朱文芳，王育維，郭映華，董彥誠，李瑞靜

(西北機電工程研究所，陜西 咸陽 712099)

?

某火炮身管溫度仿真計算及其影響因素分析

朱文芳，王育維，郭映華，董彥誠，李瑞靜

(西北機電工程研究所，陜西 咸陽 712099)

火炮射擊過程中高溫燃氣周期性沖刷身管內膛導致內膛壁溫升高，從而使以含能材料為主配方的全可燃裝藥在膛內滯留期間面臨更多的熱安全性問題。利用雙一維兩相流內彈道模型與一維軸對稱熱傳導模型，描述了某火炮連續(xù)發(fā)射過程中的身管傳熱規(guī)律，并通過計算結果與試驗測試結果對比，驗證了模型的準確性。在此基礎上，對持續(xù)射擊20發(fā)的身管溫度場進行了仿真，得到了每發(fā)射擊完成后身管內、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身管溫度變化規(guī)律的影響。結果表明，射擊工況對藥室內膛溫度徑向分布規(guī)律影響較大，環(huán)境溫度、身管厚度對其的影響很??；環(huán)境溫度、射擊工況對藥室內壁最高溫度達到火炮報警溫度的射擊發(fā)數(shù)影響較大，身管厚度對其的影響很小。計算結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)場對身管武器的威力和射速提出了更高的要求，由此帶來的是對身管更強的熱作用和更高的機械強度作用，尤其是在火炮連續(xù)射擊過程中，由于高溫燃氣周期性沖刷身管內膛導致內膛壁溫升高，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Х矫孀隽酥T多研究。陳桂東等對模塊裝藥膛內受熱情況進行了計算分析，對身管受熱后彈丸膛內滯留進行計算分析、通過身管傳熱分析研究了火炮身管壽命的確定方法[1-3]，肖飛對身管溫度場測試理論與方法進行了研究[4]。但上述研究者對身管傳熱的計算是基于均相流內彈道理論，后效期也作了簡化處理，這與火炮實際多維多相流發(fā)射過程相差較大，其計算結果作為身管傳熱計算的邊界輸入條件存在一定誤差，從而影響身管傳熱計算的精確度。

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，與身管內壁的對流換熱更加劇烈。因此，使用此裝藥進行連續(xù)射擊時，藥室內壁溫度上升較快，對火炮射擊安全性影響較大。筆者利用兩相流內彈道理論和傳熱學理論對此火炮發(fā)射過程的身管傳熱問題進行了分析和描述，并與身管外壁溫度測試結果進行對比，驗證了模型的準確性。在此基礎上，對影響身管內壁溫度的不同因素進行計算分析，尋找對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。

1 計算模型

針對某火炮全可燃裝藥條件下發(fā)射過程身管傳熱的特點，利用雙一維兩相流內彈道模型和軸對稱熱傳導模型，聯(lián)立求解內彈道方程和傳熱方程，由內彈道方程求得火藥燃氣溫度，得到身管內壁的熱流邊界條件，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 雙一維兩相流內彈道模型

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

1.2 后效期模型

后效期膛內氣流以準定常流處理，由于火藥已完全燃盡，膛內為純氣相狀態(tài)，屬一維氣相流動問題；膛口氣流速度在整個后效期內均等于當時當?shù)芈曀?，氣流從膛口的流出過程是絕熱過程。炮口處氣體流速與火藥氣體流出質量速率公式如下[8]：

炮口處氣體流速為

(1)

火藥氣體流出質量速率為

(2)

式中：N為炮口網(wǎng)格點的參數(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稱一維非穩(wěn)態(tài)熱傳導方程[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流與輻射方式進行熱交換。

火炮身管傳熱方程為

(3)

