高壓氣體發(fā)射裝置內(nèi)彈道特性及膛口流場分析

周鵬，曹從詠，董浩

（南京理工大學自動化學院，江蘇南京210094）

高壓氣體發(fā)射裝置內(nèi)彈道特性及膛口流場分析

周鵬，曹從詠，董浩

（南京理工大學自動化學院，江蘇南京210094）

根據(jù)非定?？蓧嚎s流動的Navier-Stokes方程和Spalart-Allmaras湍流模型，基于計算流體力學分析軟件，采用動網(wǎng)格技術(shù)，對彈丸在氣室高壓氣體作用下的運動規(guī)律及其流場特性進行了仿真。主要研究了4種不同氣室初始氣壓下膛內(nèi)平均壓力、彈底壓力、氣室底部壓力、彈丸運動參數(shù)的變化規(guī)律，進一步分析了在氣室初壓為2.5 MPa下不同時刻馬赫數(shù)等值線的變化規(guī)律。研究結(jié)果表明：膛內(nèi)氣流存在振蕩現(xiàn)象，氣室底部壓力、彈底壓力變化具有波動性；氣室初始氣壓的大小影響氣室底部壓力、彈底壓力振蕩幅度及彈丸出炮口速度；彈丸在管內(nèi)運動速度及運動時間隨距離變化的關(guān)系均近似拋物線分布。

兵器科學與技術(shù)；高壓氣體；動網(wǎng)格；內(nèi)彈道；膛口流場；計算流體力學

0　引言

高壓氣體發(fā)射裝置不同于以火藥燃氣為高壓動力的推動裝置［1-3］，是一種基于高壓氣體驅(qū)動的裝置［4-5］。該裝置主要通過發(fā)射含有催淚劑、腐蝕劑等特殊物質(zhì)的彈丸，對短距離內(nèi)的肇事群體進行控制，還能夠與脈沖水炮裝置［6］組成一種非致命性協(xié)同武器裝備，能夠應(yīng)用到打擊海盜、反恐等突發(fā)事件中。該裝置主要由氣室、過渡段、身管、電磁閥等結(jié)構(gòu)組成，如圖1所示。

圖1　高壓氣體發(fā)射裝置結(jié)構(gòu)簡圖Fig.1 Schematic diagram of high-pressure gas launcher

發(fā)射前，電磁閥關(guān)閉，向氣室中通入常溫高壓或低溫高壓氣體。發(fā)射時，打開電磁閥，氣室中氣體膨脹，經(jīng)由過渡段，推動彈丸向前運動。受到氣室壓力、氣室容量、收縮段長度、收縮角度以及過渡段長度等參數(shù)的綜合影響，該裝置內(nèi)彈道特性及膛口流場表現(xiàn)出較為復(fù)雜的變化。掌握這種復(fù)雜的變化規(guī)律對于提高射擊精度、達到射擊目的具有重要的指導(dǎo)意義。為了研究該裝置在高壓氣體作用下的內(nèi)彈道特性及膛口流場的變化規(guī)律，本文采用計算流體力學（CFD）分析軟件對不同氣室初壓下的彈丸運動過程進行了模擬，得到了該裝置內(nèi)彈道相關(guān)參數(shù)的變化規(guī)律，并掌握了膛口流場的分布規(guī)律。

1　物理模型

本文設(shè)計的錐形筒氣室容積為50 L，氣室底部直徑為260mm，收縮角為15°，身管口徑為130mm，長度為1.3m，過渡段水平長度為130mm，彈丸質(zhì)量為5 kg，將彈底與身管尾部平齊。電磁閥關(guān)閉時，向氣室通入高壓氣體。在氣體膨脹過程中，過渡段能夠防止彈底壓力突變破壞彈殼結(jié)構(gòu)，當其長度為1倍身管口徑時，還可以保證氣流首次達到彈底有較大的軸向速度。

由于在實際中，彈丸管內(nèi)運動形式復(fù)雜、多樣，對網(wǎng)格設(shè)置要求很高，處理較為復(fù)雜，本文簡化彈丸運動形式，做出如下假設(shè):1）彈丸與身管無間隙，以避免高壓氣體泄露；2）彈丸沿x軸正向平射，忽略重力影響；3）考慮彈管摩擦受力情況，利用修正系數(shù)修正彈丸摩擦力；4）初始氣室高壓氣體混合充分、均勻，各處壓力一致。

