CN110234193A - 高压下磁控等离子体的传热特性仿真研究方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了高压下磁控等离子体的传热特性仿真研究方法，包括以下步骤：S1：磁约束等离子体瞬态动力学模型，采用网格组装技术将燃烧室网格嵌入到身管网格中，其中燃烧室设置为动网格边界；S2：不同磁场强度下的等离子体流动传热仿真；S3：不同壁面材料对磁约束等离子体传热特性的影响；S4：不同电导率对磁约束等离子体传热特性的影响。本发明能够得出在应用相同大小磁场强度时，增加等离子体的电导率可以进一步减少高温气体向壁面的传热量，达到降低壁面温度的目的，电导率的增加相当于提高气体中带电粒子的密度，即增大气体的电离度，由于气体热电离技术的局限性，等离子体的电导率通常较低。

Description

高压下磁控等离子体的传热特性仿真研究方法

技术领域

本发明涉及等离子体的传热特性领域，具体为高压下磁控等离子体的传热特性仿真研究方法。

背景技术

大威力火炮身管热效应引起的烧蚀已成为降低火炮弹道性能、导致身管报废的重要因素，武器身管内膛表面热烧蚀问题，尤其是高膛压火炮的热烧蚀严重影响并制约了现代火炮技术的发展，鉴于火药气体在高温环境下会发生热电离形成等离子体，提出一种应用磁场控制高温电离气体减少火炮身管内膛表面烧蚀的方法。

发明内容

本发明的目的在于提供高压下磁控等离子体的传热特性仿真研究方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：高压下磁控等离子体的传热特性仿真研究方法，包括以下步骤：

S1：磁约束等离子体瞬态动力学模型，采用网格组装技术将燃烧室网格嵌入到身管网格中，其中燃烧室设置为动网格边界，基于热电离模型的仿真分析将火药燃烧产生的高温电离气体作为入口条件代入模型进行迭代计算，其中流动入口位于yoz面上的燃烧室底部，弹丸运动方向为x轴正方向；采用内径30mm，长度为2m的圆筒结构来模拟30mm口径炮身管外形，管身材料采用非铁磁性材料，相对磁导率为1，其中燃烧室容积为0.12dm3，弹丸质量0.6kg，装药量40g，火药力900J/g，加入电离种子碳酸钾5g，为了模拟弹丸的挤进过程，设置弹丸的挤进压力为20MPa；在内弹道时期，火药燃烧产生的能量一部分会转化动能，推动弹丸向前运动；一部分能量会转化为热能，通过对流传热的方式传递给身管，使得火炮身管的温度在短时间内急剧升高；

S2：不同磁场强度下的等离子体流动传热仿真，沿身管轴线方向施加不同强度平行磁场时等离子体湍流动能分布，湍流动能的大小宏观上反映了流体微团之间的碰撞剧烈程度，它与速度梯度的变化紧密相关，由于在炮口处速度变化梯度较大，导致该处湍流动能最强，磁场能够降低等离子体的湍流动能，随着磁场的增强，湍流动能减小的程度也越大，与无磁场时相比较，施加0.2T强度的磁场后，最大湍流动能从721.6J/kg下降为698.2J/kg，无磁场情况下，湍流黏度最大值为0.348Pa·s，外加磁场后，微观上等离子体中的带电粒子受洛伦兹力约束，在垂直于磁力线方向，等离子体由杂乱无章的无规则运动转变为绕磁力线的局部有序运动，该运动使粒子间相互碰撞的剧烈程度降低，从而减小了分子间的内摩擦；

S3：不同壁面材料对磁约束等离子体传热特性的影响，保持材料的其它属性不变，只改变身管的磁导率进行仿真分析，采用相对磁导率为500的铁磁性身管在施加0.2T强度平行磁场下壁面平均温度变化曲线，可以看出，在t＝6ms时，内壁面平均温度为1334K，相比于非铁磁性材料，壁面温度有所上升；

S4：不同电导率对磁约束等离子体传热特性的影响，等离子体的隔热作用不仅与磁场强度有关，也与其电导率大小相关，由欧姆定律可知，在磁场作用下，等离子体所受到的洛伦兹力可表示为：

F＝J×B＝σ[E×B-(B×B)u+(u×B)B]

沿身管轴向施加0.2T平行磁场的情况下分别设置等离子体的电导率为0～1000S/m，身管内壁在x轴上的温度变化曲线，当电导率σ低于100S/m时，流体在磁场作用下得到的感应电流密度较小，磁流体所受的洛伦兹力也相应减小，湍流抑制作用较弱。

