網(wǎng)格對炮口制退器仿真計算的影響

殷鵬賢 ，趙俊利，李立州

(中北大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山西 太原 030051)

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網(wǎng)格對炮口制退器仿真計算的影響

殷鵬賢 ，趙俊利，李立州

(中北大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山西 太原 030051)

為研究網(wǎng)格質(zhì)量對炮口制退器CFD仿真結(jié)果的影響，以某炮口制退器為對象，利用Fluent比較結(jié)構(gòu)網(wǎng)格、非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和混合網(wǎng)格對炮口處三維流場計算結(jié)果的影響。對比以上3種網(wǎng)格的仿真時間和網(wǎng)格數(shù)量，結(jié)果表明采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格所需的網(wǎng)格最少，運(yùn)算所耗機(jī)時最短，但網(wǎng)格劃分工作量最大。將仿真結(jié)果與試驗結(jié)果進(jìn)行對比，結(jié)構(gòu)網(wǎng)格與混合網(wǎng)格得到的效率與試驗實測值符合良好，非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格計算所得炮口制退效率與實測值相差較大。由此可以得出結(jié)論：在炮口制退器CFD仿真中，炮口制退器流場網(wǎng)格模型的近壁面宜采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格以保證仿真結(jié)果的正確性，遠(yuǎn)場的網(wǎng)格類型對炮口附近三維流場計算結(jié)果影響不大。

網(wǎng)格劃分；炮口制退器；CFD；效率

炮口制退器通過控制后效期火藥氣體的流量分配與氣流速度對炮身提供一個制退力，使炮膛合力減小，從而減小火炮后坐動能和炮架的射擊載荷[1]。在后效期火藥氣體排空過程中，炮口制退器周圍流場非常復(fù)雜，具有顯著的非線性特征。如何準(zhǔn)確計算火藥氣體在炮口制退器和炮身上產(chǎn)生的作用力對制退器和火炮的設(shè)計具有重要的意義。研究炮口制退器附近流場特征并計算炮口制退器效率是當(dāng)前火炮設(shè)計研究的重要內(nèi)容。

CFD仿真方法可以求解復(fù)雜形狀的炮口制退器周圍流場，計算炮口制退器效率，估計炮口附近沖擊波強(qiáng)度，為炮口制退器的設(shè)計提供了新的技術(shù)途徑[2]。張輝等給出了一種基于CFD的炮口制退器效率計算方法[3]。黃歡等用二維CFD模型分析了某迫擊炮炮口流場，得到了炮口超壓值[4]。

網(wǎng)格是CFD仿真的基礎(chǔ)，對計算的收斂性、精度以及速度起決定作用，是仿真計算成敗的關(guān)鍵。姚熊亮等研究了流場網(wǎng)格質(zhì)量對水下爆炸結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響[5]。馬文生等研究了網(wǎng)格形式對水輪機(jī)流場計算結(jié)果的影響[6]。在炮口制退器研究過程中，筆者發(fā)現(xiàn)某些基于CFD仿真得到的炮口制退器效率遠(yuǎn)高于試驗值。通過仿真模型可知，效率偏高的炮口制退器的近壁面采用了非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，而制退效率值準(zhǔn)確的流場模型采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。因此，筆者通過數(shù)值仿真結(jié)果與試驗結(jié)果的對比，研究網(wǎng)格對炮口制退器CFD仿真的影響，并給出炮口制退器CFD仿真中網(wǎng)格劃分的建議。

1 炮口制退器模型

某炮口制退器三維模型如圖1所示，為了在保證精度的前提下盡可能縮短計算周期，對該炮口制退器作如下處理：

1)去掉炮口制退器的螺紋、倒角、小孔、焊縫等對氣動力影響不大的細(xì)節(jié)，以減少網(wǎng)格劃分時間，減小網(wǎng)格數(shù)量，提高流場網(wǎng)格質(zhì)量，保證計算的精度。

2)由于該炮口制退器沿坐標(biāo)平面xOy和xOz幾何對稱，取炮口制退器炮膛和周圍的1/4流場進(jìn)行CFD仿真，減少網(wǎng)格數(shù)量，加快計算速度。

2 炮口流場計算模型

2.1 炮口流場計算基本假設(shè)和控制方程

炮口制退器膛口氣流由可壓縮的粘性火藥氣體和空氣混合而成，為氣固兩相、多組分、含有化學(xué)反應(yīng)的瞬態(tài)氣流，建立描述這一現(xiàn)象的數(shù)學(xué)模型是非常困難的[7-8]。因此，在實際工程中都基于以下假設(shè)建立簡化的數(shù)學(xué)模型：

1)將空氣和火藥氣體的混合燃?xì)饩|(zhì)化處理。

2)不考慮化學(xué)反應(yīng)的過程。

3)忽略固體相。

4)假設(shè)氣體為理想氣體，滿足氣體狀態(tài)方程p=ρRT，R為理想氣體常數(shù)。

根據(jù)以上假設(shè)，可以采用無粘三維Euler方程來描述炮口氣流[9-10]，其控制方程為

(1)

(2)