2　網(wǎng)格劃分及邊界條件設(shè)置

基于上述假設(shè)，本文建立了二維軸對稱模型用來模擬彈丸發(fā)射的運動過程，確定外流場的網(wǎng)格劃分范圍為右側(cè)壓力出口距離膛口x方向距離2 m， y方向距離膛口1.5m，坐標原點為彈底中心。初始網(wǎng)格劃分及邊界條件的設(shè)置如圖2所示。

圖2　網(wǎng)格劃分及邊界條件設(shè)置示意圖Fig.2 Schematic diagram of grid division and boundary condition setting

為了避免彈丸運動而產(chǎn)生較大的網(wǎng)格變形，本文采用動態(tài)分層法模擬彈丸運動。運動域與靜止域用交界面形式嚴格分隔，隨著彈丸沿x軸向運動，整個運動域左邊界網(wǎng)格不斷被拉伸、分裂，而右邊界網(wǎng)格不斷被壓縮、合并；在彈頭附近采用三角形網(wǎng)格以更好地捕捉其形狀；在管口處加密外流場網(wǎng)格密度以更好地捕捉彈丸出膛口流場特性；彈丸邊界、交界面2動域側(cè)、動域?qū)ΨQ軸及整個域都以相同速度沿x軸向運動，該速度由前一時間步計算結(jié)果決定。在每一仿真過程中，向氣室中充滿不同壓力的空氣，設(shè)置全局計算域溫度為300 K.

3　結(jié)果分析

本文借助CFD流體分析軟件，并嵌入控制彈丸運動的程序，采用基于壓力求解器的PISO求解方法，得到了在4種不同氣室初始氣壓下的內(nèi)彈道變化特性以及流場變化規(guī)律。

3.1內(nèi)彈道特性分析

打開電磁閥后，彈丸受到高壓氣體作用，克服彈前空氣阻力和彈丸與身管摩擦力，不斷向前運動。由于膛內(nèi)膨脹波及反射波的相互作用，膛內(nèi)壓力發(fā)生一系列較為復(fù)雜的變化。膛內(nèi)平均壓力p在不同氣室初始氣壓p0下隨管內(nèi)運動距離x的變化規(guī)律如圖3所示。由圖3可知，膛內(nèi)氣體膨脹做功，推動彈丸向前運動，彈丸距離增大導(dǎo)致膛內(nèi)體積增大，膛內(nèi)平均壓力隨之降低。彈丸移動相同距離，氣室初始氣壓越大，膛內(nèi)平均壓力降低得越多。

在不同氣室初始氣壓p0下，彈底壓力pp、氣室底部壓力pc、運動時間t及運動速度v隨管內(nèi)運動距離x的變化規(guī)律分別如圖4～圖7所示，最大彈底壓力pp，max、最大氣室底部壓力pc，max與對應(yīng)的彈丸運動參數(shù)（t、x、v）關(guān)系分別如表1、表2所示以及不同氣室初始氣壓p0與彈丸膛口處速度v0、管內(nèi)運動時間t0的關(guān)系如表3所示。

圖3　不同氣室初始壓力下p-x曲線圖Fig.3 Curves of p-x at different initial pressures in chamber

圖4　不同氣室初始壓力下pp-x曲線圖Fig.4 Curves of pp-x at different initial pressures in chamber

圖5　不同氣室初始壓力下pc-x曲線圖Fig.5 Curves of pc-x at different initial pressures in chamber

由圖4可知，電磁閥打開后，由于過渡段初始壓力為標準大氣壓，低于氣室壓力，高壓氣體沿x軸正向迅速膨脹直到彈底，氣流受到靜止彈丸阻礙，開始產(chǎn)生較弱的反射波，同時對彈底產(chǎn)生氣動推力，推動彈丸運動。

圖6　不同氣室初始壓力下t-x曲線圖Fig.6 Curves of t-x at different initial pressures in chamber

圖7　不同氣室初始壓力下v-x曲線圖Fig.7 Curves of v-x at different initial pressures in chamber

表1　不同氣室初始氣壓下pp，max與對應(yīng)的彈丸運動參數(shù)Tab.1 Different initial gas pressures pp，maxand corresponding projectile motion parameters