优选的，所述S1中当弹底压力大于20MPa后，弹丸在压力作用下才开始加速运动，在火药燃烧初始阶段，火药气体的增加使得膛内压力迅速上升，在时间t＝4ms时，压力达到最大值79.5MPa，当弹丸运动到一定速度后，由于弹后空间体积增长较大，使得压力逐渐下降。

优选的，所述S1中由于火药气体的持续生成，弹丸开始运动以致弹后空间不断地增加，在t＝4ms时刻，弹丸已运动到身管中间段，此时气体速度较大，在弹丸底部最大值为264m/s，随着时间的增加，弹丸在火药气体的作用下不断加速，弹后空间的距离也继续拉长，在t＝7ms时刻，弹丸已接近身管出口段，最大速度为459m/s。

优选的，所述S1中由于弹丸的运动在膛内形成了气流，在弹丸底部流动速度最高、膛底速度最低，速度最大值约为492m/s。

优选的，所述S2中无磁场情况相同，在初始时刻，壁面温度为常温300K，随着时间的增长，高温火药气体不断向壁面传热导致壁面温度上升，因为磁场对高温气体产生的等离子体具有磁约束和约束作用，在径向磁约束的等离子体中，带电粒子受到洛伦兹力的约束，高温气体横越磁场传递的热流密度会有所下降，从而降低身管内壁面的温度，在t＝6ms时，内壁面平均温度为1312K，相比于无磁场情况下的最高温度降低了103K。

优选的，所述S2中在初始时刻，壁面温度为常温300K，随着时间的增长，高温火药气体不断向壁面传热导致壁面温度上升，在t＝6ms时，内壁面平均温度达到1415K。

优选的，所述S3中随着壁面相对磁导率的增大，壁面温度逐渐增加，这表明铁磁性材料会使外加磁场经过身管壁时受到一定程度衰减，从而降低其隔热效果。

优选的，所述S4中当电导率继续增加达到500S/m时，产生的感应电流密度增大，可以看出温度曲线发生了较为明显的变化，身管内壁温度得到了有效的降低，且随着电导率的继续上升，隔热效果逐渐提高。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明的研究方法能够得出在应用相同大小磁场强度时，增加等离子体的电导率可以进一步减少高温气体向壁面的传热量，达到降低壁面温度的目的，电导率的增加相当于提高气体中带电粒子的密度，即增大气体的电离度，由于气体热电离技术的局限性，等离子体的电导率通常较低。

附图说明

图1为本发明的制备方法的流程图；

图2为本发明的网格组装示意图；

图3为本发明的弹底压力变化曲线图；

图4为本发明的内壁面平均温度随时间变化曲线图；

图5为本发明的施加平行磁场后内壁面平均温度变化曲线图；

图6为本发明的相对磁导率为500的内壁面平均温度变化曲线图；

图7为本发明的不同磁导率对内壁面平均温度的影响图；

图8为本发明的不同电导率下身管内壁温度曲线。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

请参阅图1，本发明提供一种技术方案：高压下磁控等离子体的传热特性仿真研究方法，包括以下步骤：

S1：如图2-4所示，磁约束等离子体瞬态动力学模型，采用网格组装技术将燃烧室网格嵌入到身管网格中，其中燃烧室设置为动网格边界，基于热电离模型的仿真分析将火药燃烧产生的高温电离气体作为入口条件代入模型进行迭代计算，其中流动入口位于yoz面上的燃烧室底部，弹丸运动方向为x轴正方向；采用内径30mm，长度为2m的圆筒结构来模拟30mm口径炮身管外形，管身材料采用非铁磁性材料，相对磁导率为1，其中燃烧室容积为0.12dm3，弹丸质量0.6kg，装药量40g，火药力900J/g，加入电离种子碳酸钾5g，为了模拟弹丸的挤进过程，设置弹丸的挤进压力为20MPa；在内弹道时期，火药燃烧产生的能量一部分会转化动能，推动弹丸向前运动；一部分能量会转化为热能，通过对流传热的方式传递给身管，使得火炮身管的温度在短时间内急剧升高，当弹底压力大于20MPa后，弹丸在压力作用下才开始加速运动，在火药燃烧初始阶段，火药气体的增加使得膛内压力迅速上升，在时间t＝4ms时，压力达到最大值79.5MPa，当弹丸运动到一定速度后，由于弹后空间体积增长较大，使得压力逐渐下降，由于火药气体的持续生成，弹丸开始运动以致弹后空间不断地增加，在t＝4ms时刻，弹丸已运动到身管中间段，此时气体速度较大，在弹丸底部最大值为264m/s，随着时间的增加，弹丸在火药气体的作用下不断加速，弹后空间的距离也继续拉长，在t＝7ms时刻，弹丸已接近身管出口段，最大速度为459m/s，由于弹丸的运动在膛内形成了气流，在弹丸底部流动速度最高、膛底速度最低，速度最大值约为492m/s；

