含尾翼張開運動的膛口流場三維數(shù)值模擬

岳明凱,邱 浩,焦志剛,張 驄

(沈陽理工大學(xué)裝備工程學(xué)院,沈陽 110159)

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含尾翼張開運動的膛口流場三維數(shù)值模擬

岳明凱,邱 浩,焦志剛,張 驄

(沈陽理工大學(xué)裝備工程學(xué)院,沈陽 110159)

帶尾翼穩(wěn)定裝置的彈丸,尾翼在張開過程中會受到膛口流場的強烈擾動,導(dǎo)致尾翼結(jié)構(gòu)變形甚至損壞,致使彈丸不能正常飛行。因此有必要對含尾翼彈丸的膛口流場進行數(shù)值模擬分析。運用三維N-S方程結(jié)合FLUENT局部重構(gòu)法,對彈丸飛出制退器以及尾翼張開過程的膛口流場進行數(shù)值模擬和分析;根據(jù)數(shù)值仿真結(jié)果分析了膛口流場對尾翼受力狀況和運動狀態(tài)的影響;所得結(jié)論對研究膛口氣流流動,尾翼的結(jié)構(gòu)設(shè)計及后效期有效張開具有一定參考意義。

尾翼;膛口流場;局部重構(gòu)法;數(shù)值模擬

0 引言

彈丸飛出炮口后,炮膛中高溫高壓的火藥氣體被突然釋放,在膛口外急劇膨脹,形成波系結(jié)構(gòu)異常復(fù)雜的膛口流場[1]。流場區(qū)域內(nèi)由于火藥燃氣沖擊波的影響而產(chǎn)生有害擾動,如強激波、電磁輻射和膛口焰等。這些擾動非常強烈,會對人員、設(shè)備及射擊精度等產(chǎn)生危害。帶尾翼穩(wěn)定裝置的彈丸,其尾翼在后效期張開過程中會受到膛口流場的強烈擾動,會嚴重影響尾翼結(jié)構(gòu),導(dǎo)致其變形甚至損壞,致使彈丸不能正常飛行。因此,對含尾翼張開運動的膛口流場進行數(shù)值模擬,對尾翼的結(jié)構(gòu)設(shè)計及后效期張開的研究具有重要意義。目前,隨著計算機運算能力的提升以及動網(wǎng)格技術(shù)的發(fā)展,膛口流場數(shù)值模擬有了很大的進步,對膛口流場的研究逐步向三維、高精度格式、包含運動彈丸等趨勢發(fā)展。文獻[2]對膛口裝置三維流場進行了數(shù)值模擬并對其制退器效率進行了計算[2]。文獻[3]對帶炮口制退器的火炮膛口流場進行了三維數(shù)值模擬。文獻[4]對三管并聯(lián)發(fā)射產(chǎn)生的含高速運動彈丸的膛口射流進行了數(shù)值模擬。然而,上述研究盡管對膛口流場進行了三維數(shù)值計算,但其包含的彈丸運動一般是簡單的平動,對于尾翼裝置在后效期張開這樣包含平動和轉(zhuǎn)動的復(fù)雜運動卻很少有研究。文中運用FLUENT軟件結(jié)合其獨特的局部重構(gòu)法動網(wǎng)格技術(shù)對含尾翼張開運動的膛口流場進行三維仿真模擬,應(yīng)用動網(wǎng)格技術(shù)對彈丸和尾翼張開運動進行處理,得到尾翼彈飛出炮口后尾翼張開過程中的膛口流場分布。

1 數(shù)值計算方法

膛口流場是非定常、多相、湍流并有方向性和化學(xué)反應(yīng)的復(fù)雜流場,因此建立一個全面的膛口流場數(shù)學(xué)模型是很困難的,對于計算模型一般要進行適當簡化,文中進行如下假設(shè)[5]:

1)忽略火藥氣體多組分和化學(xué)反應(yīng)的影響,將其與外界大氣看為同一理想氣體介質(zhì),且完全服從氣體狀態(tài)方程;

2)彈丸出膛口到完全飛離膛口流場的后效期時間內(nèi)為完整的模擬過程;

3)對膛口裝置及彈丸進行一定程度的模型簡化。

采用三維N-S方程[3]:

(1)

式中:

其中:ρ為氣體密度;u、v、w分別為x、y、z方向上的速度分量;E為總能量,其表達式為:

(2)

式中γ為理想氣體絕熱指數(shù)。理想氣體的狀態(tài)方程為:

p=ρRT

(3)