結(jié)合表1可知，當彈丸向前運動很短距離內(nèi)，膛內(nèi)氣流繼續(xù)膨脹，膨脹波強度較大，彈底附近氣體高度被壓縮，反射波強度迅速增強，彈底溫度很快升高，氣體分子熱運動加劇，彈底壓力迅速增大，并大于氣室初始壓力，使得彈丸迅速獲得較大的加速度，繼續(xù)加速運動。

表2　不同氣室初始氣壓下pc，max與對應(yīng)的彈丸運動參數(shù)Tab.2 Different initial gas pressures pc，maxand corresponding projectile motion parameters

表3　不同氣室初始壓力下v0、t0的值Tab.3 Values of v0and t0at different initial pressures in chamber

隨著彈丸向前運動，由于氣流速度大于彈丸運動速度及氣室良好的氣密性，膛內(nèi)膨脹波與反射波不斷相互作用，彈底壓力呈現(xiàn)波動性變化。但隨著彈丸距離增大，膛內(nèi)體積增大，膛內(nèi)氣流能量逐漸降低，彈底壓力波動性幅度逐漸減弱，直至彈丸飛出膛口。

在不同氣室初始氣壓下，彈底壓力隨彈丸位置變化的波動性規(guī)律相似。由于氣室初始氣壓越大，膛內(nèi)膨脹波與反射波相互作用越劇烈，彈丸運動得也越快，因此，彈底壓力波動強度越大，其波峰值前移。

由圖5可知，在彈丸開始運動的一小段距離內(nèi)，氣室底部壓力保持不變，這是因為在電磁閥開啟初期，氣室初始氣壓分布均勻以及具有較大的容積，同時運動彈丸底部產(chǎn)生的反射波強度較小，氣室底部附近氣體幾乎不受影響，分布較均勻。隨著彈丸運動距離增大，氣室底部氣流開始流動，氣室底部壓力由于氣體膨脹而減弱。

結(jié)合表2可知，當彈底處的反射波強度大于膛內(nèi)膨脹波強度時，氣室氣流逐漸流向氣室底部，氣室底部氣流受到反壓縮作用，首次產(chǎn)生反向壓縮波，并在氣室底部產(chǎn)生較強的反射波，氣室底部溫度很快升高，氣體分子熱運動加劇，氣室底部壓力很快增大，并高于氣室底部初始壓力。在膛內(nèi)膨脹波與反射波不斷相互作用下，氣室底部壓力同樣呈現(xiàn)波動性變化。在不同氣室初始氣壓下，氣室底部壓力隨彈丸位置變化的波動性規(guī)律相似，但氣室初始氣壓越大，波動強度越大，氣室底部壓力波動點前移。

由圖6、圖7可知，彈丸在管內(nèi)運動速度隨距離變化的曲線及彈丸運動時間隨距離變化的曲線都近似拋物線，氣室初始氣壓越大彈丸射出膛口速度越大，運動時間越少。

結(jié)合表3可知，由于彈前空氣阻力及彈丸與身管摩擦作用，當初始氣壓增大為4倍，彈丸出膛口時間減少稍大于一半，而膛口速度增大接近2倍。

3.2流場變化規(guī)律分析

彈丸從開始運動到射出膛口的整個過程中，膛口流場特性隨著彈丸運動距離增加而不斷變化，產(chǎn)生了一系列較為復(fù)雜的波系。在不同的氣室初始壓力下，膛口流場總體變化規(guī)律較為一致，但也有所不同。由于篇幅原因，這里通過選取較為典型的馬赫數(shù)等值線圖，對氣室初始壓力為2.5 MPa的膛口流場進行了分析。

