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穿甲弹发射过程尾翼传热计算
作者：李阳 王健
来源：《科技风》2017年第01期
摘 要：本文对穿甲弹的尾翼进行建模，通过对含能火药燃烧后形成燃气的研究与分析，对火药燃气的温度和传热系数进行理论计算，通过数据处理得到燃气温度与对流换热系数的变化曲线，进而进行计算，最终得到穿甲弹尾翼在发射过程中的温度变化。研究结果对穿甲弹的热结构布置具有指导意义。
关键词：穿甲弹；传热；燃气温度；对流换热系数；发射过程
穿甲弹发射过程中，含能火药迅速燃烧释放大量高温高压燃气，对穿甲弹形成迅速加热，温度升高将造成材料力学性能下降。本文以某穿甲弹为背景，分析其热性能，对尾翼进行研究分析，通过计算燃气温度和对流换热系数，进而得到求解尾翼温度分布的边界条件，后对整个过程进行仿真，得到尾翼温度分布的瞬态解。
1 模型与要处理的问题
尾翼的材料是铝合金，表1是计算过程中选取的铝合金的性能参数。
为了简化模型由于作用时间很短，尾翼对弹体的导热相对于燃气对尾翼的传热可以忽略不计在，PROE建模软件中建立穿甲弹尾翼的模型，几何模型如图1所示；网格模型（全图和剖面图）如图2所示。
发射过程主要过程可简化分析为主要的4.5ms，然后对温度分布进行瞬态求解。故发射过程的主要任务是通过公式和函数模拟得到温度和对流换热系数的4.5ms内的数据趋势。
2 控制方程
2.1 火药燃气温度的计算
火药燃气的温度是基于整个发射过程的。点火药引燃火药，一瞬间炮膛内温度急剧上升；推动穿甲弹运动的过程，温度逐渐下降；穿甲弹离开药筒，燃气温度迅速下降。这些过程都可以通过函数和公式大致模拟。根据试验得到的数据，可以将模型简化假设为前2ms的前期过程和后2.5ms的后效阶段，这样处理更符合实际情况。
第三章 传热过程
内容提要：
本章先对传热的三种基本方式即传导传热、对流传热和辐射传热以及工业上的换热方法进行介绍，然后着重讨论传导传热、对流传热的机理和传导传热、对流传热的速率方程式，在此基础上建立总传热速率方程。冷热流体通过固体壁面进行热交换时的热量衡算及与总传热方程相结合解决热交换过程中的问题。对强化和抑制传热过程的途径以及列管式热交换器的基本结构仅作简单介绍。
学习指导：
了解传导传热和对流传热的机理，掌握传导传热、对流传热的速率方程式，掌握总传热速率方程式并对其中的总传热系数K、传热平均温度差Δtm能分别计算，能将热交换中热量衡算式与总传热方程相结合而解决热交换中的计算问题。了解强化和抑制传热过程的方法以及列管式热交换器的基本结构。
第一节 概述
在自然界，在人们的生产和日常生活中，每时每刻都在发生由于物体或系统内部温度不同而使热量自动地转移到温度较低的部分的过程，这一过程称为热的传递简称传热。而本章主要研究化工生产中的传热。
一、化工生产中的传热过程
在化工生产、科学实验中随时会遇到热量传递问题，化工生产中的化学反应要求在一定温度下进行，而适宜的温度依靠加热或冷却才能实现。例如，氮、氢合成氨、由氨氧化制硝酸、萘氧化制苯酐等，由于催化剂的活性和反应的要求，反应温度必须控制在一定的范围，过高过低都会导致原料利用率降低，温度控制不当甚至会发生事故。又如在蒸馏、蒸发、干燥、结晶、冷冻等操作中也必须供给或移走一定的热量才能顺利进行。在这类情况下，要求热量的传递速率要高，即通常所说的要求传热良好。另有一类情况如高温或低温下操作的设备或管道，为了保持其温度应尽量隔绝热的传递即要求传热速度要低，即通常所说的保温。
此外，能量的充分利用是化工生产尤其是大型生产中极为重要的问题，为了充分利用反应热，回收余热和废热以降低生产成本，工业上大量使用热交换器，这都涉及到热量的传递问题。
实验三 传热系数K和给热系数α的测定
