【摘要】：目前隨著武器系統(tǒng)性能的提高,身管武器的燒蝕問題更加突出,嚴(yán)重影響身管壽命。在造成身管燒蝕磨損的眾多因素中,熱是主導(dǎo)因素。研究身管內(nèi)的傳熱是理解、預(yù)測(cè)燒蝕的關(guān)鍵問題。本文以大口徑火炮身管為研究對(duì)象,系統(tǒng)研究身管武器發(fā)射過程中的傳熱問題,涉及導(dǎo)熱、自然對(duì)流、強(qiáng)制對(duì)流和輻射傳熱,以及不同工況下多種耦合傳熱過程,為身管武器設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。本文主要工作如下:a)結(jié)合經(jīng)典內(nèi)彈道理論,建立身管傳熱模型。身管傳熱第三類邊界條件由內(nèi)彈道模型中的拉格朗日假設(shè)得到。采用有限差分法數(shù)值求解了身管導(dǎo)熱方程,研究分析了身管在單發(fā)、連發(fā)時(shí)的溫度響應(yīng),比較了身管材料、發(fā)射頻率等對(duì)身管傳熱的影響。身管在發(fā)射過程中,在接近膛線起始處內(nèi)壁處溫度最高,達(dá)到1100K左右,離炮口越近溫度越低。同時(shí)內(nèi)壁將產(chǎn)生很大的溫度梯度。接著采用內(nèi)彈道一維兩相流模型,結(jié)合MacCormack格式計(jì)算得到包含點(diǎn)傳火過程的膛內(nèi)燃?xì)饬鲃?dòng)參數(shù),并以此作為身管傳熱的邊界條件,研究了結(jié)合兩相流模型的身管傳熱過程。兩相流模型考慮了膛內(nèi)火藥的點(diǎn)傳火過程,因此更貼近實(shí)際,身管溫度響應(yīng)也可以反映出點(diǎn)傳火過程的影響。b)針對(duì)身管熱控制問題,建立了身管在各種不同冷卻方法下的傳熱模型。首先采用有限元方法建立了身管橫截面?zhèn)鳠崮Ｐ?研究了鍍鉻、層間冷卻對(duì)身管在連發(fā)射擊時(shí)的溫度控制效果,并分析了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)結(jié)果的影響。建立了身管在外層冷卻下的軸對(duì)稱共軛傳熱模型,采用有限體積法進(jìn)行了數(shù)值求解,研究了身管在外層水冷卻下的二維溫度響應(yīng)。鍍鉻可以有效降低內(nèi)壁的最高溫度,層間水冷卻可以降低內(nèi)壁最高溫度隨射彈數(shù)的增長(zhǎng)趨勢(shì)。外層水冷方法在30發(fā)循環(huán)射擊期間可以帶走21%的總輸入熱量。c)為了選擇適用于膛內(nèi)輻射傳熱的輻射傳遞方程求解方法,系統(tǒng)地研究了不同輻射傳遞方程求解方法在耦合換熱問題中的性能,包括對(duì)輻射源項(xiàng)、輻射熱量密度上的誤差以及計(jì)算時(shí)間。比較了球諧波函數(shù)法和有限體積法在耦合導(dǎo)熱輻射傳熱問題中的差異,其中以蒙特卡洛計(jì)算結(jié)果作為基準(zhǔn)解。接著比較了球諧波函數(shù)法,有限體積法和離散坐標(biāo)發(fā)在耦合自然對(duì)流輻射傳熱問題中的性能,給出了其在不同參數(shù)下的計(jì)算誤差和計(jì)算時(shí)間等。建立了基于格子Boltzmann方法和有限體積法/離散坐標(biāo)法的耦合輻射傳熱問題求解方法,并擴(kuò)展到了非規(guī)則區(qū)域,為以后的膛內(nèi)顆粒尺度耦合對(duì)流和輻射傳熱奠定了基礎(chǔ)。d)研究了高精度氣體非灰輻射模型SLW方法,比較了在該方法中不同灰氣體對(duì)總的輻射源項(xiàng)和輻射熱流密度的貢獻(xiàn),并提出了一個(gè)采用有限體積法和P1方法分別求解不同灰氣體的方法,在保證計(jì)算精度的條件下降低了計(jì)算時(shí)間。應(yīng)用SLW方法求解了耦合導(dǎo)熱和非灰輻射傳熱問題,分析了不同參數(shù)對(duì)耦合傳熱問題下溫度分布、熱流密度的影響。e)建立了膛內(nèi)輻射傳熱模型,其中用SLW模型模擬高溫高壓燃?xì)獾姆腔逸椛渥饔?用有限體積方法求解輻射傳遞方程,求解了高溫高壓燃?xì)獾姆腔逸椛鋫鳠徇^程。同時(shí)建立了顆粒尺度高溫非灰輻射傳熱模型,研究了燃?xì)鉁囟�、壓力及其孔隙率�?duì)顆粒表面輻射熱流密度的影響。顆粒平均輻射熱流密度受燃?xì)鉁囟群蛪毫τ绊?在壓力較低時(shí),熱流密度隨溫度線性變化,而壓力較高時(shí),隨溫度增高而快速增加。f)建立了身管受太陽輻射的二維傳熱模型,分析了太陽輻射對(duì)身管加熱產(chǎn)生溫度的作用過程。建立了包含熱套管的耦合導(dǎo)熱、自然對(duì)流、輻射的身管傳熱模型,研究分析了熱套管對(duì)于降低身管上下表面溫差的影響。太陽輻射會(huì)造成身管上下表面5-6K的溫度差,熱套管可以顯著的降低上下兩表面的溫差。同時(shí)還建立了考慮空氣夾層非灰輻射的耦合導(dǎo)熱過程。在考慮氣體輻射時(shí),努賽爾數(shù)會(huì)有所降低。此差別會(huì)隨著尺寸的增大而變大。
【圖文】：