由圖8（a）可知，膨脹波已經(jīng)推動彈丸運動，膛口管壁處出現(xiàn)了較小的渦流，外流場初步形成，彈底處由于膨脹氣流和反射氣流的相互作用，由管壁向軸中心處產(chǎn)生渦流。由圖8（b）可知，當彈頭越過膛口時，彈頭附近產(chǎn)生較為復(fù)雜的沖擊波，彈頭處的渦流強度較大。膛內(nèi)氣流速度明顯存在膨脹波和反射波作用下的分層現(xiàn)象。由圖8（c）可知，彈丸剛飛出膛口時，在彈底產(chǎn)生的反射波及膛內(nèi)膨脹波共同作用下，氣流向彈底兩側(cè)空間發(fā)散式的膨脹，氣流速度迅速變大，并產(chǎn)生了渦流，渦流核心處氣流速度達到最大，由于彈丸運動速度不高，彈頭并未產(chǎn)生明顯的激波，彈頭、彈身附近氣體速度較小。由圖8（d）可知，隨著彈丸加速運動，彈底開始出現(xiàn)馬赫盤。馬赫盤左側(cè)氣流達到超音速，右側(cè)氣流為亞音速，彈底兩側(cè)渦流向外擴散，氣流速度明顯降低，由于氣流速度比彈丸速度大很多，超音速氣流伴有向彈體合攏的趨勢。由圖8（e）可知，當彈丸繼續(xù)加速運動時，馬赫盤隨之移動、縮小，并出現(xiàn)明顯的反射激波和滑移面，其左側(cè)氣流速度進一步增大，其右側(cè)氣流速度進一步減少，超音速氣流逐漸向彈體合攏，包裹彈體。由圖8（f）可知，當運動距離繼續(xù)增大時，膛內(nèi)膨脹波進一步減弱，馬赫盤滑移面彎曲，彈底亞音速區(qū)出現(xiàn)明顯的相交波，伴有氣流速度較大的渦流，馬赫盤中心受到彈底反射波作用而逐漸凹陷，馬赫盤逐漸向膛口側(cè)回縮，由于彈頭沖擊波的作用，彈身處氣體逐漸脫離表面，超音速氣流進一步包裹彈體，但并不能完全包裹彈體。

圖8　膛口附近馬赫數(shù)等值線圖（氣室初始壓力為2.5MPa）Fig.8 Mach number contours near muzzle

4　結(jié)論

通過對4種不同初始氣室壓力下彈丸運動和流場特性的變化規(guī)律進行數(shù)值模擬及對比分析，主要得到結(jié)論如下:

1）彈丸在管內(nèi)運動是膨脹波及反射波不斷相互作用的結(jié)果，并伴有復(fù)雜的流場變化特性，膛口附近出現(xiàn)一系列變化復(fù)雜的波系。

2）不同初始氣室壓力下，彈丸運動參數(shù)變化規(guī)律類似，但初始氣室壓力越大，出膛口時間越短，速度越大。

3）受過渡段的影響，膛內(nèi)氣流在膨脹波及反射波相互作用下出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象。振蕩氣流使得彈丸底部壓力波動變化，彈丸底部壓力能夠獲得高于初始氣室壓力，而且初始氣室壓力越大，氣流振蕩幅度越大。振蕩氣流是否能提高彈丸出膛口速度有待進一步研究。

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Analysis of Interior Ballistic Characteristics and M uzzle Flow Field of High-pressure Gas Launcher

ZHOU Peng，CAO Cong-yong，DONG Hao
（School of Automation，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094，Jiangsu，China）

According to Navier-Stokes equation and Spalart-Allmaras turbulence model，the motion law of projectile under the action of high-pressure gas and its flow characteristics are simulated by using the dynamic mesh method based on CFD software.The change rules of in-bore average pressure，projectile base pressure，chamber base pressure and projectile motion parameters at the four kinds of initial pressure in the chamber are mainly studied.The changes of Mach number contours at different time at initial pressure up to 2.5MPa are analyzed.Research results show that a flow oscillation phenomenon occurs in the bore，and the changes of chamber base pressure and projectile base pressure are fluctuating.Initial gas chamber has the effect on the pressure oscillation amplitudes of chamber base and projectile base and the projectile in the muzzle velocity.The relationship between projectile motion velocity or motion time and motion distance in the barrel is approximately parabolic.

ordnance science and technology；high-pressure gas；dynamic mesh；interior ballistic；muzzle flow field；computational fluid dynamics

TJ012.1

A

1000-1093（2016）09-1612-05

10.3969/j.issn.1000-1093.2016.09.009

2016-03-10

周鵬（1992—），男，碩士研究生。E-mail:zp6831512@126.com；曹從詠（1964—），男，教授。E-mail:jy108@mail.njust.edu