穿甲彈發(fā)射過程尾翼傳熱計算

李陽　王健

摘 要：本文對穿甲彈的尾翼進行建模，通過對含能火藥燃燒后形成燃氣的研究與分析，對火藥燃氣的溫度和傳熱系數(shù)進行理論計算，通過數(shù)據(jù)處理得到燃氣溫度與對流換熱系數(shù)的變化曲線，進而進行計算，最終得到穿甲彈尾翼在發(fā)射過程中的溫度變化。研究結(jié)果對穿甲彈的熱結(jié)構(gòu)布置具有指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：穿甲彈；傳熱；燃氣溫度；對流換熱系數(shù)；發(fā)射過程

穿甲彈發(fā)射過程中，含能火藥迅速燃燒釋放大量高溫高壓燃氣，對穿甲彈形成迅速加熱，溫度升高將造成材料力學(xué)性能下降。本文以某穿甲彈為背景，分析其熱性能，對尾翼進行研究分析，通過計算燃氣溫度和對流換熱系數(shù)，進而得到求解尾翼溫度分布的邊界條件，后對整個過程進行仿真，得到尾翼溫度分布的瞬態(tài)解。

1 模型與要處理的問題

尾翼的材料是鋁合金，表1是計算過程中選取的鋁合金的性能參數(shù)。

為了簡化模型由于作用時間很短，尾翼對彈體的導(dǎo)熱相對于燃氣對尾翼的傳熱可以忽略不計在，PROE建模軟件中建立穿甲彈尾翼的模型，幾何模型如圖1所示；網(wǎng)格模型（全圖和剖面圖）如圖2所示。

發(fā)射過程主要過程可簡化分析為主要的4.5ms，然后對溫度分布進行瞬態(tài)求解。故發(fā)射過程的主要任務(wù)是通過公式和函數(shù)模擬得到溫度和對流換熱系數(shù)的4.5ms內(nèi)的數(shù)據(jù)趨勢。

2 控制方程

2.1 火藥燃氣溫度的計算

火藥燃氣的溫度是基于整個發(fā)射過程的。點火藥引燃火藥，一瞬間炮膛內(nèi)溫度急劇上升；推動穿甲彈運動的過程，溫度逐漸下降；穿甲彈離開藥筒，燃氣溫度迅速下降。這些過程都可以通過函數(shù)和公式大致模擬。根據(jù)試驗得到的數(shù)據(jù)，可以將模型簡化假設(shè)為前2ms的前期過程和后2.5ms的后效階段，這樣處理更符合實際情況。

前期時期：將燃氣溫度看成是時間的函數(shù)，可以通過公式（1）來描述。

Tg（t）=[1-（k-1）φqv （t ）2/（2fωψ）]T1 （1）

公式中其中k為藥筒絕熱系數(shù)；φ為虛擬系數(shù)；q為尾翼質(zhì)量；v （t ）為尾翼的運動速度；f為火藥力；ω為裝藥量；ψ為已燃火藥占總量的百分比；T1為爆溫。

后效過程：由于發(fā)射至4.5ms的時候火藥燃氣的溫度略高于外界空氣的溫度?？梢赃x擇用對數(shù)函數(shù)式（2）來擬合后效期過程。

T=Thexp（-AtB）（2）

式中Th為后效期開始時的火藥燃氣平均溫度，A，B為實驗擬合系數(shù)。其中后效期起始溫度等于內(nèi)彈道結(jié)束時燃氣的均溫，4.5ms后效期結(jié)束時溫度高于空氣中的溫度，根據(jù)以上條件，處理得到擬合曲線，如圖3所示。

2.2 對流換熱系數(shù)的計算

外界對尾翼的對流換熱系數(shù)h的確定。由于尾翼圓筒處壁面厚度較薄，工程上可以將此問題簡化平板模型[ 2 ]，運用相似理論選取公式（3）描述。

2.3 固體導(dǎo)熱區(qū)控制方程

對于固體導(dǎo)熱區(qū)的能量傳遞，其求解能量方程的形式如下：

3 計算分析

本文將發(fā)射的過程簡化為，通過研究對燃氣溫度場和換熱系數(shù)隨時間的變化，將復(fù)雜的動態(tài)過程簡化為一個變工況的換熱導(dǎo)熱問題。通過第三章所述的控制方程實現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換，最終得到尾翼溫度分布隨時間的變化，如圖5所示。

由于模型具有對稱性，我們選擇幾個有代表性位置的監(jiān)視器對時間歷程結(jié)果觀察分析，如圖6所示，圖中TEMP2是尾翼一個內(nèi)壁節(jié)點（963）的溫度，TEMP3是外壁節(jié)點（4083）的溫度，TEMP4是尾翼上的一個節(jié)點（10352），TEMP5是尾翼外端的一個節(jié)點（1907）。

選擇監(jiān)視區(qū)后就得到這些節(jié)點的溫度隨時間的變化關(guān)系，將其繪成函數(shù)曲線，如圖7所示。

4 結(jié)論

本文通過數(shù)據(jù)處理，編程計算，得到穿甲彈發(fā)射4.5ms過程中的燃氣溫度T的變化，對流換熱系數(shù)h變化，通過控制方程得到尾翼溫度場數(shù)據(jù)。計算結(jié)果表明，發(fā)射時火藥燃氣溫度很高，在發(fā)射過程中，由于燃氣周圍介質(zhì)換熱很大，短短幾個毫秒溫度迅速降低。而尾翼的溫度變化則在3ms以后較緩。

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