含能颗粒多孔填充床的传热特性研究

摘要

在军事作战中，装药温度是影响武器射程的重要诸元。以往在装药非稳态传热过程中，较多的处理方式是将床内多相介质视作单一颗粒相，或者用简单串、并联传热模型来描述床内非稳态传热过程及其温度变化规律。而实际上，装药主要由发射药颗粒填充及其它辅助元件所构成，这种颗粒型填充床从结构上来说，属于多孔介质范畴。则装药非稳态传热过程中，应当充分考虑自身多孔结构特征对传热过程的影响，而不是简单地视作纯固相物质来处理。
　　本文在将此类含能颗粒填充床视作多孔介质的基础上，根据不同填充颗粒类型（圆柱型、球型）所构成的填充床内部各组分分布特征，选用相应的传热模型来描述其内部非稳态传热过程，推导各模型下有效导热系数。通过编制温度场计算程序，将所得计算值与实验值进行比较来验证模型的合理性。此外，通过数值方法和图像分析法对两种类型颗粒多孔填充床中实际非稳态传热过程进行数值模拟。本文主要工作如下所示:
　　(1)对发射药颗粒热物性参数进行了测量以及多孔填充床剖面结构进行特征分析，从而为后续温度场特性研究提供必要依据。在高温和低温环境下，对两种含能颗粒类型填充床内不同时刻特征点温度进行测量实验。所得实验数据为后续计算提供可检验依据。
　　(2)根据球型、圆柱型含能颗粒填充床结构特征，分别选用连续介质模型和分形简化模型描述其物理模型。在相应模型下建立传热控制方程，并通过数值方法对其传热过程进行数值模拟。本文模拟结果和实验测量值吻合良好，在此基础上对温度场特性做系统研究。
　　(3)结合数值方法和图像处理对实际含能颗粒填充床非稳态传热过程进行数值模拟。更加直观的分析两种颗粒类型填充床温度场分布特征和热流传递特征，结果显示了两种颗粒填充床传热模型选择的合理性。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．1．1 应用背景

1．1．2 含能颗粒多孔填充床传热研究在军事应用上的意义

1．2 多孔介质

1．2．1 多孔介质常见类型及其特征

1．2．2 多孔介质传热理论应用

1．3 国内外研究现状

1．3．1 连续介质模型研究

1．3．2 分形理论研究

1．3．3 数值方法研究

1．4 本文的主要工作

2 多孔介质非稳态传热理论与模型

2．1 引言

2．2 多孔介质的概念及基本参数

2．3 多孔介质传热问题研究方法

2．3．1 有效导热系数法

2．3．2 分形研究

2．4 含能颗粒多孔填充床传热模型与方程

2．4．1 两种含能颗粒多孔填充床内传热问题

2．4．2 基本假定

2．4．3 多孔航床传热控制方程

2．5 本章小结

3 实验研究

3．1 引言

3．2 含能颗粒(发射药)热物性测定

3．3 颗粒填充床结构模型及孔隙率测定

3．3．1 实验模型

3．3．2 孔隙率的测定

3．4 颗粒填充床剖面孔隙分布特征

3．5 颗粒填充床温升实验

3．5．1 实验系统设计和测点布置

3．5．2 实验结果

3．6 本章小结

4 球形含能颗粒填充床传热连续介质模型

4．1 引言

4．2 球型颗粒填充床温度场数值计算

4．2．1 数理模型

4．2．2 控制方程及定I瞬r匀}件

4．2．3 模型求解

4．3 计算结果

4．3．1 计算中各参量的确定

4．3．2 计算结果与实验值的比较

4．4 球型颗粒填充床内不同时刻温度场

4．5 连续介质模型下圆柱型颗粒填充床数值计算结果

4．6 本章小结

5 圆柱形含能颗粒填充床传热分形模型

5．1 引言

5．2 圆柱形含能颗粒填充床分维计算

5．2．1 分形特征判别依据

5．2．2 基质面积分形维数计算

5．3 圆柱形颗粒填充床传热模型

5．4 计算结果

5．4．1 计算中各参量确定

5．4．2 基质分形维数对有效导热系数的影响

5．4．3 计算结果与实验值的比较

5．5 本章小结

6 实际含能颗粒填充床温度场仿真分析

6．1 引言

6．2 颗粒填充床传热过程理论分析

6．2．1 传热控制方程以及定值条件

6．2．2 界面当量导热系数处理

6．2．3 图像处理和数值计算方法

6．3 程序验证

6．4 温度场特征

6．4．1 圆柱型含能颗粒填充床内不同时刻温度分布和等值线图

6．4．2 球型含能颗粒填充床内不同时刻温度分布和等值线图

6．4．3 不同类型多孔填充床内热流等值线图

6．5 本章小结

7 结论

7．1 主要研究结论

7．2 下一步工作

致谢

参考文献