[发明专利]高压下磁控等离子体的传热特性仿真研究方法

摘要

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：不同磁感应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感应强度时，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。

主权项

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。