铝熔层液流枢轨界面润滑侵蚀的作用机理研究

The rail damage of electromagnetic launch (EML) is a complex problem coupling multidisciplinary involved electrics, magnetics, thermotics and mechanics. It is a key factor in affecting rail life. This project focus on the study of high-speed couette flow of a liquid aluminum layer which coupled with the secondary flow and its behavior of melt lubrication and rail erosion. To reveal the lubrication mechanism of flow, a turbulent melt lubrication model under the complex physical environment is developed. By using multi-physics field simulation method, the mechanical and electricity property of melt lubrication is explored. The influence rules of different power, velocity and material matching are analyzed. Combined with experimental measurements, an impact erosion model is built to investigate the erosion transient response of rail and the reaction to the flow of the liquid aluminum layer. The effects of velocity, current waveform, preload and structure on the erosion process are analyzed. A series of rail damage experiments are carried out to verify the results of simulation and the relationship between the multi-physics field and the erosion characteristics is established. The research results will enrich the lubrication and erosion mechanism, and helpful to expand the EML tecnology to the realm of high frequency multi-shot.

电磁发射的导轨损伤是耦合了电/磁/热/力的多学科复杂问题，是影响导轨寿命的关键因素。本项目专注于研究伴有二次流的高速库埃特流铝熔层润滑与侵蚀导轨行为。通过构建复杂物理环境下的多场动力学湍流润滑理论模型，结合多场耦合仿真技术，探索铝熔层液流的力学/电学双重润滑特性，分析不同电功率、速度、枢轨材料性能匹配等因素下的液流过程，揭示润滑的力/电耦合流动机理及其影响因素的作用规律；通过构建液流冲击动力学侵蚀模型，以实验实测数据为计算依据，研究导轨的瞬变侵蚀响应，明晰侵蚀过程对液流的反作用机理，揭示速度、电流波形、预紧力、结构等因素对铝熔层侵蚀及其反作用的影响规律；通过导轨损伤实验，建立多物理场变化与微观侵蚀特征分布的联系，实现对研究结果的验证。研究成果不仅将丰富高速载流润滑侵蚀机理的内涵，同时还将加速电磁发射技术向高频发射领域的拓展。

电磁发射（EML）是一种依靠强电流产生的强磁场来驱动抛射物的高性能电动力加速装置，但受制于导轨失效问题，其距工程实用的技术目标还有较大差距。本项目基于工程问题的现实需求，针对枢轨界面侵蚀机理与铝熔液流动过程开展研究。构建了适用于EML复杂物理环境下的磁流体动力学模型，基于守恒元与求解元计算方法，推导出了适用的求解格式并编写了相应的计算程序。研究了枢轨材料的电热特性，模拟了电/磁/热相互耦合的一系列瞬变物理过程，评估了十种材料的电热物理表现及其适用性，总结了枢轨材料参数匹配规律。建立了电流熔化波（CMW）计算模型，明晰了侵蚀形成过程、影响因素及其作用机理，验证了速度趋肤效应是CMW的驱动机制，计算获得了侵蚀速率以及熔蚀缝隙尺寸范围（0.4-0.5mm），提高了对侵蚀特性的本质认识。研究了电流收缩效应引起的接触电阻热现象，构建了接触热阻模型，探析了枢轨界面冷热交互作用规律，设计电流波形实现了侵蚀界面电热分布调控，完善了EML高速滑动电接触的微观电学行为表达。提出了导轨涂层与电枢分层两种EML设计方法，获得了涂层及分层材料电热参数的影响规律，解释了抑制电接触面侵蚀的物理本质，实现了对CMW传播的有效控制。研究了铝熔层液流枢轨界面的动态冲击侵蚀过程，分析了湍流流动特性，总结了铝熔液内部及其作用于枢轨界面的压力分布规律，联合评估导轨损伤的力/电双重耦合作用，揭示了槽蚀损伤的形成机制。研究了枢轨损伤形貌特征与分布规律，基于实验验证了数值研究成果，建立了多物理场变化与槽蚀损伤分布规律间的联系，为实现槽蚀现象的可预测提供了理论指导。项目研究结果加深了对EML枢轨界面侵蚀现象的本质理解，为提高EML导轨寿命并形成系统的损伤评估体系提供了理论指导，在国防军工以及具有类似物理现象的单极液态金属电刷电机系统、弓网系统具有广泛的应用的前景。