某火炮身管温度仿真计算及其影响因素分析

朱文芳，王育维，郭映华，董彦诚，李瑞静

(西北机电工程研究所，陕西 咸阳 712099)



某火炮身管温度仿真计算及其影响因素分析

朱文芳，王育维，郭映华，董彦诚，李瑞静

(西北机电工程研究所，陕西 咸阳 712099)

火炮射击过程中高温燃气周期性冲刷身管内膛导致内膛壁温升高，从而使以含能材料为主配方的全可燃装药在膛内滞留期间面临更多的热安全性问题。利用双一维两相流内弹道模型与一维轴对称热传导模型，描述了某火炮连续发射过程中的身管传热规律，并通过计算结果与试验测试结果对比，验证了模型的准确性。在此基础上，对持续射击20发的身管温度场进行了仿真，得到了每发射击完成后身管内、外壁温度分布规律，分析了不同环境温度、射击工况及身管厚度对身管温度变化规律的影响。结果表明，射击工况对药室内膛温度径向分布规律影响较大，环境温度、身管厚度对其的影响很小；环境温度、射击工况对药室内壁最高温度达到火炮报警温度的射击发数影响较大，身管厚度对其的影响很小。计算结果为装药射击热安全性、身管热烧蚀及寿命研究提供参考。

全可燃装药；传热；射击热安全性；连续射击

现代战场对身管武器的威力和射速提出了更高的要求，由此带来的是对身管更强的热作用和更高的机械强度作用，尤其是在火炮连续射击过程中，由于高温燃气周期性冲刷身管内膛导致内膛壁温升高，从而使以含能材料为主配方的全可燃装药在膛内滞留期间面临更多的热安全性问题。火炮研究者在身管热传导方面做了诸多研究。陈桂东等对模块装药膛内受热情况进行了计算分析，对身管受热后弹丸膛内滞留进行计算分析、通过身管传热分析研究了火炮身管寿命的确定方法[1-3]，肖飞对身管温度场测试理论与方法进行了研究[4]。但上述研究者对身管传热的计算是基于均相流内弹道理论，后效期也作了简化处理，这与火炮实际多维多相流发射过程相差较大，其计算结果作为身管传热计算的边界输入条件存在一定误差，从而影响身管传热计算的精确度。

某火炮采用新型高能发射药，与常规发射药相比，此类发射药爆热较大，燃烧后产生气体的温度较高，与身管内壁的对流换热更加剧烈。因此，使用此装药进行连续射击时，药室内壁温度上升较快，对火炮射击安全性影响较大。笔者利用两相流内弹道理论和传热学理论对此火炮发射过程的身管传热问题进行了分析和描述，并与身管外壁温度测试结果进行对比，验证了模型的准确性。在此基础上，对影响身管内壁温度的不同因素进行计算分析，寻找对身管温度影响较大的因素，为全可燃装药热安全性分析提供基础。

1 计算模型

针对某火炮全可燃装药条件下发射过程身管传热的特点，利用双一维两相流内弹道模型和轴对称热传导模型，联立求解内弹道方程和传热方程，由内弹道方程求得火药燃气温度，得到身管内壁的热流边界条件，并通过传热方程得到了火炮发射过程中身管壁温的变化规律。

1.1 双一维两相流内弹道模型

全可燃装药内弹道模型采用双一维两相流内弹道模型，具体模型参考文献[5-7]。

1.2 后效期模型

后效期膛内气流以准定常流处理，由于火药已完全燃尽，膛内为纯气相状态，属一维气相流动问题；膛口气流速度在整个后效期内均等于当时当地声速，气流从膛口的流出过程是绝热过程。炮口处气体流速与火药气体流出质量速率公式如下[8]：

炮口处气体流速为

(1)

火药气体流出质量速率为

(2)

式中：N为炮口网格点的参数；p、ρ分别为炮口气体的压力、密度;S为炮口处身管截面面积;k为火药气体比热比。

1.3 身管传热模型

身管传热模型采用轴对称一维非稳态热传导方程[5]，主要考虑火炮射击过程中沿身管轴向不同位置处火药气体通过旺盛的湍流对流换热和辐射换热来加热身管，身管外壁则与周围空气以自然对流与辐射方式进行热交换。

火炮身管传热方程为

(3)

