箭炮发射装药非稳态传热性能研究

论文摘要

火炮和火箭炮是投送炮弹和火箭弹的动力装置。当代业已形成的精确打击作战概念和作战模式,迫使箭、炮武器系统努力提高射击精度,以适应作战需要。药温(发射装药温度)是影响武器射程的重要诸元,其测量结果对射击精度产生很大的影响。但是,目前国内炮兵现有制式装备的药温测量仍沿用20年前的模式,使用的器材落后,操作规程不合理,测量方法存在严重缺陷,急需得到改进。有鉴于此,本文围绕如何实现野战条件下火炮和火箭炮实时装药温度的精确测量这一课题展开了系统研究,主要内容包括:(1)对多种国产火药,包括箭药和炮药的热物性作了实际测量,为对箭炮装药非稳态传热性能的实验研究和理论研究提供了必要的参量准备,并为国产火药的热物性研究积累了数据和经验;(2)模拟野战条件下箭炮发射装药的典型工况,对装药的非稳态温度场进行了实际测量。在概括出传统药温测量方法产生的四项误差并给出了各项误差和总体误差的定义的基础上,通过对实验数据的整理和计算,得出了采用传统方法测量装药温度所产生的各项误差值和总体误差值,从而以实验的方式详细考察了传统药温测量方法存在的缺陷;(3)军方在对新型药温测量装置进行检验时,为了考核动态条件下装置的测量精度,要求装药所处环境的温度变化速率超过一定值。作者利用温控箱满足上述要求,对多种具有典型结构的箭炮发射装药进行了温升实验,实测了多个测点不同时刻的温度值,部分掌握了装药温度场随时间的变化规律。所得实验数据为理论计算和未来研制出的药温测量装置提供了检验依据;(4)根据装药结构、传热机理和特点的不同,将箭炮装药传热问题划分为两种类型,并分别建立了相对应的数理模型;(5)对应于温控箱内进行的某单根药柱火箭发射装药的温升实验,对该装药的非稳态流场和温度场进行了数值模拟,模拟结果与实验测量值吻合良好。在此基础上对流场和温度场特性作了系统研究,重点研究了环形夹层内的对流以及固壁之间的辐射换热对装药温度场的影响;(6)基于非结构化网格和SIMPLE算法,导出了复杂结构火箭发射装药传热问题的求解方法和步骤。对应于温控箱内的温升试验,对两种不同的多根药柱火箭发射装药的非稳态流场和温度场进行了数值计算。结果表明,温度计算曲线与实测值曲线之间一致性良好。在此基础上对装药的流场和温度场特性进行了分析和研究;(7)分别采用内节点法和外节点法构造计算网格,对两种不同火炮装药的非稳态温度场进行了数值计算。类似于对耦合问题的求解,采用迭代方法计算以上两个第三类边界条件问题。在数值计算基础上,对装药温度场特性进行了分析和研究;(8)探讨两种不同原理药温测量方法的实现方案。承担某火箭发射装药的相似体的研制任务,设计出了满足药温测量精度要求的相似体。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 药温概念及传统药温测量方法的缺陷
• 1.2.1 野战条件下的装药温度
• 1.2.2 传统药温测量方法的缺陷
• 1.3 问题的难点及研究方法
• 1.4 国内外研究现状
• 1.5 本文的主要工作
• 2 野战条件下传统药温测量方法误差分析
• 2.1 引言
• 2.2 工况条件的设计
• 2.3 弹药箱露天裸放条件下的定装药药温测量及其分析
• 2.4 车载分装式装药药温测量及其分析
• 2.5 车载定装式弹药药温测量及其分析
• 2.6 某大口径自行炮药仓内—发装药的药温测量及其分析
• 2.7 本章小结
• 3 箭炮发射装药非稳态传热理论模型
• 3.1 引言
• 3.2 野战条件下箭炮发射装药传热理论模型
• 3.2.1 两种类型的装药传热问题
• 3.2.2 装药传热问题的研究方法
• 3.2.3 基本假定
• 3.3 发射装药传热控制方程
• 3.3.1 气相质量守恒方程
• 3.3.2 气相动量守恒方程
• 3.3.3 能量守恒方程
• 3.3.3.1 第二类问题中的能量守恒方程
• 3.3.3.2 第一类问题中的能量守恒方程
• 3.4 本章小结
• 4 实验研究
• 4.1 引言
• 4.2 火药热物性参量确定
• 4.3 单根药柱火箭发动机温升试验
• 4.4 七根药柱火箭发动机温升试验
• 4.4.1 传热实验模型设计及测点布置
• 4.4.2 测试结果
• 4.5 模拟火箭装药温升试验
• 4.6 火炮发射装药温升试验
• 4.7 温升试验误差分析
• 4.8 本章小结
• 5 单根药柱火箭发射装药非稳态温度场模拟及特性分析
• 5.1 前言
• 5.2 温度场数值模拟
• 5.2.1 数理模型
• 5.2.2 通用方程的离散式
• 5.2.3 各方程的离散式及离散方程组的求解
• 5.2.3.1 动量方程的求解
• 5.2.3.2 压力修正和速度修正
• 5.2.3.3 能量方程的求解
• 5.2.3.4 收敛判据
• 5.2.3.5 算法小结
• 5.3 计算结果及误差的定量分析
• 5.3.1 计算结果与实测值的比较
• 5.3.2 计算误差的定量分析
• 5.4 温度场特性分析
• 5.4.1 流场基本特性
• 5.4.2 温度场基本特性
• 5.4.3 对流和辐射对温度场的影响
• 5.4.4 平均药温曲线
• 5.5 本章小结
• 6 复杂结构火箭发射装药非稳态温度场模拟及特性分析
• 6.1 引言
• 6.2 数理模型
• 6.3 通用方程的离散
• 6.3.1 对流项的离散
• 6.3.2 扩散项的离散
• 6.3.3 其它项的离散
• 6.4 各方程的离散式及离散方程组的求解
• 6.4.1 动量方程的求解
• 6.4.2 压力修正和速度修正
• 6.4.3 压力和速度的终值
• 6.4.4 能量方程的求解
• 6.5 网格生成及网格数据的处理
• 6.5.1 网格生成
• 6.5.2 网格文件处理
• 6.6 计算结果及误差的定量分析
• 6.6.1 计算结果与实测值的比较
• 6.6.2 计算误差的定量分析
• 6.7 温度场特性分析
• 6.7.1 流场基本特性
• 6.7.2 温度场基本特性
• 6.7.3 对流和辐射对温度场的影响
• 6.7.4 平均药温曲线
• 6.8 算例2
• 6.9 本章小结
• 7 火炮发射装药非稳态温度场模拟及特性分析
• 7.1 引言
• 7.2 数理模型
• 7.3 模型求解
• 7.3.1 内节点法求解
• 7.3.2 外节点法求解
• 7.4 计算结果及与实测值的比较
• 7.4.1 计算参量的确定
• 7.4.2 计算结果与实测值的比较
• 7.4.3 计算误差的定量分析
• 7.5 温度场特性分析
• 7.5.1 二维温度场
• 7.5.2 一维温度曲线
• 7.5.3 平均药温曲线
• 7.5 算例2
• 7.6 本章小结
• 8 两种药温测量方法的实现方案
• 8.1 引言
• 8.2 数值求解药温测量法的实现方案
• 8.3 物理相似药温测量法的实现方案
• 8.4 本章小结
• 9 结束语
• 9.1 工作总结及创新点
• 9.2 问题与展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的主要论文