式中R為通用氣體常數(shù)。

2 仿真計算模型及網(wǎng)格劃分

建立一個高為4 m,直徑為3 m的圓柱作為計算域。網(wǎng)格劃分如圖1所示,其中①和③為結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,②是非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)絡(luò),計算域外界采用壓力出口邊界,彈丸、制退器及身管均采用固壁邊界。彈體及尾翼的運動規(guī)律由自定義函數(shù)來確定,①和③為靜止域,②為變形域,動網(wǎng)格算法采用局部重構(gòu)法。局部重構(gòu)法是FLUENT所特有的,對于移動邊界的運動幅度相對較大,或運動方式是平動和轉(zhuǎn)動相結(jié)合,使用局部重構(gòu)的方法較好[6-7]。

圖1 模型網(wǎng)格劃分圖

3 仿真結(jié)果及分析

經(jīng)三維仿真計算,得到了彈丸離開膛口及翼片張開膛口流場的發(fā)展變化過程。由于炮口制退器對火藥氣體的分流作用,火藥氣體噴出炮口后,會在制退器內(nèi)部形成極其復(fù)雜的流場結(jié)構(gòu)。圖2所示為仿真得到的彈丸離開膛口后膛口流場在不同時刻發(fā)展變化過程的壓力云圖以及彈丸的運動情況。

圖2 不同時刻膛口流場的壓力云圖

彈丸離開膛口后,膛內(nèi)高溫高壓的火藥氣體迅速膨脹流出,進入制退器后繼續(xù)膨脹,在制退器中,火藥氣體與彈底、制退器內(nèi)壁發(fā)生碰撞,部分火藥氣體從制退器內(nèi)進入側(cè)孔,并在側(cè)孔處急劇膨脹,另一部分火藥氣體推動彈丸繼續(xù)向前運動,制退器附近形成了復(fù)雜的波系結(jié)構(gòu),主要包括彈底激波、相交激波、瓶狀激波等,隨著膛口流場不斷發(fā)展,瓶狀激波區(qū)沿徑向和軸向擴大,制退器后方產(chǎn)生低壓區(qū);彈丸及翼片底部由于火藥氣體的推動作用,一直承受較高壓力。

尾翼穩(wěn)定裝置在進入制退器時各翼片間的壓力分布是不均勻的,圖3所示為制退腔徑向剖面和尾翼裝置壓力云圖,靠近側(cè)孔的一面火藥氣體經(jīng)側(cè)孔流出,壓力下降比較快,靠近制退腔腔壁的一面由于尾翼片對火藥氣體的阻擋,壓力下降相對較慢,靠近制退腔腔壁的4片尾翼在徑向的壓力是不均衡的,單個翼片,一側(cè)壓力達到10 MPa左右,另一側(cè)壓力為3 MPa左右,壓力差達7 MPa左右,從尾翼裝置壓力云圖也可看出,翼片的壓力分布在軸向也是不均衡的,靠近彈底附近壓力較小,尾翼片尾部壓力比較大。這為優(yōu)化尾翼裝置設(shè)計,研究降低翼片載荷提供了參考。

圖3 制退器腔徑向剖面和尾翼裝置壓力云圖

圖4為尾翼在膛口流場中張開過程不同時刻的壓力云圖,在尾翼微微張開時,翼片上靠近彈軸和彈底的一側(cè)受到的壓力較大,為10 MPa左右,隨著彈丸向前移動,尾翼繼續(xù)張開,翼片上壓力降低到5 MPa左右,翼片上壓力較大的區(qū)域仍是靠近彈軸的一側(cè);尾翼快張開到位時,翼片上壓力已經(jīng)大幅降低,同時翼片上遠離彈軸的一側(cè)壓力較大,為0.8 MPa左右;尾翼張開到位時,翼片尾部壓力較大,為0.8 MPa左右,這是由于彈丸逐漸遠離膛口,火藥氣體對彈體和尾翼的作用減弱。

圖4 尾翼張開過程不同時刻壓力云圖

圖5 單個翼片所受火藥氣體作用力對其轉(zhuǎn)動軸的力矩

圖5為仿真得到的單個翼片在張開過程中火藥氣體作用力對其轉(zhuǎn)動軸的力矩,當尾翼還在制退器中時,力矩為負,阻礙翼片張開;當尾翼離開制退器后,力矩為正,有利于尾翼張開。隨著翼片張開,翼片的軸向面積增大,火藥氣體對翼片的作用力變大,力矩急劇增大,最大值達到700 N·m左右,之后彈丸遠離膛口,火藥氣體對翼片的作用力減弱,力矩開始緩慢減小。這為研究尾翼后效期有效張開提供了參考。

