彈載氣流壓電發(fā)電機(jī)環(huán)隙變截面進(jìn)氣孔

呂 娜，蔡建余，2，陳荷娟

（1.南京理工大學(xué)智能彈藥技術(shù)國防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210094；2.南京化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 210048）

0 引言

當(dāng)前，對引信彈載物理電源要求越來越高，特別是小口徑彈藥引信彈載物理電源的小體積高能量矛盾越來越突出［1］。美國早在20世紀(jì)70年代就已開展了這方面的研究［2］，參考文獻(xiàn)［3］根據(jù)美科學(xué)家公布的彈載氣流磁電發(fā)電機(jī)發(fā)電原理，提出改變換能方式的小型彈載氣流壓電發(fā)電機(jī)方案，這種彈載氣流壓電發(fā)電機(jī)利用載體運(yùn)動中相對氣流進(jìn)入小孔和空室后的旋渦脫落產(chǎn)生聲波激發(fā)腔體結(jié)構(gòu)振動，由壓電裝置完成振電換能。因此，合理的進(jìn)氣孔結(jié)構(gòu)，對于小型發(fā)電機(jī)高性能驅(qū)動至關(guān)重要。由于文獻(xiàn)［3］中的環(huán)隙直進(jìn)氣結(jié)構(gòu)難以在滿足氣流產(chǎn)生漩渦脫落條件的同時(shí)滿足小尺寸要求，本文在其基礎(chǔ)上提出了應(yīng)用于彈載氣流壓電發(fā)電機(jī)的環(huán)隙變截面進(jìn)氣孔結(jié)構(gòu)。

1 環(huán)隙等截面直孔幾何模型

小型氣流發(fā)電機(jī)進(jìn)氣孔孔徑較小，不適宜采用風(fēng)動渦輪驅(qū)動，利用流體致振、聲學(xué)共振驅(qū)動原理，設(shè)計(jì)一種非旋轉(zhuǎn)式直孔結(jié)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)簡單、噪聲小、可靠性好、易于小型化等優(yōu)點(diǎn)。非旋轉(zhuǎn)式直孔內(nèi)流態(tài)、速度分布直接決定能否激發(fā)壓電換器和影響發(fā)電機(jī)出力。參考文獻(xiàn)［3］提出的環(huán)隙阻塞型等截面結(jié)構(gòu)如圖1所示，稱該進(jìn)氣孔為環(huán)隙等截面直孔。

圖1 環(huán)隙等截面直孔Fig.1 Annular identical cross-section straight pipe

假設(shè)，不考慮管壁的受力與形變，簡化圖1進(jìn)氣孔為環(huán)隙加直孔段L2（即流場計(jì)算域）。為便于觀察流態(tài)發(fā)展并趨均勻，仿真幾何模型適當(dāng)加長了直孔段尺寸（注：仿真結(jié)果僅顯示實(shí)際物理模型區(qū)域）。

圖2（a）所示是圖1直孔內(nèi)流場計(jì)算域幾何模型，進(jìn)口面為環(huán)隙口，氣流從末端的出口面流出。圖2（b）是其內(nèi)流場計(jì)算域物理模型透視圖。創(chuàng)建的進(jìn)氣孔零件幾何模型要求滿足以下條件［4］：1）進(jìn)氣孔內(nèi)，尤其是出流截面流場要盡可能均勻；2）進(jìn)氣孔內(nèi)壓力損失盡可能小，以降低整個(gè)進(jìn)氣裝置的壓損；3）進(jìn)氣孔在滿足進(jìn)氣條件下盡可能小，以節(jié)省裝配空間和提高比功率。

圖2 環(huán)隙等截面直孔幾何模型和透視圖Fig.2 Geometric model of annular identicalcross-section straight pipe

2 環(huán)隙變截面直孔幾何模型

流體致振理論指出，當(dāng)雷諾數(shù)為臨界雷諾數(shù)時(shí)湍流狀態(tài)出現(xiàn)，此時(shí)漩渦會以某個(gè)固定的頻率脫離。若要使圖1結(jié)構(gòu)阻塞出流形成漩渦脫落并激發(fā)振動，則環(huán)形間隙段內(nèi)必須完成氣流轉(zhuǎn)捩，即將外部層流氣流轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧鳡顟B(tài)。但是，入流經(jīng)過環(huán)形間隙段后其流速降低了，且雷諾數(shù)也不穩(wěn)定，這種情況難以形成漩渦脫落并激發(fā)振動。因此，必須提高孔內(nèi)雷諾數(shù)和加速出口氣流流速。