式中：a1为身管材料的导温系数;r为身管径向半径。

1.4 边界条件

在火炮射击过程中，火药气体跟随弹丸沿身管轴向运动，此处没有考虑横风作用，传递给身管的热量主要通过火药气体的对流放热，火药气体对壁面的热辐射，与对流传热相比，除膛底与弹底附近的地方外，一般不会超过百分之一[7]，故辐射传热可忽略。笔者对流传热采用旺盛湍流流动的关联式，努塞尔数为Nu=0.05Re0.8Pr0.4Ke，Ke为入口长度修正系数；笔者所建身管传热模型为一维轴对称模型，周围空气与身管外壁之间的热交换仅考虑了自然对流换热，暂不考虑辐射传热。火炮无冷却设施，暂不考虑强制对流传热。自然对流换热努塞尔数采用Nu=0.48 Gr1/4Pr1/4。

1.5 稳定性条件

求解方程稳定性条件为dt≤0.5dr2/a1，由于两相流内弹道方程与传热方程联立计算，因此两相流内弹道方程的时间步长dt1与传热方程的时间步长dt2，取两者之中最小值为耦合求解的时间步长。

2 计算结果及分析

2.1 计算结果与测试结果对比

利用精度高、环境适应性强的热电阻测温传感器，按一定放置规律固定在身管外壁上，通过温度变送器、远距离传输信号线、信号转换板、数据采集仪，连续记录身管壁温的变化过程，完成身管外壁温度长时间、适时测量。对身管外壁不同位置(A、B、C)处的温度进行监测，A点距膛底3.976 m，B点距膛底5.33 m，C点距膛底6.03 m。身管外壁温度传感器布置位置示意图如图1所示。

身管外壁最高温度计算结果与测试结果对比如表1所示。表1中的2发数据是连续发射，在不同位置的测试结果，第1发为5号装药发射结果，第2发为6号装药发射结果，2发射击之间的时间间隔为30min。

表1 身管外壁最高温度计算结果与测试结果对比 K

图2为第1发射击时身管外壁B点温度计算结果与测试结果的对比。

由表1、图2可看出，计算出的身管外壁最高温度与测试结果接近，但50 s以内计算结果与测试结果有区别。分析认为造成此现象的主要原因有：测温传感器具有一定热阻；实际射击中身管外表面有涂层，涂层的导热性能较身管差很多，具有热阻效应。以上2种热阻的存在使测试结果存在一定响应延迟。笔者认为，这种差别对温度上升速率有一定影响，而对温度上升量影响不大，即对身管内壁的总散热量影响不大。总的来说，计算曲线与测试曲线的趋势基本一致，说明仿真模型能较准确描述火炮身管温度变化过程，具有一定的工程指导意义。

2.2 身管内壁温度影响因素分析

对某火炮最大号装药射击过程身管热传导进行仿真，射击过程身管内壁温度随着射击发数的增加而累加。该火炮装药采用全可燃装药，其药筒以含能材料为主要成分，若药室内壁温度达到药筒着火温度，装药入膛后若滞留，在高温烘烤下可能存在自燃现象，从而严重影响了发射装药的安全性。计算中按药室内壁最高温度达到443 K，也即通常所采用的身管内壁报警法[3]的报警温度停止计算，并利用计算结果分析影响身管内壁温度的因素。

2.2.1 以最大射速持续射击20发的身管温度场计算分析

环境温度为20 ℃，以10发/min的射速连续射击20发，身管内、外壁温度分布情况如图3、4所示。

由图3可知，前6发内壁的温度分布规律为坡膛处(距膛底约1.0 m处)温度最高，这主要是由于此处火药燃气速度高、温度高，与身管内壁的对流换热剧烈。但从第7发开始，身管上距膛底5.12 m之后的温度开始高于坡膛处温度，而且在此处温度有明显的跳跃，这是因为在此处身管壁厚有跳跃性变化，身管壁厚骤减，身管外壁温度升高较快，由于前7发的积累，外壁温度较高，从而此处身管内外壁温差减小，由身管内壁向外壁的导热量减小。因此，随着射击发数的增加，身管壁厚薄的部位内壁温度积累效应越来越明显，温度升高量大。

由图4可知，身管外壁温度分布规律受身管壁厚影响很大，在身管壁厚有骤变的部位均存在温度跳跃性变化，身管壁厚越薄，外壁温度上升越快。距膛底5.12 m之后的身管壁厚较薄，温度上升快，温度值也较高。

