極端溫度環(huán)境中艦船彈庫(kù)傳熱技術(shù)研究*

高云飛 瞿 軍 郭恒光 余仁波 崔偉成

（1.海軍航空大學(xué)研究生大隊(duì) 煙臺(tái) 264001）（2.海軍航空大學(xué) 煙臺(tái) 264001）

1 引言

現(xiàn)今艦載垂直發(fā)射系統(tǒng)已經(jīng)廣泛地用于各類驅(qū)逐艦和護(hù)衛(wèi)艦等水面艦艇，垂直發(fā)射系統(tǒng)的主體安裝于艦艇的彈庫(kù)之中，艦艇在前后配置彈庫(kù)，每個(gè)彈庫(kù)內(nèi)安裝有多個(gè)垂直發(fā)射單元。標(biāo)準(zhǔn)發(fā)射單元主要由艙口蓋總成、支撐構(gòu)架、排氣道總成和壓力室總成組成。彈庫(kù)的上壁面由多個(gè)個(gè)艙口蓋總成共同組成，側(cè)壁面與底面為艙室壁。彈庫(kù)的主要作用就是在導(dǎo)彈在戰(zhàn)備值班、發(fā)射等工況下提供相對(duì)穩(wěn)定和良好的環(huán)境［1～3］。在海洋高溫日照環(huán)境下，由于太陽(yáng)輻的原因，會(huì)使彈庫(kù)內(nèi)溫度不斷升高，高溫會(huì)對(duì)導(dǎo)彈壽命、發(fā)射控制元器件和材料壽命產(chǎn)生不利影響，同樣極端低溫環(huán)境同樣會(huì)對(duì)導(dǎo)彈的材料和性能產(chǎn)生影響，從而導(dǎo)彈發(fā)射的可靠性降低［4～9］。因此，彈庫(kù)的隔熱保溫性能是彈庫(kù)的重要性能指標(biāo)之一。

2 彈庫(kù)的傳熱性能計(jì)算

彈庫(kù)的傳熱包括連續(xù)的三個(gè)過程［10］，分別是外側(cè)空氣到外壁面、外壁面到內(nèi)壁面、內(nèi)壁面到內(nèi)側(cè)空氣。當(dāng)傳熱過程是穩(wěn)態(tài)過程時(shí)，通過每個(gè)環(huán)節(jié)的熱流量φ是相同的。設(shè)平壁表面積為A，如圖1 所示的符號(hào)，三個(gè)環(huán)節(jié)的熱流量的表達(dá)式為

圖1 傳熱過程

圖1 中h1為彈庫(kù)外側(cè)空氣與外壁面的換熱系數(shù)；tf1為彈庫(kù)外側(cè)空氣溫度；tw1為彈庫(kù)外壁面的溫度；δ為彈庫(kù)厚度；λ為彈庫(kù)導(dǎo)熱系數(shù)；tw2為彈庫(kù)內(nèi)壁面溫度；h2為彈庫(kù)內(nèi)壁面與內(nèi)側(cè)空氣與的換熱系數(shù)；tf2為彈庫(kù)內(nèi)側(cè)空氣溫度。把式（1）、（2）、（3）轉(zhuǎn)化為溫度差的形式，即：

白天的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度和環(huán)境溫度不斷變化，所以會(huì)導(dǎo)致彈庫(kù)上表面同外界換熱系數(shù)h1難以精確獲得，于是可以直接將式（5）和式（6）直接相加，消去換熱系數(shù)h1。

變換形式后有：

式中，K為傳熱系數(shù)，所以只要計(jì)算出彈庫(kù)上表面外壁面溫度tw1，以及彈庫(kù)上表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)K，就可以計(jì)算出彈庫(kù)內(nèi)表面溫度tf2。

太陽(yáng)輻射會(huì)直接引起彈庫(kù)上表面溫度升高，同時(shí)周圍環(huán)境溫度也會(huì)作用到彈庫(kù)的上表面也會(huì)引起溫度的變化，將太輻射強(qiáng)度轉(zhuǎn)化為溫度的形式，再將其與環(huán)境溫度疊加，共同組成了受太陽(yáng)照射表面的綜合溫度。受到太陽(yáng)照射的表面溫度會(huì)高于外側(cè)大氣溫度，由于對(duì)流效應(yīng)，部分熱量會(huì)進(jìn)入周圍大氣中，剩余的部分則會(huì)通過熱傳導(dǎo)的形式滲入到彈庫(kù)上表面艙蓋內(nèi)。

