极端温度环境中舰船弹库传热技术研究*

高云飞 瞿 军 郭恒光 余仁波 崔伟成

（1.海军航空大学研究生大队 烟台 264001）（2.海军航空大学 烟台 264001）

1 引言

现今舰载垂直发射系统已经广泛地用于各类驱逐舰和护卫舰等水面舰艇，垂直发射系统的主体安装于舰艇的弹库之中，舰艇在前后配置弹库，每个弹库内安装有多个垂直发射单元。标准发射单元主要由舱口盖总成、支撑构架、排气道总成和压力室总成组成。弹库的上壁面由多个个舱口盖总成共同组成，侧壁面与底面为舱室壁。弹库的主要作用就是在导弹在战备值班、发射等工况下提供相对稳定和良好的环境［1～3］。在海洋高温日照环境下，由于太阳辐的原因，会使弹库内温度不断升高，高温会对导弹寿命、发射控制元器件和材料寿命产生不利影响，同样极端低温环境同样会对导弹的材料和性能产生影响，从而导弹发射的可靠性降低［4～9］。因此，弹库的隔热保温性能是弹库的重要性能指标之一。

2 弹库的传热性能计算

弹库的传热包括连续的三个过程［10］，分别是外侧空气到外壁面、外壁面到内壁面、内壁面到内侧空气。当传热过程是稳态过程时，通过每个环节的热流量φ是相同的。设平壁表面积为A，如图1 所示的符号，三个环节的热流量的表达式为

图1 传热过程

图1 中h1为弹库外侧空气与外壁面的换热系数；tf1为弹库外侧空气温度；tw1为弹库外壁面的温度；δ为弹库厚度；λ为弹库导热系数；tw2为弹库内壁面温度；h2为弹库内壁面与内侧空气与的换热系数；tf2为弹库内侧空气温度。把式（1）、（2）、（3）转化为温度差的形式，即：

白天的太阳辐射强度和环境温度不断变化，所以会导致弹库上表面同外界换热系数h1难以精确获得，于是可以直接将式（5）和式（6）直接相加，消去换热系数h1。

变换形式后有：

式中，K为传热系数，所以只要计算出弹库上表面外壁面温度tw1，以及弹库上表面传热系数K，就可以计算出弹库内表面温度tf2。

太阳辐射会直接引起弹库上表面温度升高，同时周围环境温度也会作用到弹库的上表面也会引起温度的变化，将太辐射强度转化为温度的形式，再将其与环境温度叠加，共同组成了受太阳照射表面的综合温度。受到太阳照射的表面温度会高于外侧大气温度，由于对流效应，部分热量会进入周围大气中，剩余的部分则会通过热传导的形式渗入到弹库上表面舱盖内。

在传热计算中，选取24h 的太阳辐射和大气温度的的数据，太阳辐射值表示太阳辐射在水平面的总强度，计算弹库上表面舱盖温度可直接利用该太阳辐射值。根据理论推导与实验结果验证［4］，弹库上表面温度计算公式可以表示为

式中：tu为环境温度，ts为弹库上表面温度，E为太阳辐射强度。

3 控制方程

3.1 传热学基本方程

3.1.1 导热微分方程

由于弹库上表面温度随时间变化，所以该问题是一个非稳态导热过程。三维非稳态无内热源导热传热公式为

式中ρ为密度，c为比热容，τ为时间，λ为导热系数。

3.1.2 对流换热微分方程

3.2 Boussinesq模型

流体的密度同压强和温度相关，弹库内部空气流动缓慢，此时就可以假设空气的密度只和温度有关，这刚好满足Boussinesq 模型的限制条件，同时Boussinesq 模型中求解方程时把密度看作常数，这可以增加计算收敛速度，缩短计算时间，Boussinesq模型可以近似的表示为