為此提出了圖3所示改進(jìn)結(jié)構(gòu)，即環(huán)隙變截面收縮孔，它由轉(zhuǎn)捩段 （L1）、發(fā)展段（L2）、加速段（L3）三部分組成。f1為進(jìn)氣口面，f2為發(fā)展段與加速段交界面，f3為出氣口面，D和d分別為環(huán)形氣隙的外徑和內(nèi)徑。轉(zhuǎn)捩段仍為等截面環(huán)隙柱形結(jié)構(gòu)（圖中未畫出加強(qiáng)筋）。為了加速近壁面附面層的轉(zhuǎn)捩，發(fā)展段也仍為等截面直孔，加速段用變截面喇叭形收縮孔。為了滿足孔出流截面流場和裝配空間要求，在其他結(jié)構(gòu)不變的條件下，分別改變參數(shù)L1、L2、D的值觀察孔內(nèi)流場。

圖3 環(huán)隙變截面收縮孔Fig.3 Annular variable cross-section shrink pipe

將圖4的幾何模型導(dǎo)入網(wǎng)格劃分軟件ICEM CFD，采用六面體網(wǎng)格劃分法自定義網(wǎng)格尺寸使得近壁面網(wǎng)格較密，以便于對附面層觀察和分析，見圖5。

圖4 環(huán)隙變截面收縮孔幾何模型和透視圖Fig.4 Geo metric model and perspective of annular variable cross-section shrink pipe

圖5 進(jìn)氣孔內(nèi)流整體和表面網(wǎng)格Fig.5 Mesh of airflow in the inlet pipe

3 進(jìn)氣孔流場數(shù)值模擬及結(jié)果分析

3.1 內(nèi)湍流場數(shù)值計(jì)算方法

應(yīng)用雷諾平均N-S方程，湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε兩方程模型，離散格式采用有限體積法一階迎風(fēng)離散格式。

標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型在一方程的基礎(chǔ)上，引入湍動耗散率ε，其定義為［5］：

湍動粘度μt可表示成k和ε的函數(shù)：

分別對應(yīng)于k和ε的輸運(yùn)方程為：

3.2 內(nèi)流場數(shù)值模擬及氣流速度分布

假設(shè)進(jìn)氣口面f1的速度分布均勻，v＝50 m／s，則得到環(huán)隙型變截面進(jìn)氣孔孔內(nèi)流線如圖6（a）所示。由于直孔發(fā)展段前端的截面突然變化，在其尾部出現(xiàn)分離、產(chǎn)生低壓區(qū)，回流導(dǎo)致漩渦。圖6（b）為區(qū)域A中漩渦放大矢量圖。

而環(huán)隙型等截面進(jìn)氣孔在環(huán)隙尾部區(qū)域B中也產(chǎn)生了漩渦現(xiàn)象，見圖7。圖8（a）、（b）分別為環(huán)隙型等截面直孔與環(huán)隙型變截面收縮孔在出口面f3上速度分布。對比兩種結(jié)構(gòu)的內(nèi)湍流度場分布，變截面收縮孔不僅速度分布均勻快，而且速度峰值大于環(huán)隙型等截面直孔，達(dá)140 m／s。

圖6 變截面收縮孔流線和速度矢量圖Fig.6 Streamlines and vectors in the variable cross-section intake pipe

圖7 等截面直孔流線和速度矢量圖Fig.7 Streamlines and vectors in the identical cross-section intake pipe

圖8 兩種進(jìn)氣孔出口面速度分布圖Fig.8 Velocity distributions in the outlets of the t wo kinds of intake pipes

3.3 轉(zhuǎn)捩段長度與氣流速度分布的關(guān)系

在發(fā)展段L2和加速段L3不變的條件下，比較不同轉(zhuǎn)捩段長度L1對孔內(nèi)流速度分布的影響作用。分別取L1＝5、10、15 mm時(shí)，求得進(jìn)氣孔在交界面f2上的氣流速度分布情況如圖9所示。

圖9 不同L 1在截面f 2上速度分布圖Fig.9 Velocity distributions in f 2 with different L 1

從圖9可見轉(zhuǎn)捩段長度L1對孔內(nèi)流的速度發(fā)展影響作用不大，在滿足轉(zhuǎn)捩條件下，適當(dāng)?shù)臏p小L1的長度，有利于減小裝置的軸向尺寸，滿足引信電源小型化要求。