在傳熱計(jì)算中，選取24h 的太陽(yáng)輻射和大氣溫度的的數(shù)據(jù)，太陽(yáng)輻射值表示太陽(yáng)輻射在水平面的總強(qiáng)度，計(jì)算彈庫(kù)上表面艙蓋溫度可直接利用該太陽(yáng)輻射值。根據(jù)理論推導(dǎo)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證［4］，彈庫(kù)上表面溫度計(jì)算公式可以表示為

式中：tu為環(huán)境溫度，ts為彈庫(kù)上表面溫度，E為太陽(yáng)輻射強(qiáng)度。

3 控制方程

3.1 傳熱學(xué)基本方程

3.1.1 導(dǎo)熱微分方程

由于彈庫(kù)上表面溫度隨時(shí)間變化，所以該問題是一個(gè)非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱過程。三維非穩(wěn)態(tài)無內(nèi)熱源導(dǎo)熱傳熱公式為

式中ρ為密度，c為比熱容，τ為時(shí)間，λ為導(dǎo)熱系數(shù)。

3.1.2 對(duì)流換熱微分方程

3.2 Boussinesq模型

流體的密度同壓強(qiáng)和溫度相關(guān)，彈庫(kù)內(nèi)部空氣流動(dòng)緩慢，此時(shí)就可以假設(shè)空氣的密度只和溫度有關(guān)，這剛好滿足Boussinesq 模型的限制條件，同時(shí)Boussinesq 模型中求解方程時(shí)把密度看作常數(shù)，這可以增加計(jì)算收斂速度，縮短計(jì)算時(shí)間，Boussinesq模型可以近似的表示為

4 仿真模型的建立

4.1 計(jì)算模型

根據(jù)艦船彈庫(kù)和垂直發(fā)射單元的具體結(jié)構(gòu)參數(shù)，由于發(fā)射單元和彈庫(kù)的對(duì)稱以及彈庫(kù)空氣流動(dòng)緩慢的特點(diǎn)，建立二維模型進(jìn)行傳熱學(xué)分析，可以大大簡(jiǎn)化運(yùn)算量［11～12］。運(yùn)用 CAD 和 ICEM-CFD 軟件進(jìn)行二維建模，利用FLUENT 軟件對(duì)彈庫(kù)內(nèi)的傳熱過程進(jìn)行仿真［13］，計(jì)算模型如圖2和圖3所示。

圖2 二維模型

圖3 網(wǎng)格劃分

4.2 環(huán)境邊界條件

在選取環(huán)境溫度時(shí)考慮極端情況，參考國(guó)軍標(biāo)《GJB1060.2-1991 艦船環(huán)境條件要求—?dú)夂颦h(huán)境》表中給出的24h 大氣氣溫和太陽(yáng)輻射數(shù)據(jù)，利用式（9）計(jì)算得出仿真計(jì)算中彈庫(kù)上表面的溫度。考慮到實(shí)際情況下環(huán)境溫度變化應(yīng)該為連續(xù)變化，利用傅里葉函數(shù)對(duì)彈庫(kù)上表面溫度進(jìn)行擬合，擬合曲線方程為式（13），溫度加載曲線見圖4。實(shí)際艦船艙室使用中，彈庫(kù)兩側(cè)和彈庫(kù)底部會(huì)受到臨近艙室的影響，所以認(rèn)為彈庫(kù)底部和彈庫(kù)兩側(cè)溫度恒定為25℃。

圖4 溫度擬合曲線

在極端低溫環(huán)境下，同樣根據(jù)《GJB1060.2-1991 艦船環(huán)境條件要求—?dú)夂颦h(huán)境》的標(biāo)準(zhǔn)要求，考慮到艦船戰(zhàn)備值班的具體環(huán)境以及我國(guó)海洋環(huán)境可能發(fā)生的極端低溫情況，認(rèn)為極端低溫為-38℃。