S2：如图5所示，不同磁场强度下的等离子体流动传热仿真，沿身管轴线方向施加不同强度平行磁场时等离子体湍流动能分布，湍流动能的大小宏观上反映了流体微团之间的碰撞剧烈程度，它与速度梯度的变化紧密相关，由于在炮口处速度变化梯度较大，导致该处湍流动能最强，磁场能够降低等离子体的湍流动能，随着磁场的增强，湍流动能减小的程度也越大，与无磁场时相比较，施加0.2T强度的磁场后，最大湍流动能从721.6J/kg下降为698.2J/kg，无磁场情况下，湍流黏度最大值为0.348Pa·s，外加磁场后，微观上等离子体中的带电粒子受洛伦兹力约束，在垂直于磁力线方向，等离子体由杂乱无章的无规则运动转变为绕磁力线的局部有序运动，该运动使粒子间相互碰撞的剧烈程度降低，从而减小了分子间的内摩擦，在初始时刻，壁面温度为常温300K，随着时间的增长，高温火药气体不断向壁面传热导致壁面温度上升，在t＝6ms时，内壁面平均温度达到1415K，无磁场情况相同，在初始时刻，壁面温度为常温300K，随着时间的增长，高温火药气体不断向壁面传热导致壁面温度上升，因为磁场对高温气体产生的等离子体具有磁约束和约束作用，在径向磁约束的等离子体中，带电粒子受到洛伦兹力的约束，高温气体横越磁场传递的热流密度会有所下降，从而降低身管内壁面的温度，在t＝6ms时，内壁面平均温度为1312K，相比于无磁场情况下的最高温度降低了103K；

S3：如图6-8所示，不同壁面材料对磁约束等离子体传热特性的影响，保持材料的其它属性不变，只改变身管的磁导率进行仿真分析，采用相对磁导率为500的铁磁性身管在施加0.2T强度平行磁场下壁面平均温度变化曲线，可以看出，在t＝6ms时，内壁面平均温度为1334K，相比于非铁磁性材料，壁面温度有所上升，随着壁面相对磁导率的增大，壁面温度逐渐增加，这表明铁磁性材料会使外加磁场经过身管壁时受到一定程度衰减，从而降低其隔热效果；

S4：不同电导率对磁约束等离子体传热特性的影响，等离子体的隔热作用不仅与磁场强度有关，也与其电导率大小相关，由欧姆定律可知，在磁场作用下，等离子体所受到的洛伦兹力可表示为：

F＝J×B＝σ[E×B-(B×B)u+(u×B)B]

沿身管轴向施加0.2T平行磁场的情况下分别设置等离子体的电导率为0～1000S/m，身管内壁在x轴上的温度变化曲线，当电导率σ低于100S/m时，流体在磁场作用下得到的感应电流密度较小，磁流体所受的洛伦兹力也相应减小，湍流抑制作用较弱，当电导率继续增加达到500S/m时，产生的感应电流密度增大，可以看出温度曲线发生了较为明显的变化，身管内壁温度得到了有效的降低，且随着电导率的继续上升，隔热效果逐渐提高。

通过对上述实施例进行研究实验，本发明的研究方法能够得出在应用相同大小磁场强度时，增加等离子体的电导率可以进一步减少高温气体向壁面的传热量，达到降低壁面温度的目的，电导率的增加相当于提高气体中带电粒子的密度，即增大气体的电离度，由于气体热电离技术的局限性，等离子体的电导率通常较低。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.高压下磁控等离子体的传热特性仿真研究方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：磁约束等离子体瞬态动力学模型，采用网格组装技术将燃烧室网格嵌入到身管网格中，其中燃烧室设置为动网格边界，基于热电离模型的仿真分析将火药燃烧产生的高温电离气体作为入口条件代入模型进行迭代计算，其中流动入口位于yoz面上的燃烧室底部，弹丸运动方向为x轴正方向；采用内径30mm，长度为2m的圆筒结构来模拟30mm口径炮身管外形，管身材料采用非铁磁性材料，相对磁导率为1，其中燃烧室容积为0.12dm3，弹丸质量0.6kg，装药量40g，火药力900J/g，加入电离种子碳酸钾5g，为了模拟弹丸的挤进过程，设置弹丸的挤进压力为20MPa；在内弹道时期，火药燃烧产生的能量一部分会转化动能，推动弹丸向前运动；一部分能量会转化为热能，通过对流传热的方式传递给身管，使得火炮身管的温度在短时间内急剧升高；

