内弹道过程与身管温度场耦合数值计算及应用分析(3)
损都会造成内膛直径扩大，这样弹带和膛壁就不能密闭火药燃气，引起膛压下
降，从而初速下降(射程减小)、射击精度降低，这种情形往往随每一发的射击
而发生变化；另一方面，身管的热弯曲对射击精度的影响很难在射击时得到实
时检测。前一种情况尚可通过初速修正来弥补弹道损失，但后一种情况却是很
难在射击时进行实时补偿。在坦克射击中，身管变形被多数坦克乘员所忽视，
造成首发命中率的降低[9]。
d) 引起发射药自燃及膛炸
为进一步提高射速，增强毁伤效果，在实践中相继采用了可燃药筒、无壳
弹、模块装药、自动输弹机等技术，使发射速度得到了很大提高。但对于高射
速持续射击来说，膛壁温度迅速升高，会很快达到发射药或可燃药筒的自燃点。
采用药包分装、模块装药和可燃药筒装药的火炮大多都装有身管过热报警装置，
以避免温度在达到临界安全温度后仍继续装药而自燃，造成人员伤亡和火炮损
毁事故。膛温过高仍继续发射，则可能发生膛炸现象。因此，热作用严重限制
了火炮持续作战的能力。 1.2 国内外研究状况
国内外对火炮身管传热问题已有广泛研究。下面就身管传热的分析方法和
热量控制方法进行简要的叙述。
1.2.1 传热模型及数值计算方法
火炮射击过程中，膛内燃气压力、温度、密度等均是与时间相关的，所以
膛内流动是非定常可压缩流。火药燃气和身管内壁之间通过对流换热传递热量，
但是由于膛内流动的复杂性，分析解与实际不能很好的符合，只能采用经验公
式进行计算，利用这些经验公式可以方便地算出膛内的对流换热系数。
火炮发射过程中膛内特征比较复杂，对其进行热分析心需包括核心气流运
动、边界层的对流换热和身管热传导三个部分。
a)核心流模型
膛内的流动作为研究边界层传热的基础，好多学者己经有所研究，从最简
单的仅仅考虑热力学平衡的经典内弹道模型到反映装药与燃气流动性能的现代
内弹道模型。沈骏[3]
计算壁温采用经典内弹道解析解为基础；张洪汉[4]
也利用了
经典内弹道模型，采用的是数值解法，并且考虑了药筒的影响；Rudi Heiser和
James A Schmitt研究了考虑与不考虑热散失的经典内弹道模型计算；陶其恒[5]
、陈桂东[6]和陈龙淼[7]
利用均相流为计算的基础。
b)边界层流动模型
边界层研究方面，国内外许多学者都进行了研究。从最初的针对研究具体
情况进行简化求出边界层解析解发展到层流边界层计算，现在的主要目标已经
由湍流边界层积分方程组转移到湍流边界层微分方程组求解。解析解的运用在
许多学者的论文之中有所描述，譬如Lawton B博士[8]
在火药燃烧气体与身管热
交换研究中所用的新的方法仍然是求出解析解，通过公式确定热流密度，并与
实验结果进行比较得出误差范围很小。Nelson G W[14]和Lawton[15]
等在身管在发
射过程中的传热研究的湍流边界层部分处理仍采用经验半经验公式。James E Danberg于一九七九年用差分法求出了可压缩、不定常层流热边界层的数值解。
王普法[8]
对边界层做了近似，换热系数以经验公式估计，并以实测结果做符合沈骏[3]
以核心流的经典内弹道解析解为基础，对无源项湍流边界层方程组做了
代换、转化，进行了膛壁温度的预测计算，并与层流数值模型做了比较分析。
陶其恒[5]
以均相流内弹道数值解为核心流基础，采用湍流边界层动量积分关系式进行了壁温的数值模拟。
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