蝕的關(guān)鍵問題。本文以大口徑火炮身管為研宄對(duì)象，系統(tǒng)研宄身管武器發(fā)射過程中的逡逑傳熱問題，涉及導(dǎo)熱、自然對(duì)流、強(qiáng)制對(duì)流和輻射傳熱，以及不同工況下多種耦合傳逡逑熱過程，為身管武器設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。本文主要工作如圖１．１所示，具體如下：逡逑ａ）

（ａ）膛內(nèi)軸向不同位置處燃?xì)鉁囟茸兓�邐（ｂ）膛內(nèi)燃?xì)鉁囟妊剌S向分布曲線逡逑圖２．１內(nèi)彈道時(shí)期膛內(nèi)分燃?xì)鉁囟确植煎义蠄D２．１為內(nèi)彈道期間燃?xì)鉁囟入S時(shí)間和空氣的變化規(guī)律。膛內(nèi)燃?xì)鉁囟葧?huì)在火藥逡逑點(diǎn)燃后驟升到火藥爆溫，其后隨著彈丸前行，彈后氣體膨脹，溫度下降，另一方面也逡逑向身管內(nèi)部傳熱。逡逑２．３身管傳熱模型建立逡逑在身管傳熱過程中，熱量在身管內(nèi)壁傳遞過程是兩維（軸向和徑向的）不穩(wěn)定的逡逑導(dǎo)熱過程，其溫度隨時(shí)間和位置變化的函數(shù)關(guān)系非常復(fù)雜。由于身管是軸對(duì)稱的，所逡逑以熱傳導(dǎo)采用二維軸對(duì)稱導(dǎo)熱模型。逡逑２．３．１身管熱傳導(dǎo)數(shù)值模型逡逑身管導(dǎo)模型采用是二維軸對(duì)稱模型，導(dǎo)熱方程如下：逡逑ｄＴ邋＼邋ｄ邋（，邋ｄＴ＼邋ｄ邋（，，ｄＴ＼邋■邐＾逡逑ｐｃ——＝邐？ｉｒ——Ｈ邐Ｘ——＋０邐（２．２１）逡逑ｄｔ邋ｒ邋ｄｒ邋＼邋ｄｒ邋Ｊ邋ｄｚｙ邋ｄｚ邋）逡逑對(duì)于火炮身管而言，無內(nèi)熱源，因此上式右邊最后一項(xiàng)略去。模型可以化為逡逑ｄＴ邋＼邋ｄ邋（，邋ｄＴ＼邋ｄ邋（，８Ｔ＼邐一。、逡逑ｐｃ—邋—邐Ａ
【學(xué)位授予單位】：南京理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TJ301;TJ201


本文編號(hào)：2609221