2.2.2 不同环境温度计算分析

对不同初始环境温度火炮连续射击过程的身管热传导进行了仿真计算(10发/min的射速)，当药室内壁最高温度升高至443 K停止计算。从图3可知，药室内壁温度的分布规律为从膛底至坡膛逐渐上升，所以药室内壁最高温度的位置为药室内距膛底1.0 m处，取此点为计算点，下同。由于身管内壁温度的径向分布规律对其与药筒的换热影响较大，所以研究中更关心的是装药入膛时刻药室内最高温度处的径向温度分布规律。图5给出了不同初始环境温度药室最高温度处的径向温度分布规律，射击发数与温度结果如表2所示。

表2 不同环境温度计算结果 K

由图5、表2可知，不同环境温度对药室内壁温度径向分布规律影响不大，但对药室内壁最高温度达到火炮报警温度的发数影响较大。环境温度越高，达到火炮报警温度的射击发数越少。

2.2.3 不同射击工况计算分析

对以下3种射击方案分别进行仿真：方案1，以10发/min的射速射击；方案2，以5发/min的射速射击；方案3,以10发/min的射速射击10发，以5发/min的射速射击10发，之后用1发/min的射速连续射击。药室内壁最高温度达到443 K停止计算。药室内壁最高温度处的径向温度分布曲线如图6所示，射击发数与温度结果如表3所示。

表3 不同射击工况计算结果

由图6、表3可知，不同射击工况对药室内壁温度径向分布规律影响较大，对药室内壁最高温度升高至火炮报警温度的射击发数影响较大。射速越高，达到火炮报警温度的射击发数越少。

2.2.4 不同身管壁厚计算分析

对火炮原身管厚度以及在原身管厚度基础上减薄10 mm、加厚10 mm的身管热传导情况进行仿真计算，以10发/min的射速连续射击，当药室内壁最高温度达到443 K停止计算。药室最高温度处的径向温度分布曲线如图7所示，射击结束后身管内、外壁温度如表4所示。

表4 不同身管壁厚温度计算结果

由图7、表4可知，不同身管壁厚对药室内壁温度径向分布规律影响不大，药室内壁最高温度到达报警温度的射击发数也相同。随着身管厚度增加，身管热容量增大，吸热能力提高，身管内、外壁温度均有所降低，但身管厚度对身管外壁温度的影响更明显。随着射击发数的累加，身管厚度对身管内外壁温度的影响也会增加。

3 结论

通过耦合求解双一维两相流内弹道方程和轴对称热传导方程，得到了火炮连续射击过程中身管内外壁温的分布规律。以火炮内膛壁面报警温度443 K为前提，设定不同环境温度、射击工况及身管厚度，对药室内壁最高温度进行了仿真计算。结果表明，不同环境温度对药室内膛温度径向分布规律影响不大，但对药室内壁最高温度达到火炮报警温度的射击发数影响较大；射击工况对药室内膛温度径向分布规律与达到火炮报警温度的射击发数影响均较大；身管厚度对药室内膛温度径向分布规律与达到火炮报警温度的射击发数影响均不大，但对身管外壁温度影响较大。计算模型与结果对全可燃装药射击热安全性及身管烧蚀与寿命研究均有一定借鉴意义。

References)

[1]陈桂东，周彦煌.模块装药膛内受热及其射击工况对它的影响[J].弹道学报，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]陈桂东，周彦煌.身管受热及其对弹丸膛内滞留的影响[J].火炮发射与控制学报，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]陈桂东，周彦煌.火炮身管报警温度的确定[J].兵工学报，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]肖飞.火炮射击时身管温度场测试研究[D].南京：南京理工大学，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，王育维，魏建国，等.某火炮多发连续射击身管传热的计算分析[J].火炮发射与控制学报，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]周彦煌，王升晨.实用两相流内弹道学[M].北京：兵器工业出版社，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，周彦煌.膛内多相燃烧理论及应用[M]. 北京：兵器工业出版社，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]沈维道，蒋智敏，童钧耕.工程热力学[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，高级工程师，硕士，主要从事内弹道发射与装药结构设计研究。E-mail：zc427611@163.com

TJ012.1

A

1673-6524(2016)04-0058-05