圖6為尾翼張開到位后彈丸在膛口流場中的速度等值線圖,由于尾翼的存在,翼片在膛口流場中形成了一個錐角約為翼片張開度數(shù)2倍的錐形激波,圖中速度等值線圖可以清晰的觀察到彈尾激波,以及制退器附近的馬赫盤。

圖6 尾翼張開到位的速度等值線圖

圖7為尾翼張開到位時的三維視圖,可以更加直觀的了解整個膛口流場區(qū)域的壓力分布情況。

圖7 t=1.8 ms時刻壓力等值線三維分布

4 結(jié)論

運用FLUENT軟件和動網(wǎng)格局部重構(gòu)法,對含尾翼張開運動的膛口流場進行了三維數(shù)值模擬,得出以下結(jié)論:局部重構(gòu)法處理復(fù)雜邊界運動情況是可行的,對于處理彈丸運動,尾翼張開等包含平動和轉(zhuǎn)動相結(jié)合的情況可以很好的適應(yīng)。尾翼裝置在經(jīng)過制退器時,由于側(cè)孔的分流作用,會導(dǎo)致翼片徑向受力不均衡,容易導(dǎo)致尾翼發(fā)生變形。尾翼在張開過程中受到膛口流場的強烈作用,翼片上受到的壓力也是不均勻,尾翼微微張開時靠近彈軸及彈底的地方受到的壓力最大,隨著彈丸運動及尾翼繼續(xù)張開,翼片上遠離彈軸的一側(cè)受到的壓力最大;尾翼張開到位時,翼片上的最大壓力在翼片尾部,根據(jù)后效期翼片受到火藥氣體的作用力對其轉(zhuǎn)動軸的力矩,可知后效期時火藥氣體對尾翼的作用力是有利于其張開的。數(shù)值模擬結(jié)果對研究膛口氣流流動,尾翼裝置設(shè)計及其后效期有效張開具有參考意義。

[1] 張輝, 譚俊杰, 崔東明. 帶膛口裝置的流場數(shù)值模擬 [J]. 火炮發(fā)射與控制學(xué)報, 2007(2): 48-51.

[2] 張煥好, 陳志華, 姜孝海, 等. 膛口裝置三維流場的數(shù)值模擬及制退效率計算 [J]. 兵工學(xué)報, 2011, 32(5): 513-519.

[3] 劉欣寧, 岳明凱. 帶炮口制退器的火炮膛口流場三維數(shù)值模擬 [J]. 四川兵工學(xué)報, 2015(7): 56-59.

[4] 曲普, 薄玉成, 方舉鵬. 含運動邊界的并聯(lián)發(fā)射膛口流場數(shù)值模擬預(yù)測 [J]. 彈箭與制導(dǎo)學(xué)報, 2012, 32(4): 158-160.

[5] 方舉鵬, 李強, 茹占勇. 一種新型炮口裝置的膛口流場數(shù)值模擬 [J]. 彈箭與制導(dǎo)學(xué)報, 2011, 31(6): 152-154.

[6] 唐家鵬. FLUENT14.0超級學(xué)習(xí)手冊 [M]. 北京: 人民郵電出版社, 2013: 402-408.

[7] 隋洪濤, 李鵬飛, 馬世虎, 等. 精通CFD動網(wǎng)格工程仿真與案例實戰(zhàn) [M]. 北京: 人民郵電出版社, 2013: 64-65.

3D Numerical Simulation of Muzzle Flow Field with Opening Empennage

YUE Mingkai,QIU Hao,JIAO Zhigang,ZHANG Cong

(School of Equipment Engineering, Shenyang Ligong University, Shenyang 110159, China)

As for projectile with empennage stabilizing device, its empennage will bear strong disturbance from muzzle flow field during its opening process, cause the empennage structure deformation and damage, resulting in failure of projectile flight, so, numerical simulation analysis on projectile with empennage muzzle flow field is necessary. Three-dimensional N-S equations were used, combined with FLUENT local remeshing, numerical simulation of muzzle flow field for projectile flying out muzzle device and empennage opening were carried out. According to the numerical simulation, the effects of muzzle flow field on stress on empennage and motion state were analyzed. The conclusion can be referred for study on flow of muzzle flow, structure design and effective opening in aftereffect period of empennage.

empennage; muzzle flow field; local remeshing; numerical simulation

2015-10-16

岳明凱(1971-),男,遼寧沈陽人,教授,碩士,研究方向:目標探測與識別。

TJ012.2

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