式中：a1為身管材料的導溫系數(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動，此處沒有考慮橫風作用，傳遞給身管的熱量主要通過火藥氣體的對流放熱，火藥氣體對壁面的熱輻射，與對流傳熱相比，除膛底與彈底附近的地方外，一般不會超過百分之一[7]，故輻射傳熱可忽略。筆者對流傳熱采用旺盛湍流流動的關聯(lián)式，努塞爾數(shù)為Nu=0.05Re0.8Pr0.4Ke，Ke為入口長度修正系數(shù)；筆者所建身管傳熱模型為一維軸對稱模型，周圍空氣與身管外壁之間的熱交換僅考慮了自然對流換熱，暫不考慮輻射傳熱?；鹋跓o冷卻設施，暫不考慮強制對流傳熱。自然對流換熱努塞爾數(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，由于兩相流內彈道方程與傳熱方程聯(lián)立計算，因此兩相流內彈道方程的時間步長dt1與傳熱方程的時間步長dt2，取兩者之中最小值為耦合求解的時間步長。

2 計算結果及分析

2.1 計算結果與測試結果對比

利用精度高、環(huán)境適應性強的熱電阻測溫傳感器，按一定放置規(guī)律固定在身管外壁上，通過溫度變送器、遠距離傳輸信號線、信號轉換板、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時間、適時測量。對身管外壁不同位置(A、B、C)處的溫度進行監(jiān)測，A點距膛底3.976 m，B點距膛底5.33 m，C點距膛底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算結果與測試結果對比如表1所示。表1中的2發(fā)數(shù)據(jù)是連續(xù)發(fā)射，在不同位置的測試結果，第1發(fā)為5號裝藥發(fā)射結果，第2發(fā)為6號裝藥發(fā)射結果，2發(fā)射擊之間的時間間隔為30min。

表1 身管外壁最高溫度計算結果與測試結果對比 K

圖2為第1發(fā)射擊時身管外壁B點溫度計算結果與測試結果的對比。

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

2.2 身管內壁溫度影響因素分析

對某火炮最大號裝藥射擊過程身管熱傳導進行仿真，射擊過程身管內壁溫度隨著射擊發(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，若藥室內壁溫度達到藥筒著火溫度，裝藥入膛后若滯留，在高溫烘烤下可能存在自燃現(xiàn)象，從而嚴重影響了發(fā)射裝藥的安全性。計算中按藥室內壁最高溫度達到443 K，也即通常所采用的身管內壁報警法[3]的報警溫度停止計算，并利用計算結果分析影響身管內壁溫度的因素。

2.2.1 以最大射速持續(xù)射擊20發(fā)的身管溫度場計算分析

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、外壁溫度分布情況如圖3、4所示。

由圖3可知，前6發(fā)內壁的溫度分布規(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氣速度高、溫度高，與身管內壁的對流換熱劇烈。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，這是因為在此處身管壁厚有跳躍性變化，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，從而此處身管內外壁溫差減小，由身管內壁向外壁的導熱量減小。因此，隨著射擊發(fā)數(shù)的增加，身管壁厚薄的部位內壁溫度積累效應越來越明顯，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)境溫度計算分析

對不同初始環(huán)境溫度火炮連續(xù)射擊過程的身管熱傳導進行了仿真計算(10發(fā)/min的射速)，當藥室內壁最高溫度升高至443 K停止計算。從圖3可知，藥室內壁溫度的分布規(guī)律為從膛底至坡膛逐漸上升，所以藥室內壁最高溫度的位置為藥室內距膛底1.0 m處，取此點為計算點，下同。由于身管內壁溫度的徑向分布規(guī)律對其與藥筒的換熱影響較大，所以研究中更關心的是裝藥入膛時刻藥室內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)與溫度結果如表2所示。

表2 不同環(huán)境溫度計算結果 K

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

2.2.3 不同射擊工況計算分析

對以下3種射擊方案分別進行仿真：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。藥室內壁最高溫度達到443 K停止計算。藥室內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)與溫度結果如表3所示。

表3 不同射擊工況計算結果

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

2.2.4 不同身管壁厚計算分析

對火炮原身管厚度以及在原身管厚度基礎上減薄10 mm、加厚10 mm的身管熱傳導情況進行仿真計算，以10發(fā)/min的射速連續(xù)射擊，當藥室內壁最高溫度達到443 K停止計算。藥室最高溫度處的徑向溫度分布曲線如圖7所示，射擊結束后身管內、外壁溫度如表4所示。

