埋頭彈火炮活動藥室密封裝置的研究

黃 嵐,韓曉明，李 強，賈彥飛

(中北大學(xué) 機電工程學(xué)院，山西 太原 030051)

埋頭彈火炮所發(fā)射的彈是一種縮短彈丸長度，即將彈頭埋于藥筒內(nèi)的彈，從而使得彈的外形呈圓筒狀且簡單齊整，便于運輸，簡化了供彈機設(shè)計。該火炮采用旋轉(zhuǎn)藥室來完成閉鎖動作，以此來縮小火炮系統(tǒng)的總體尺寸。由于炮身和藥室分體設(shè)計且需要頻繁開閉，加上膛壓和燃?xì)鉁囟榷急容^高，故兩者接觸處不宜采用太過復(fù)雜的密封結(jié)構(gòu)[1-2]。

雒智林等人[3]對高膛壓楔式炮閂閉氣方式進(jìn)行了分析；張浩等人[4]設(shè)計了一種高壓自緊密封裝置用于解決埋頭彈火炮的密封問題，但連發(fā)時的效果有待考證；張訊[5-6]等對新型組合式炮膛密封進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分析；陳偉等人[7]設(shè)計了一種新型試驗裝置密封結(jié)構(gòu)，對新型火炮的密封結(jié)構(gòu)具有一定參考價值?？傊瑢τ诼耦^彈火炮密封性方面的研究太少，筆者以內(nèi)能源導(dǎo)氣式埋頭彈火炮為研究對象，針對其旋轉(zhuǎn)藥室與炮身結(jié)合處的火藥燃?xì)庑孤﹩栴}，設(shè)計了一種帶梯形槽的閉氣裝置，來減少火藥燃?xì)獾男孤┝浚ＷC有足夠的氣體可以通過身管的導(dǎo)氣孔進(jìn)入到導(dǎo)氣管內(nèi)，用以推動藥室旋轉(zhuǎn)。

筆者提出的閉氣環(huán)結(jié)構(gòu)是一種圓筒形狀的結(jié)構(gòu)，并在其內(nèi)壁端開若干圈的梯形槽；然后將其帶銷軸的一端固定在炮身上，當(dāng)藥室旋轉(zhuǎn)后，推入到閉氣環(huán)中與炮身結(jié)合，以此來解決結(jié)合縫隙處的密封問題。

1 數(shù)學(xué)模型

1.1 質(zhì)量守恒方程

基于質(zhì)量守恒定律，單位時間內(nèi)流出控制體的流體凈質(zhì)量總和等于相同時間間隔下控制體內(nèi)密度的變化而減小的質(zhì)量，由此可以導(dǎo)出流體流動連續(xù)性方程如下：

(1)

式中：V表示流場的控制體；A表示流場的控制面。

1.2 動量守恒方程

動量方程也稱納維葉-斯托克斯(Navier-Stokes)方程，簡稱N-S方程，它的微分表達(dá)式如下：

(2)

式中：Fx、Fy、Fz分別為單位質(zhì)量流體的質(zhì)量力在3個坐標(biāo)上的分量；pxx、pyy、pzz、pyx、pzx、pyz分別為流體內(nèi)部的應(yīng)力分量。

1.3 能量守恒方程

根據(jù)能量守恒定律，微元體中能量的增加率等于進(jìn)入微元體的凈熱流量加上體積力與表面力對微元體所做的功。

(3)

式中：T為溫度;K為傳熱系數(shù);Sw為流體的內(nèi)熱源。

1.4 標(biāo)準(zhǔn)k-ε兩方程

標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型是以k方程為基礎(chǔ)，在結(jié)合湍流動能耗散率ε方程，則可得到標(biāo)準(zhǔn)的k-ε兩方程控制方程為：

Gk+Gb-ρε-YM+φk

(4)

(5)

2 計算模型

圖1所示的左邊是埋頭彈火炮旋轉(zhuǎn)藥室與炮身結(jié)合處的三維半剖視圖，梯形槽閉氣環(huán)裝配在兩者縫隙的出口處。右邊則為所設(shè)計閉氣環(huán)的三維示意圖，在閉氣環(huán)的內(nèi)部加工數(shù)個梯形狀的溝槽，以達(dá)到閉氣的效果。

