極端溫度環境中艦船彈庫傳熱技術研究*

高云飛 瞿 軍 郭恒光 余仁波 崔偉成

（1.海軍航空大學研究生大隊 煙臺 264001）（2.海軍航空大學 煙臺 264001）

1 引言

現今艦載垂直發射系統已經廣泛地用于各類驅逐艦和護衛艦等水面艦艇，垂直發射系統的主體安裝于艦艇的彈庫之中，艦艇在前后配置彈庫，每個彈庫內安裝有多個垂直發射單元。標準發射單元主要由艙口蓋總成、支撐構架、排氣道總成和壓力室總成組成。彈庫的上壁面由多個個艙口蓋總成共同組成，側壁面與底面為艙室壁。彈庫的主要作用就是在導彈在戰備值班、發射等工況下提供相對穩定和良好的環境［1～3］。在海洋高溫日照環境下，由于太陽輻的原因，會使彈庫內溫度不斷升高，高溫會對導彈壽命、發射控制元器件和材料壽命產生不利影響，同樣極端低溫環境同樣會對導彈的材料和性能產生影響，從而導彈發射的可靠性降低［4～9］。因此，彈庫的隔熱保溫性能是彈庫的重要性能指標之一。

2 彈庫的傳熱性能計算

彈庫的傳熱包括連續的三個過程［10］，分別是外側空氣到外壁面、外壁面到內壁面、內壁面到內側空氣。當傳熱過程是穩態過程時，通過每個環節的熱流量φ是相同的。設平壁表面積為A，如圖1 所示的符號，三個環節的熱流量的表達式為

圖1 傳熱過程

圖1 中h1為彈庫外側空氣與外壁面的換熱系數；tf1為彈庫外側空氣溫度；tw1為彈庫外壁面的溫度；δ為彈庫厚度；λ為彈庫導熱系數；tw2為彈庫內壁面溫度；h2為彈庫內壁面與內側空氣與的換熱系數；tf2為彈庫內側空氣溫度。把式（1）、（2）、（3）轉化為溫度差的形式，即：

白天的太陽輻射強度和環境溫度不斷變化，所以會導致彈庫上表面同外界換熱系數h1難以精確獲得，于是可以直接將式（5）和式（6）直接相加，消去換熱系數h1。

變換形式后有：

式中，K為傳熱系數，所以只要計算出彈庫上表面外壁面溫度tw1，以及彈庫上表面傳熱系數K，就可以計算出彈庫內表面溫度tf2。

太陽輻射會直接引起彈庫上表面溫度升高，同時周圍環境溫度也會作用到彈庫的上表面也會引起溫度的變化，將太輻射強度轉化為溫度的形式，再將其與環境溫度疊加，共同組成了受太陽照射表面的綜合溫度。受到太陽照射的表面溫度會高于外側大氣溫度，由于對流效應，部分熱量會進入周圍大氣中，剩余的部分則會通過熱傳導的形式滲入到彈庫上表面艙蓋內。

在傳熱計算中，選取24h 的太陽輻射和大氣溫度的的數據，太陽輻射值表示太陽輻射在水平面的總強度，計算彈庫上表面艙蓋溫度可直接利用該太陽輻射值。根據理論推導與實驗結果驗證［4］，彈庫上表面溫度計算公式可以表示為

式中：tu為環境溫度，ts為彈庫上表面溫度，E為太陽輻射強度。

3 控制方程

3.1 傳熱學基本方程

3.1.1 導熱微分方程

由于彈庫上表面溫度隨時間變化，所以該問題是一個非穩態導熱過程。三維非穩態無內熱源導熱傳熱公式為

式中ρ為密度，c為比熱容，τ為時間，λ為導熱系數。

3.1.2 對流換熱微分方程

3.2 Boussinesq模型

流體的密度同壓強和溫度相關，彈庫內部空氣流動緩慢，此時就可以假設空氣的密度只和溫度有關，這剛好滿足Boussinesq 模型的限制條件，同時Boussinesq 模型中求解方程時把密度看作常數，這可以增加計算收斂速度，縮短計算時間，Boussinesq模型可以近似的表示為