4 仿真模型的建立

4.1 计算模型

根据舰船弹库和垂直发射单元的具体结构参数，由于发射单元和弹库的对称以及弹库空气流动缓慢的特点，建立二维模型进行传热学分析，可以大大简化运算量［11～12］。运用 CAD 和 ICEM-CFD 软件进行二维建模，利用FLUENT 软件对弹库内的传热过程进行仿真［13］，计算模型如图2和图3所示。

图2 二维模型

图3 网格划分

4.2 环境边界条件

在选取环境温度时考虑极端情况，参考国军标《GJB1060.2-1991 舰船环境条件要求—气候环境》表中给出的24h 大气气温和太阳辐射数据，利用式（9）计算得出仿真计算中弹库上表面的温度。考虑到实际情况下环境温度变化应该为连续变化，利用傅里叶函数对弹库上表面温度进行拟合，拟合曲线方程为式（13），温度加载曲线见图4。实际舰船舱室使用中，弹库两侧和弹库底部会受到临近舱室的影响，所以认为弹库底部和弹库两侧温度恒定为25℃。

图4 温度拟合曲线

在极端低温环境下，同样根据《GJB1060.2-1991 舰船环境条件要求—气候环境》的标准要求，考虑到舰船战备值班的具体环境以及我国海洋环境可能发生的极端低温情况，认为极端低温为-38℃。

表1 太阳辐射与温度对照

弹库内表面、发射箱表面、弹体表面采用耦合边界条件；弹舱盖按照实际参数建立，弹体比热容通过实体进行修正。分别选取弹库内几个特征点进行研究。弹体上部一般为导引头和战斗部、中部为液体推进剂和涡轮发动机、下部为固体推进剂和固体火箭发动机。对这几个关键位置进行监测可以更加清楚地掌握导弹所处环境，同时监测弹库上中下位置，可以整体了解弹库的环境。综上所述，监测点包括：弹库中部过道部分上中下三点（1、2、3）、靠近弹库两侧上中下三点（4、5、6）、中部弹体上中下三点（7、8、9）以及两侧弹体上中下三点（10、11、12）共计12个点的温度进行监测。

图5 温度监测点

4.3 计算结果分析

4.3.1 高温日循环条件下温度变化

从图6～图9 中可以看出，在高温日照环境下3个周期之后弹库各部分温度变化趋于稳定，其中弹库中上部靠近舱盖的位置和弹库两侧上部的温度变化比较明显，但是温度变化幅度远小于外界温度变化的幅度，说明弹库上表面舱盖的隔热效果良好。靠近舱室中部弹体和靠近舱室两侧弹体温度变化幅度较小，尤其是弹体中下部温度基本不变化，其一是由于舱室隔热效果较好，其二是弹体体积较大，比热容大，弹体整体导热情况较好，所以弹体温度变化较小，且弹体各部分温度差异小。

图6 弹库中部温度

图7 弹库两侧温度

图8 中部弹体温度

图9 两侧弹体温度

4.3.2 极端低温环境下温度分布

如图10 所示，极端寒冷环境中，弹库温度分布呈现上低下高，中间低两侧高的情况，其中弹库上部温度最低，所以在舱盖位置增加除冰设备很有必要。其中两侧弹体受弹库两侧壁面温度影响，温度仍旧维持在15 ℃，中部弹体整体温度为0℃。仿真结果说明弹库保温性能好，在极端低温条件下仍旧能够使用。

图10 极端寒冷环境中弹库温度分布

5 结语

在仿真计算中，弹库上表面温度计算中采用了综合温度的计算方法，将太阳辐射转化文温度的形式，简化了传热过程。通过对极端温度环境中舰船弹库内部温度的仿真，说明舰载导弹垂直发射系统的弹库隔热保温性能好，能够提供在极端条件下的使用环境，保证导弹发射的可靠度。需要注意的是弹库上表面舱盖位置处受外界环境影响较大，极端温度会对舱盖的开启产生一定影响，舱盖需要注意密封、隔热、除冰的机构的可靠度。