一、 实验目的
1. 了解间壁式传热元件和给热系数测定的实验组织方法；
2. 学会给热系数测定的试验数据处理方法；
3. 了解影响给热系数的因素和强化传热的途径。
二、实验原理
在工业生产中，间壁式换热器是经常使用的换热设备。热流体借助于传热壁面，将热量传递给冷热体，以满足生产工艺的要求。影响换热器传热速率的参数有传热面积、平均温度差和传热系数三要素。为了合理选用或设计换热器，应对其性能有充分的了解。除了查阅文献外，换热器性能实测是重要的途径之一。传热系数是度量换热器性能的重要指标。为了提高能量的利用率，提高换热器的传热系数以强化传热过程，在生产实践中是经常遇到的问题。
列管换热器是一种间壁式的传热装置。冷热液体间的传热过程是由热流体对壁面的对流传热、间壁的热传导、以及壁面对冷流体的对流传热这三个传热子过程组成，其所涉及的热量衡算为：
1212()()()()hhwccwmwwQKATtQATtQAttAQtt
1122111wwwwhhmccTtttttTtQAAAKA
1hhmccKAAAAAA
在所考虑的这个传热过程忠，所涉及的参数共有13个，采用因次分析方法 ：π=13-4=9个无因次数群。
该方法的基本处理过程是将研究的对象分解成两个或多个子过程 。即：
12(,)Kf
分别对α1、α2进行研究：1111111(,,,,,)pfduc 无因次处理得：0(,)RePrpbccddufNua
1）传热系数K的实验测定
热量衡算式：21()ccpcQqctt
传热速率式：mQKAt
其中：12211221()()lnmTtTttTtTt
两式联立，得：21()ccpcmqcttKAt
2）给热系数α的实验测定
热量衡算式：21()ccpcQqctt
传热过程常用计算方法
6.2.2.1 换热器热工计算的基本公式
换热器热工计算的基本公式为传热方程式和热平衡方程式。
（1）传热方程 （6-12）
式中，Δtm为换热器的平均温差，是整个换热面上冷热流体温差的平均值，它是考虑冷热两流体沿传热面进行换热时，其温度沿流动方向不断变化，故温度差Δt也是不断变化的。它不能像计算房屋的墙体的热损失或热管道的热损失等时，都把其Δt作为一个定值来处理。换热器的平均温差的数值，与冷、热流体的相对流向及换热器的结构型式有关。
（2）热平衡方程式 （6-13）
式中 G1，G2：热、冷流体的质量流量，kg/s；
c1,c2：热、冷流体的比热，J/（kg·℃）；
t1′、t2′：热、冷流体的进口温度，℃；
t1″、t2″：热、冷流体的出口温度，℃；
G1c1，G2c2：热、冷流体的热容量，W/℃。
即各项温度的角标意义为：“1”是指热流体，“2”是指冷流体；”′”指进口端温度，”″”指出口端温度。
6.2.2.2 对数平均温差法
应用对数平均温差法计算的基本计算公式如式(6-12)所示，式中平均温差对于顺流和逆流换热器，由传热学可得，均为：
（6-14）
由于温差随换热面变化是指数曲线，顾流与逆流相比，顺流时温差变化较显著，而逆流时温差变化较平缓，故在相同的进出口的温度下，逆流比顾流平均温差大。此外，顾流时冷流体的出口温度必然低于热流体的出口温度，而逆流则不受此限制。故工程上换热器一般都尽可能采用逆流布置。逆流换热器的缺点是高温部分集中在换热器的一端。除顺流、逆流外，根据流体在换热器中的安排，还有交叉流、混合流等。对于这些其它流动形式的平均温差，通常都把推导结果整理成温差修正系数图，计算时，先一律按逆流方式计算出对数平均温差，然后按流动方式乘以温差修正系数。
用对数平均温差法计算虽然较精确，但稍显麻烦。当Δt′/Δt″<1.7时，用算术平均温差代替对数平均温差的误差不超过2.3%，一般当Δt′/Δt″<2时，即可用算术平均温差代替对数平均温差，这时误差小于4%，即