表1 太陽(yáng)輻射與溫度對(duì)照

彈庫(kù)內(nèi)表面、發(fā)射箱表面、彈體表面采用耦合邊界條件；彈艙蓋按照實(shí)際參數(shù)建立，彈體比熱容通過實(shí)體進(jìn)行修正。分別選取彈庫(kù)內(nèi)幾個(gè)特征點(diǎn)進(jìn)行研究。彈體上部一般為導(dǎo)引頭和戰(zhàn)斗部、中部為液體推進(jìn)劑和渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)、下部為固體推進(jìn)劑和固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。對(duì)這幾個(gè)關(guān)鍵位置進(jìn)行監(jiān)測(cè)可以更加清楚地掌握導(dǎo)彈所處環(huán)境，同時(shí)監(jiān)測(cè)彈庫(kù)上中下位置，可以整體了解彈庫(kù)的環(huán)境。綜上所述，監(jiān)測(cè)點(diǎn)包括：彈庫(kù)中部過道部分上中下三點(diǎn)（1、2、3）、靠近彈庫(kù)兩側(cè)上中下三點(diǎn)（4、5、6）、中部彈體上中下三點(diǎn)（7、8、9）以及兩側(cè)彈體上中下三點(diǎn)（10、11、12）共計(jì)12個(gè)點(diǎn)的溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

圖5 溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)

4.3 計(jì)算結(jié)果分析

4.3.1 高溫日循環(huán)條件下溫度變化

從圖6～圖9 中可以看出，在高溫日照環(huán)境下3個(gè)周期之后彈庫(kù)各部分溫度變化趨于穩(wěn)定，其中彈庫(kù)中上部靠近艙蓋的位置和彈庫(kù)兩側(cè)上部的溫度變化比較明顯，但是溫度變化幅度遠(yuǎn)小于外界溫度變化的幅度，說明彈庫(kù)上表面艙蓋的隔熱效果良好。靠近艙室中部彈體和靠近艙室兩側(cè)彈體溫度變化幅度較小，尤其是彈體中下部溫度基本不變化，其一是由于艙室隔熱效果較好，其二是彈體體積較大，比熱容大，彈體整體導(dǎo)熱情況較好，所以彈體溫度變化較小，且彈體各部分溫度差異小。

圖6 彈庫(kù)中部溫度

圖7 彈庫(kù)兩側(cè)溫度

圖8 中部彈體溫度

圖9 兩側(cè)彈體溫度

4.3.2 極端低溫環(huán)境下溫度分布

如圖10 所示，極端寒冷環(huán)境中，彈庫(kù)溫度分布呈現(xiàn)上低下高，中間低兩側(cè)高的情況，其中彈庫(kù)上部溫度最低，所以在艙蓋位置增加除冰設(shè)備很有必要。其中兩側(cè)彈體受彈庫(kù)兩側(cè)壁面溫度影響，溫度仍舊維持在15 ℃，中部彈體整體溫度為0℃。仿真結(jié)果說明彈庫(kù)保溫性能好，在極端低溫條件下仍舊能夠使用。

圖10 極端寒冷環(huán)境中彈庫(kù)溫度分布

5 結(jié)語(yǔ)

在仿真計(jì)算中，彈庫(kù)上表面溫度計(jì)算中采用了綜合溫度的計(jì)算方法，將太陽(yáng)輻射轉(zhuǎn)化文溫度的形式，簡(jiǎn)化了傳熱過程。通過對(duì)極端溫度環(huán)境中艦船彈庫(kù)內(nèi)部溫度的仿真，說明艦載導(dǎo)彈垂直發(fā)射系統(tǒng)的彈庫(kù)隔熱保溫性能好，能夠提供在極端條件下的使用環(huán)境，保證導(dǎo)彈發(fā)射的可靠度。需要注意的是彈庫(kù)上表面艙蓋位置處受外界環(huán)境影響較大，極端溫度會(huì)對(duì)艙蓋的開啟產(chǎn)生一定影響，艙蓋需要注意密封、隔熱、除冰的機(jī)構(gòu)的可靠度。