表4 不同身管壁厚溫度計算結果

由圖7、表4可知，不同身管壁厚對藥室內壁溫度徑向分布規(guī)律影響不大，藥室內壁最高溫度到達報警溫度的射擊發(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、外壁溫度均有所降低，但身管厚度對身管外壁溫度的影響更明顯。隨著射擊發(fā)數(shù)的累加，身管厚度對身管內外壁溫度的影響也會增加。

3 結論

通過耦合求解雙一維兩相流內彈道方程和軸對稱熱傳導方程，得到了火炮連續(xù)射擊過程中身管內外壁溫的分布規(guī)律。以火炮內膛壁面報警溫度443 K為前提，設定不同環(huán)境溫度、射擊工況及身管厚度，對藥室內壁最高溫度進行了仿真計算。結果表明，不同環(huán)境溫度對藥室內膛溫度徑向分布規(guī)律影響不大，但對藥室內壁最高溫度達到火炮報警溫度的射擊發(fā)數(shù)影響較大；射擊工況對藥室內膛溫度徑向分布規(guī)律與達到火炮報警溫度的射擊發(fā)數(shù)影響均較大；身管厚度對藥室內膛溫度徑向分布規(guī)律與達到火炮報警溫度的射擊發(fā)數(shù)影響均不大，但對身管外壁溫度影響較大。計算模型與結果對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。

References)

[1]陳桂東，周彥煌.模塊裝藥膛內受熱及其射擊工況對它的影響[J].彈道學報，2012，34(3):10-14. CHEN Guidong, ZHOU Yanhuang. Modular charge heated in tube and influence of fire conditions[J]. Journal of Ballistics, 2012，34(3):10-14.(in Chinese)

[2]陳桂東，周彥煌.身管受熱及其對彈丸膛內滯留的影響[J].火炮發(fā)射與控制學報，2010(1):8-12. CHEN Guidong, ZHOU Yanhuang. Gun tube heating and its influence on projectile healed in bore[J]. Journal of Gun Launch & Control, 2010(1):8-12. (in Chinese)

[3]陳桂東，周彥煌.火炮身管報警溫度的確定[J].兵工學報，2008,29(1):19-22. CHEN Guidong, ZHOU Yanhuang. Methods to ascertain the alert temperature of gun tube[J]. Acta Armamentarii, 2008,29(1):19-22. (in Chinese)

[4]肖飛.火炮射擊時身管溫度場測試研究[D].南京：南京理工大學，2005. XIAO Fei.Measuring research on temperature field of gun tube when firing[D].Nanjing：Nanjing University of Scien-ce and Technology, 2005. (in Chinese)

[5]朱文芳，王育維，魏建國，等.某火炮多發(fā)連續(xù)射擊身管傳熱的計算分析[J].火炮發(fā)射與控制學報，2012(3):10-14. ZHU Wenfang, WANG Yuwei, WEI Jianguo, et al. Calculation and analysis on heat transfer for a gun barrel du-ring multi-round continuous firing[J]. Journal of Gun Launch & Control, 2012(3):10-14. (in Chinese)

[6]周彥煌，王升晨.實用兩相流內彈道學[M].北京：兵器工業(yè)出版社，1990:278-283. ZHOU Yanhuang, WANG Shengchen. Practical interior ballistics of two-phase flow[M]. Beijing:The Publishing House of Ordnance Industry， 1990:278-283. (in Chinese)

[7]王升晨，周彥煌.膛內多相燃燒理論及應用[M]. 北京：兵器工業(yè)出版社，1994:57-76. WANG Shengchen, ZHOU Yanhuang. Theoretics and application of multiphase combustion in bore[M]. Beijing:The Publishing House of Ordnance Industry，1994:57-76. (in Chinese)

[8]沈維道，蔣智敏，童鈞耕.工程熱力學[M].北京：高等教育出版社，2001:242-243. SHEN Weidao, JIANG Zhimin, TONG Jungeng. Engineering thermodynamics[M].Beijing: Higher Education Press,2001: 242-243. (in Chinese)

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，高級工程師，碩士，主要從事內彈道發(fā)射與裝藥結構設計研究。E-mail：zc427611@163.com

TJ012.1

A

1673-6524(2016)04-0058-05