式中，γ為理想氣體比熱比。

2.2 邊界條件

以炮口制退器炮口端面為中心，建立一個短軸為9 000 mm、長軸為9 514 mm的1/4橢球形域作為模擬后效期火藥氣體排空過程的計算域。該計算域如圖2所示。

3 炮口制退器流場網(wǎng)格

3.1 CFD網(wǎng)格劃分方法及比較

CFD仿真通常使用結(jié)構(gòu)、非結(jié)構(gòu)化和混合型這3種網(wǎng)格形式[11]。

結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上相當(dāng)于矩形域內(nèi)的均勻網(wǎng)格。結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的主要優(yōu)點為網(wǎng)格生成速度快、質(zhì)量好，能準(zhǔn)確處理邊界條件，計算精度高；其缺點是僅適用于形狀較規(guī)則的模型。

非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格是指網(wǎng)格區(qū)域內(nèi)的內(nèi)部點不具有相同的毗鄰單元。適用于處理具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的模型，能方便地采用自適應(yīng)技術(shù)減少仿真人員時間投入，其生成過程簡單。缺點是計算精度較差，消耗的計算機(jī)資源多。

混合網(wǎng)格是一種多區(qū)網(wǎng)格分塊劃分方法，它在不同的子區(qū)域使用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格或者非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，既保證特定區(qū)域計算的精度又提高復(fù)雜模型的網(wǎng)格適應(yīng)能力。筆者采用的混合網(wǎng)格是結(jié)構(gòu)與非結(jié)構(gòu)混合網(wǎng)格，即物面附近采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，然后非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格過渡到遠(yuǎn)場區(qū)域。

3.2 炮口制退器網(wǎng)格

采用以上3種網(wǎng)格類型對炮口制退器流場區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分。圖3給出了采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格、非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和混合網(wǎng)格的炮口制退器表面網(wǎng)格。從圖中可以看出：各網(wǎng)格類型的近壁面網(wǎng)格密度基本相同；結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和混合網(wǎng)格在炮口制退器近壁面是完全相同的。表1給出了3種網(wǎng)格的網(wǎng)格數(shù)量和扭曲率，從表中可以看出，混合網(wǎng)格的數(shù)量最大。

表1 不同網(wǎng)格類型的網(wǎng)格數(shù)量和扭曲率

網(wǎng)格類型網(wǎng)格數(shù)量/個網(wǎng)格扭曲率/%結(jié)構(gòu)網(wǎng)格28159566.72非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格123197385.55混合網(wǎng)格129402380.26

4 模擬結(jié)果分析

4.1 仿真時間對比

為保證條件相同，3種網(wǎng)格模型均在同一大型工作站上進(jìn)行計算。在計算時，取時間步長為5 μs，以后效期開始時刻為時間起點，當(dāng)膛內(nèi)燃?xì)馄骄鶋毫Φ陀?.174 6 MPa，認(rèn)為后效期結(jié)束，后效期總時間為40 ms。采用3種網(wǎng)格仿真這一過程的計算耗費時間如表2所示。從表1、2可以看出，計算所用時間與網(wǎng)格數(shù)量有直接關(guān)系，在數(shù)量上結(jié)構(gòu)網(wǎng)格比非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和混合網(wǎng)格小1個數(shù)量級，故計算時間大大減少。

表2 不同網(wǎng)格類型所耗費的計算時間

4.2 炮口制退器效率計算步驟

4.2.1 計算自由后坐速度

在內(nèi)彈道過程中，對于彈丸、火藥氣體和后坐部分組成的系統(tǒng)而言，由于忽略后坐阻力，而且火藥氣體的作用力為內(nèi)力，系統(tǒng)在炮膛軸線方向上所受合外力為0,系統(tǒng)在該方向上動量守恒。已知內(nèi)彈道過程結(jié)束時刻就是后效期開始的時刻,由動量守恒定理可得后效期開始時刻不帶炮口制退器和帶炮口制退器的火炮后坐部分的自由后坐速度vi為

(3)

式中:q為彈丸質(zhì)量；ω為裝藥量；vg為后效期開始時刻的彈丸速度；Mi是后坐質(zhì)量。下標(biāo)i=0和1分別對應(yīng)不帶炮口制退器和帶炮口制退器的情況。

4.2.2 計算得到炮膛合力隨時間變化的曲線

利用Fluent對后效期的膛內(nèi)火藥氣體排空過程進(jìn)行數(shù)值模擬，分別監(jiān)測不帶炮口制退器和帶炮口制退器的炮膛合力，得到炮膛合力隨時間變化的曲線。

4.2.3 計算后效期炮膛合力的全沖量

將炮膛合力時間曲線對時間積分得到后效期炮膛合力的全沖量為

(4)

式中：τ為后效期經(jīng)歷的時間；Fpt,i為炮膛合力；Ii為后效期結(jié)束時刻的炮膛合力沖量。

4.2.4 計算后效期結(jié)束時的火炮后坐速度

根據(jù)動量定理，后效期內(nèi)任意時刻后坐動能的增量等于炮膛合力的沖量，由此可得：

Ii=Mi(vmax,i-vi)