3.4 發(fā)展段長度與氣流速度分布的關(guān)系

在轉(zhuǎn)捩段和加速段結(jié)構(gòu)不變條件下，觀察改變發(fā)展段長度L2對進(jìn)氣孔內(nèi)氣流速度場分布的影響。取L2＝0、10、20、30 mm 4種尺寸，在L3＝10、20、30、40 mm情況下出口面上速度分布如圖10—圖13所示。

圖10 L 3＝10 mm時(shí)4種尺寸孔出口面速度分布圖Fig.10 Velocity distributions in outlets of the four different sizes pipes when L 3＝10 mm

圖11 L 3＝20 mm時(shí)4種尺寸孔出口面速度分布圖Fig.11 Velocity distributions in outlets of the four different sizes pipes when L 3＝20 mm

圖12 L 3＝30 mm時(shí)4種尺寸孔出口面速度分布圖Fig.12 Velocity distributions in outlets of the four different sizes pipes when L 3＝30 mm

圖13 L 3＝40 mm時(shí)4種尺寸孔出口面速度分布圖Fig.13 Velocity distributions in outlets of the four different sizes pipes when L 3＝40 mm

從圖中可以得到以下結(jié)論：

1）當(dāng)L3較小時(shí)，L2變化對出口面速度分布影響較大，L2越大出口面速度分布越趨于均勻，如圖10中L3＝10 mm情形。

2）當(dāng)L3增大到一定程度時(shí)，L2變化對出口速度分布影響不明顯，如圖13中L3＝40 mm情形。

3）適中L3值，存在一個(gè)臨界值L＊2，當(dāng)發(fā)展段L2≥L＊2時(shí)，出口面速度分布變化不明顯，這時(shí)可以忽略L2的影響；當(dāng)L2＜L＊2時(shí)，L2越大孔內(nèi)氣流速度發(fā)展越快。

4）L1和L3不變，速度峰值（最大值）對L2的變化不敏感。

3.5 孔徑與進(jìn)氣管氣流速度分布的關(guān)系

在進(jìn)氣孔口壁厚、間隙不變的情況下，設(shè)d＝0.4D，取L1＝5 mm，L2＝10 mm，L3＝45 mm，D＝5、10、20 mm。距進(jìn)口面f1的距離為x，分別計(jì)算x＝15、30、45、60 mm截面上的速度分布如圖14—圖17。為便于比較不同孔徑的速度陡峭程度，對數(shù)據(jù)做了歸一化處理，橫軸為R／Rmax，縱軸為V／Vmax。

圖14 x＝15 mm截面處速度分布Fig.14 Velocity distributions of different dia meter pipe at the cross-section where x＝15 mm

圖15 x＝30 mm截面處速度分布Fig.15 Velocity distributions of different dia meter pipe at the cross-section where x＝30 mm

圖16 x＝45 mm截面處速度分布Fig.16 Velocity distributions of different dia meter pipe at the cross-section where x＝45 mm

圖17 x＝60 mm截面處速度分布Fig.17 Velocity distributions of different dia meter pipe at the cross-section where x＝60 mm

不難看出，外徑較小進(jìn)氣孔其氣流速度分布發(fā)展較快，隨著流態(tài)的發(fā)展其差別越來越小。因此，若進(jìn)氣孔較短，孔內(nèi)流的速度發(fā)展研究需考慮孔徑的影響；若進(jìn)氣孔較長，則可以忽略孔徑對管內(nèi)湍流速度分布影響。

4 結(jié)論

本文提出的環(huán)隙型變截面進(jìn)氣孔結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)將文獻(xiàn)［1］的環(huán)隙型直進(jìn)氣孔結(jié)構(gòu)改為環(huán)隙變截面收縮孔，主要由環(huán)隙轉(zhuǎn)捩段、直孔發(fā)展段和收縮孔加速段組成。仿真表明：環(huán)隙口形成的湍流，其發(fā)展對轉(zhuǎn)捩段長度不敏感，在經(jīng)過直孔和收縮孔的組合結(jié)構(gòu)后，氣流速度分布更快達(dá)到均勻的同時(shí)速度提高更快，速度分布直接受孔長度影響，外徑較小進(jìn)氣孔其速度分布發(fā)展較快。這對于進(jìn)一步工程設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)小型化有參考價(jià)值，有利于進(jìn)氣流調(diào)制和提高發(fā)電機(jī)換能效率，解決了原結(jié)構(gòu)存在的問題。進(jìn)一步的改進(jìn)研究有望得到小型化氣流速度分布均勻的進(jìn)氣孔結(jié)構(gòu)。

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