S2：不同磁场强度下的等离子体流动传热仿真，沿身管轴线方向施加不同强度平行磁场时等离子体湍流动能分布，湍流动能的大小宏观上反映了流体微团之间的碰撞剧烈程度，它与速度梯度的变化紧密相关，由于在炮口处速度变化梯度较大，导致该处湍流动能最强，磁场能够降低等离子体的湍流动能，随着磁场的增强，湍流动能减小的程度也越大，与无磁场时相比较，施加0.2T强度的磁场后，最大湍流动能从721.6J/kg下降为698.2J/kg，无磁场情况下，湍流黏度最大值为0.348Pa·s，外加磁场后，微观上等离子体中的带电粒子受洛伦兹力约束，在垂直于磁力线方向，等离子体由杂乱无章的无规则运动转变为绕磁力线的局部有序运动，该运动使粒子间相互碰撞的剧烈程度降低，从而减小了分子间的内摩擦；

S3：不同壁面材料对磁约束等离子体传热特性的影响，保持材料的其它属性不变，只改变身管的磁导率进行仿真分析，采用相对磁导率为500的铁磁性身管在施加0.2T强度平行磁场下壁面平均温度变化曲线，可以看出，在t＝6ms时，内壁面平均温度为1334K，相比于非铁磁性材料，壁面温度有所上升；

S4：不同电导率对磁约束等离子体传热特性的影响，等离子体的隔热作用不仅与磁场强度有关，也与其电导率大小相关，由欧姆定律可知，在磁场作用下，等离子体所受到的洛伦兹力可表示为：

F＝J×B＝σ[E×B-(B×B)u+(u×B)B]

沿身管轴向施加0.2T平行磁场的情况下分别设置等离子体的电导率为0～1000S/m，身管内壁在x轴上的温度变化曲线，当电导率σ低于100S/m时，流体在磁场作用下得到的感应电流密度较小，磁流体所受的洛伦兹力也相应减小，湍流抑制作用较弱。

2.根据如权利要求1所述的高压下磁控等离子体的传热特性仿真研究方法，其特征在于：所述S1中当弹底压力大于20MPa后，弹丸在压力作用下才开始加速运动，在火药燃烧初始阶段，火药气体的增加使得膛内压力迅速上升，在时间t＝4ms时，压力达到最大值79.5MPa，当弹丸运动到一定速度后，由于弹后空间体积增长较大，使得压力逐渐下降。

3.根据如权利要求1所述的高压下磁控等离子体的传热特性仿真研究方法，其特征在于：所述S1中由于火药气体的持续生成，弹丸开始运动以致弹后空间不断地增加，在t＝4ms时刻，弹丸已运动到身管中间段，此时气体速度较大，在弹丸底部最大值为264m/s，随着时间的增加，弹丸在火药气体的作用下不断加速，弹后空间的距离也继续拉长，在t＝7ms时刻，弹丸已接近身管出口段，最大速度为459m/s。

4.根据如权利要求1所述的高压下磁控等离子体的传热特性仿真研究方法，其特征在于：所述S1中由于弹丸的运动在膛内形成了气流，在弹丸底部流动速度最高、膛底速度最低，速度最大值约为492m/s。

5.根据如权利要求1所述的高压下磁控等离子体的传热特性仿真研究方法，其特征在于：所述S2中无磁场情况相同，在初始时刻，壁面温度为常温300K，随着时间的增长，高温火药气体不断向壁面传热导致壁面温度上升，因为磁场对高温气体产生的等离子体具有磁约束和约束作用，在径向磁约束的等离子体中，带电粒子受到洛伦兹力的约束，高温气体横越磁场传递的热流密度会有所下降，从而降低身管内壁面的温度，在t＝6ms时，内壁面平均温度为1312K，相比于无磁场情况下的最高温度降低了103K。

6.根据如权利要求1所述的高压下磁控等离子体的传热特性仿真研究方法，其特征在于：所述S2中在初始时刻，壁面温度为常温300K，随着时间的增长，高温火药气体不断向壁面传热导致壁面温度上升，在t＝6ms时，内壁面平均温度达到1415K。

7.根据如权利要求1所述的高压下磁控等离子体的传热特性仿真研究方法，其特征在于：所述S3中随着壁面相对磁导率的增大，壁面温度逐渐增加，这表明铁磁性材料会使外加磁场经过身管壁时受到一定程度衰减，从而降低其隔热效果。

8.根据如权利要求1所述的高压下磁控等离子体的传热特性仿真研究方法，其特征在于：所述S4中当电导率继续增加达到500S/m时，产生的感应电流密度增大，可以看出温度曲线发生了较为明显的变化，身管内壁温度得到了有效的降低，且随着电导率的继续上升，隔热效果逐渐提高。