(5)

根據(jù)式(5)計算后效期結(jié)束時不帶炮口制退器和帶炮口制退器的火炮后坐部分的自由后坐速度vmax,i。

4.2.5 計算后效期結(jié)束時刻火炮的后坐動能

4.2.6 計算炮口制退器的效率

根據(jù)炮口制退器效率的定義，可以得到：

(6)

4.3 炮口制退器效率的仿真和實彈射擊結(jié)果對比

3種網(wǎng)格類型的炮膛合力隨時間的變化曲線如圖4所示。由圖4可知，3種網(wǎng)格計算得到的炮膛合力變化趨勢一致，結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和混合網(wǎng)格得到的炮膛合力曲線基本一致，非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格得到的炮膛合力大于結(jié)構(gòu)和混合網(wǎng)格得到的炮膛合力。結(jié)構(gòu)網(wǎng)格、非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和混合網(wǎng)格的炮膛合力均在0.6 ms時刻達(dá)到最大，最大炮膛合力分別為15.61、115.96和17.33 kN。

將炮膛合力對時間積分可得炮膛合力沖量。炮膛合力沖量的時間變化曲線如圖5所示。根據(jù)炮膛合力沖量可以計算3種網(wǎng)格下的后效期結(jié)束時刻帶炮口制退器時后坐部分的后坐速度、后坐動能，進(jìn)而計算出炮口制退器的效率。

制退器效率的計算結(jié)果和實彈射擊試驗結(jié)果如表3所示。由表3可以看出，結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和混合網(wǎng)格計算出的炮口制退器效率和實彈射擊結(jié)果一致，具有較高精度，而非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格計算出的炮口制退器效率誤差較大。非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格與混合網(wǎng)格的對比說明影響炮口制退器效率的關(guān)鍵是近壁面網(wǎng)格的質(zhì)量，制退器遠(yuǎn)場網(wǎng)格的形式對炮口制退器效率計算結(jié)果的影響可以忽略。由非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格計算結(jié)果和實彈射擊結(jié)果對比可知，非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格計算所得的炮口制退器效率遠(yuǎn)高于實測值，所以在炮口制退器設(shè)計研究中，應(yīng)當(dāng)警惕由于網(wǎng)格使用不當(dāng)造成仿真計算出“偽高效”炮口制退器。

表3 炮口制退器效率比較

5 結(jié)論

筆者采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格、非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和混合網(wǎng)格對炮口制退器進(jìn)行了CFD仿真，并計算了制退器效率。對比仿真結(jié)果與試驗實測結(jié)果，得到結(jié)論如下：

1)在仿真計算耗時方面，結(jié)構(gòu)網(wǎng)格有絕對的優(yōu)勢，它可以解決炮口制退器三維數(shù)值仿真耗時過長的問題，縮短了研發(fā)周期。全結(jié)構(gòu)網(wǎng)格計算模型也為配備普通計算機(jī)的炮口制退器研究者提供了便利。

2)在炮口制退器效率計算方面，結(jié)構(gòu)網(wǎng)格與混合網(wǎng)格所得的炮口制退器效率與試驗所得效率一致。

3)在相同網(wǎng)格密度下，非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格計算所得炮口制退器效率遠(yuǎn)高于實測值。

4)非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格與混合網(wǎng)格的對比說明影響炮口制退器效率的關(guān)鍵是近壁面網(wǎng)格的質(zhì)量，而制退器遠(yuǎn)場網(wǎng)格的形式對炮口制退器效率計算結(jié)果的影響可以忽略。在炮口制退器仿真研究中，近壁面宜采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，對遠(yuǎn)場網(wǎng)格沒有任何要求。

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Influence of Mesh on Simulation Calculation of Muzzle Brake

YIN Pengxian, ZHAO Junli, LI Lizhou

(School of Mechatronic Engineering, North University of China, Taiyuan 030051, Shanxi, China)

For the purpose of investigating the influence of the mesh quality on CFD simulation result of muzzle brake, a muzzle brake is taken as example. CFD software, Fluent, is used to investigate the influence of the mesh type, structure mesh, free mesh and hybrid mesh on the fluid simulation result of the muzzle brake. By comparing the time spent in simulation and the number of meshes, it can be found that the structure mesh use the fewest number of meshes and least time with the largest amount of work for mesh division. Comparing the simulation result with the test result of the muzzle brake efficiency, it can be found the efficiency result of the structure mesh and the hybrid mesh is equal to the test result. However, the efficiency of the free mesh is much higher than that of the test value. Therefore, it is concluded that in the CFD simulation the structure mesh should be used at the near-wall meshes of muzzle brake to guarantee the correctness of the simulation result, and that the mesh type of far-field does not seriously affect the simulation result around the muzzle brake.

mesh type; muzzle brake; CFD; efficiency

10.19323/j.issn.1673-6524.2016.04.009

2016-03-11

殷鵬賢(1991—)，男，碩士研究生，主要從事火炮總體技術(shù)研究。E-mail：343833732@qq.com

TJ303.2

A

1673-6524(2016)04-0038-05