ANSYS高功率等离子体发生器的多物理场耦合分析(2)
图 3.9 热流密度矢量图…29
图 3.10 热膨胀形变模拟图30
图 3.11 金属导体的热膨胀形变模拟图…30
图 3.12 热应变云图…31
图 3.13 等效热应力云图…32
图 3.14 磁场强度矢量图…32
图 3.15 电磁力矢量图33
图 3.16 电磁力矢量简化图33
图 3.17 电流流向示意图…35
图 3.18 金属环底面电流密度分布云图…35
图 3.19 金属环底面电流密度分布矢量图35
图 3.20 不同直径点火管对比图36
图 3.21 取值路径分布图…37
图 3.22 金属环面上由外向内方向的电流密度分布图…37
图 3.23 金属环柱面由内向外方向的电流密度分布图…38
图 3.24 金属环之间沿轴方向的电流密度分布图…38
图 3.25 金属环间垂直轴向由内向外的电流密度分布图39
图 3.26 不同金属环间距对比图40
图 3.27 金属环面上由外向内方向的电流密度分布图…40
图 3.28 金属环柱面由内向外方向的电流密度分布图…41
图 3.29 金属环之间沿轴方向的电流密度分布图…41
图 3.30 金属环间垂直轴向由内向外的电流密度分布图42
图 3.31 不同长度金属环对比图43
图 3.32 金属环面上由外向内方向的电流密度分布图…44
图 3.33 金属环柱面由内向外方向的电流密度分布图…44
图 3.34 金属环之间沿轴方向的电流密度分布图…45
图 3.35 金属环间垂直轴向由内向外的电流密度分布图45
表 3.1 模型属性25
表 3.2 网格属性25
表 3.3 电场载荷与计算设置…25
表 3.4 电场计算结果27
表 3.5 热场载荷与边界条件28
表 3.6 温度场计算结果…30
表 3.7 力场计算结果32
表 3.8 网格属性32
表 3.9 磁场载荷与计算设置…33
表 3.10 磁场计算结果 …34
1 引言
1.1 研究背景
武器的发展日新月异，火炮也面临越来越多的挑战，比如射程较近，不能满足远程打击的需求；穿甲毁伤能力在现代复合装甲面前略显不足；精度相对较差等。以火药为能源的传统火炮发射技术难以使火炮性能有大幅度的提高。于是新概念发射技术被提出，如电热化学发射、电磁发射、液体发射药、随行装药等。其中电热化学（ETC）发射技术在工作过程中，能够产生大量热焓高、辐射性能好、扩散性强、易受控的等离子体，实现火药点火的一致性、全面性和均匀性，并可采用更高的装填密度，有效增强火药燃烧、展宽压力平台等，从而大幅提高火药点火和燃烧性能，实现超高速发射。
电热化学发射提供了一种高能量转换效率的发射方法，它利用高功率脉冲电源将高压加到毛细放电管两电极，大电流放电产生高温高压等离子体，将高速等离子体射流注入燃烧室，持续的等离子体射流在加热、点燃其中的固体或液体化学工质(轻质推进剂)后，继续对推进剂增燃，使其快速汽化、离解和燃烧，所产生的高温高压燃气膨胀作功使弹丸加速。
等离子体的作用主要通过影响点火和燃烧这两个过程来体现的，能显著改善发射药的内弹道性能。显然，消融可控电弧毛细管等离子体发生器对等离子体的形成具有重要的意义。本文所涉及的内容，就是电热化学炮中高功率等离子体发生器的多物理场耦合分析，等离子体发生器是电热化学炮中电热转换系统，对电热化学炮的整体性能有着重要影响，所以发生器的优化设计对火炮电能的利用效率、弹道性能和系统的可靠性与安全性有着重要意义[1-4]。
1.3 本文主要工作
本文主要工作是建立等离子体发生器的三文模型，然后使用ANSYS及ANSYS Workbench软件对其进行多物理场耦合分析，包括电场，温度场，力场及磁场。使用软件模拟出等离子体发生器的工作过程，包括电流流场的分析，电流产生的焦耳热分布，温度的分布。当温度分布不均时会产生热应力，导致模型结构发生改变，分析其热应变和热应力。然后电流产生磁场，分析其磁力线分布，结构间相互作用的电磁力。