán)境溫度火炮連續(xù)射擊過程的身管熱傳導(dǎo)進(jìn)行了仿真計(jì)算(10發(fā)/min的射速)，當(dāng)藥室內(nèi)壁最高溫度升高至443 K停止計(jì)算。從圖3可知，藥室內(nèi)壁溫度的分布規(guī)律為從膛底至坡膛逐漸上升，所以藥室內(nèi)壁最高溫度的位置為藥室內(nèi)距膛底1.0 m處，取此點(diǎn)為計(jì)算點(diǎn)，下同。由于身管內(nèi)壁溫度的徑向分布規(guī)律對(duì)其與藥筒的換熱影響較大，所以研究中更關(guān)心的是裝藥入膛時(shí)刻藥室內(nèi)最高溫度處的徑向溫度分布規(guī)律。圖5給出了不同初始環(huán)境溫度藥室最高溫度處的徑向溫度分布規(guī)律，射擊發(fā)數(shù)與溫度結(jié)果如表2所示。

表2 不同環(huán)境溫度計(jì)算結(jié)果 K

由圖5、表2可知，不同環(huán)境溫度對(duì)藥室內(nèi)壁溫度徑向分布規(guī)律影響不大，但對(duì)藥室內(nèi)壁最高溫度達(dá)到火炮報(bào)警溫度的發(fā)數(shù)影響較大。環(huán)境溫度越高，達(dá)到火炮報(bào)警溫度的射擊發(fā)數(shù)越少。

2.2.3 不同射擊工況計(jì)算分析

對(duì)以下3種射擊方案分別進(jìn)行仿真：方案1，以10發(fā)/min的射速射擊；方案2，以5發(fā)/min的射速射擊；方案3,以10發(fā)/min的射速射擊10發(fā)，以5發(fā)/min的射速射擊10發(fā)，之后用1發(fā)/min的射速連續(xù)射擊。藥室內(nèi)壁最高溫度達(dá)到443 K停止計(jì)算。藥室內(nèi)壁最高溫度處的徑向溫度分布曲線如圖6所示，射擊發(fā)數(shù)與溫度結(jié)果如表3所示。

表3 不同射擊工況計(jì)算結(jié)果

由圖6、表3可知，不同射擊工況對(duì)藥室內(nèi)壁溫度徑向分布規(guī)律影響較大，對(duì)藥室內(nèi)壁最高溫度升高至火炮報(bào)警溫度的射擊發(fā)數(shù)影響較大。射速越高，達(dá)到火炮報(bào)警溫度的射擊發(fā)數(shù)越少。

2.2.4 不同身管壁厚計(jì)算分析

對(duì)火炮原身管厚度以及在原身管厚度基礎(chǔ)上減薄10 mm、加厚10 mm的身管熱傳導(dǎo)情況進(jìn)行仿真計(jì)算，以10發(fā)/min的射速連續(xù)射擊，當(dāng)藥室內(nèi)壁最高溫度達(dá)到443 K停止計(jì)算。藥室最高溫度處的徑向溫度分布曲線如圖7所示，射擊結(jié)束后身管內(nèi)、外壁溫度如表4所示。

表4 不同身管壁厚溫度計(jì)算結(jié)果

由圖7、表4可知，不同身管壁厚對(duì)藥室內(nèi)壁溫度徑向分布規(guī)律影響不大，藥室內(nèi)壁最高溫度到達(dá)報(bào)警溫度的射擊發(fā)數(shù)也相同。隨著身管厚度增加，身管熱容量增大，吸熱能力提高，身管內(nèi)、外壁溫度均有所降低，但身管厚度對(duì)身管外壁溫度的影響更明顯。隨著射擊發(fā)數(shù)的累加，身管厚度對(duì)身管內(nèi)外壁溫度的影響也會(huì)增加。

3 結(jié)論

通過耦合求解雙一維兩相流內(nèi)彈道方程和軸對(duì)稱熱傳導(dǎo)方程，得到了火炮連續(xù)射擊過程中身管內(nèi)外壁溫的分布規(guī)律。以火炮內(nèi)膛壁面報(bào)警溫度443 K為前提，設(shè)定不同環(huán)境溫度、射擊工況及身管厚度，對(duì)藥室內(nèi)壁最高溫度進(jìn)行了仿真計(jì)算。結(jié)果表明，不同環(huán)境溫度對(duì)藥室內(nèi)膛溫度徑向分布規(guī)律影響不大，但對(duì)藥室內(nèi)壁最高溫度達(dá)到火炮報(bào)警溫度的射擊發(fā)數(shù)影響較大；射擊工況對(duì)藥室內(nèi)膛溫度徑向分布規(guī)律與達(dá)到火炮報(bào)警溫度的射擊發(fā)數(shù)影響均較大；身管厚度對(duì)藥室內(nèi)膛溫度徑向分布規(guī)律與達(dá)到火炮報(bào)警溫度的射擊發(fā)數(shù)影響均不大，但對(duì)身管外壁溫度影響較大。計(jì)算模型與結(jié)果對(duì)全可燃裝藥射擊熱安全性及身管燒蝕與壽命研究均有一定借鑒意義。

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Temperature Simulation Calculation and Analysis of Influential Factors of a Certain Gun Barrel

ZHU Wenfang, WANG Yuwei, GUO Yinghua, DONG Yancheng, LI Ruijing

(Northwest Institute of Mechanical & Electrical Engineering, Xianyang 712099, Shaanxi, China)

During the process of gun firing, the temperature in bore would rise because of periodical scouring from high temperature gas, so there were more thermal security problems when modular charge with energy-filled material as the main ingredients was loaded into chamber. A description was made of the heat transfer law of gun barrel for a howitzer during continuous firing by using one-dimensional two-phase flow interior ballistic model and one-dimensional axial symmetry heat transfer model. Through a comparison of calculated results and test results, the accuracy of the model was verified. On the basis of this model, temperature field of continuous firing 20 rounds was simulated, with temperature distribution law at different positions of inner and outer gun barrel achieved and the effect of different environment temperatures, firing conditions and thickness of barrel on temperature variation law of barrel analyzed. The results show that firing conditions had a greater influence on temperature radial distribution law in chamber, but environment temperature and thickness of barrel had little influence on it. Environment temperature and firing conditions had a greater influence on firing round that the highest temperature in chamber rise to alarm temperature, but thickness of barrel had little influence on it. Calculation results of this text provided reference for the analysis of charge firing thermal safety, thermal ablation and life of barrel.

modular charge; heat transfer; firing thermal safety; continuous firing

10.19323/j.issn.1673-6524.2016.04.013

2015-07-11

朱文芳(1983—)，女，高級(jí)工程師，碩士，主要從事內(nèi)彈道發(fā)射與裝藥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究。E-mail：zc427611@163.com

TJ012.1

A

1673-6524(2016)04-0058-05