4 仿真模型的建立

4.1 計算模型

根據艦船彈庫和垂直發射單元的具體結構參數，由于發射單元和彈庫的對稱以及彈庫空氣流動緩慢的特點，建立二維模型進行傳熱學分析，可以大大簡化運算量［11～12］。運用 CAD 和 ICEM-CFD 軟件進行二維建模，利用FLUENT 軟件對彈庫內的傳熱過程進行仿真［13］，計算模型如圖2和圖3所示。

圖2 二維模型

圖3 網格劃分

4.2 環境邊界條件

在選取環境溫度時考慮極端情況，參考國軍標《GJB1060.2-1991 艦船環境條件要求—氣候環境》表中給出的24h 大氣氣溫和太陽輻射數據，利用式（9）計算得出仿真計算中彈庫上表面的溫度。考慮到實際情況下環境溫度變化應該為連續變化，利用傅里葉函數對彈庫上表面溫度進行擬合，擬合曲線方程為式（13），溫度加載曲線見圖4。實際艦船艙室使用中，彈庫兩側和彈庫底部會受到臨近艙室的影響，所以認為彈庫底部和彈庫兩側溫度恒定為25℃。

圖4 溫度擬合曲線

在極端低溫環境下，同樣根據《GJB1060.2-1991 艦船環境條件要求—氣候環境》的標準要求，考慮到艦船戰備值班的具體環境以及我國海洋環境可能發生的極端低溫情況，認為極端低溫為-38℃。

表1 太陽輻射與溫度對照

彈庫內表面、發射箱表面、彈體表面采用耦合邊界條件；彈艙蓋按照實際參數建立，彈體比熱容通過實體進行修正。分別選取彈庫內幾個特征點進行研究。彈體上部一般為導引頭和戰斗部、中部為液體推進劑和渦輪發動機、下部為固體推進劑和固體火箭發動機。對這幾個關鍵位置進行監測可以更加清楚地掌握導彈所處環境，同時監測彈庫上中下位置，可以整體了解彈庫的環境。綜上所述，監測點包括：彈庫中部過道部分上中下三點（1、2、3）、靠近彈庫兩側上中下三點（4、5、6）、中部彈體上中下三點（7、8、9）以及兩側彈體上中下三點（10、11、12）共計12個點的溫度進行監測。

圖5 溫度監測點

4.3 計算結果分析

4.3.1 高溫日循環條件下溫度變化

從圖6～圖9 中可以看出，在高溫日照環境下3個周期之后彈庫各部分溫度變化趨于穩定，其中彈庫中上部靠近艙蓋的位置和彈庫兩側上部的溫度變化比較明顯，但是溫度變化幅度遠小于外界溫度變化的幅度，說明彈庫上表面艙蓋的隔熱效果良好?？拷撌抑胁繌楏w和靠近艙室兩側彈體溫度變化幅度較小，尤其是彈體中下部溫度基本不變化，其一是由于艙室隔熱效果較好，其二是彈體體積較大，比熱容大，彈體整體導熱情況較好，所以彈體溫度變化較小，且彈體各部分溫度差異小。

圖6 彈庫中部溫度

圖7 彈庫兩側溫度

圖8 中部彈體溫度

圖9 兩側彈體溫度

4.3.2 極端低溫環境下溫度分布

如圖10 所示，極端寒冷環境中，彈庫溫度分布呈現上低下高，中間低兩側高的情況，其中彈庫上部溫度最低，所以在艙蓋位置增加除冰設備很有必要。其中兩側彈體受彈庫兩側壁面溫度影響，溫度仍舊維持在15 ℃，中部彈體整體溫度為0℃。仿真結果說明彈庫保溫性能好，在極端低溫條件下仍舊能夠使用。

圖10 極端寒冷環境中彈庫溫度分布

5 結語

在仿真計算中，彈庫上表面溫度計算中采用了綜合溫度的計算方法，將太陽輻射轉化文溫度的形式，簡化了傳熱過程。通過對極端溫度環境中艦船彈庫內部溫度的仿真，說明艦載導彈垂直發射系統的彈庫隔熱保溫性能好，能夠提供在極端條件下的使用環境，保證導彈發射的可靠度。需要注意的是彈庫上表面艙蓋位置處受外界環境影響較大，極端溫度會對艙蓋的開啟產生一定影響，艙蓋需要注意密封、隔熱、除冰的機構的可靠度。