藥室與炮身相結(jié)合縫隙處的梯形槽閉氣原理如圖2所示，為了降低火藥氣體的泄漏速度及質(zhì)量，在旋轉(zhuǎn)藥室與炮身結(jié)合處套上一個閉氣環(huán)，并在閉氣環(huán)的內(nèi)壁處開梯形溝槽。由于筆者主要是對兩者狹縫處流出的火藥氣體進(jìn)行泄漏質(zhì)量、速度及壓力等研究，故對該部分的結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化，又因為炮身、藥室和閉氣環(huán)都屬于軸對稱結(jié)構(gòu)，所以建立二維軸對稱模型就可以反映整體結(jié)構(gòu)的情況，分別建立有梯形槽的閉氣環(huán)結(jié)構(gòu)和無槽閉氣環(huán)結(jié)構(gòu)的二維模型，并進(jìn)行網(wǎng)格劃分。對于進(jìn)口狹縫段和梯形槽段來說，由于存在斜邊和弧邊，為了方便計算，故采用三角形網(wǎng)格；而上端出口縫隙段形狀為長方形，所以采用四邊形網(wǎng)格便能保證計算結(jié)果。同時考慮到縫隙處的尺寸相對較小，為了保證計算精度和收斂性，同時也為了加快計算步伐，對縫隙處的網(wǎng)格進(jìn)行局部加密處理，即增加局部網(wǎng)格的單元數(shù)量。

針對以上的計算模型，分別采用壓力進(jìn)口、壓力出口以及固壁作為邊界條件。壁面設(shè)定為絕熱，

操作壓力設(shè)為0，入口處的壓力與溫度隨時間變化曲線如圖3所示。

3 計算結(jié)果與分析

圖4～7為壓力云圖和速度矢量圖，均是通過FLUENT軟件進(jìn)行仿真計算得到的。 圖4為不同時刻無槽閉氣環(huán)結(jié)構(gòu)的壓力云圖分布情況。由圖可知t=0.2 ms時氣體開始進(jìn)入環(huán)內(nèi)，出口處壓力無明顯變化。當(dāng)t=0.9 ms時，火藥燃?xì)獠糠诌M(jìn)入了環(huán)內(nèi)，入口至縫隙出口處的壓力逐漸增大，縫隙出口至左右兩端出口的壓力逐漸降低。當(dāng)t=2 ms時火藥已經(jīng)充分燃燒了，入口處的壓力達(dá)到最高?？偟膩碚f，無槽閉氣環(huán)結(jié)構(gòu)在整個閉氣過程中的壓力變化趨勢基本相同，氣體從縫隙進(jìn)入后，由于氣壓較高，會迅速地沖向出口，撞擊閉氣環(huán)內(nèi)部，使壓力在一定程度上降低了。氣體從入口至縫隙出口部分的壓力要遠(yuǎn)高于縫隙出口至閉氣環(huán)出口部分的壓力，故會加速氣體向出口流去。

圖5為梯形槽閉氣環(huán)結(jié)構(gòu)的不同時刻的壓力云圖分布情況，由圖分析可知，當(dāng)t=0.2 ms時火藥燃?xì)忾_始慢慢由縫隙進(jìn)入到梯形槽內(nèi)，入口至梯形槽段壓力很大，梯形槽到出口端壓力無明顯變化。當(dāng)t=0.9 ms時，火藥燃?xì)獠糠诌M(jìn)入了梯形槽內(nèi)，入口至梯形槽處的壓力逐漸增大，梯形槽至左右兩端出口的壓力逐漸降低。當(dāng)t=2 ms時火藥已經(jīng)充分燃燒了，并全部進(jìn)入到4個梯形槽內(nèi)，入口至梯形槽的壓力繼續(xù)增大，每個梯形槽的壓力較前期都有所提高，氣體從第2個槽向兩端出口流去時，每經(jīng)過一個槽壓力就降低一次。

圖6、7分別為無槽和有槽閉氣環(huán)氣體運動的速度矢量圖。如圖6所示，無槽閉氣環(huán)結(jié)構(gòu)在整個氣體流動的過程都比較穩(wěn)定，從縫隙中流出的高速氣體，僅由氣體與閉氣環(huán)內(nèi)壁之間的摩擦阻減了一下氣體流動的速度，便向兩端出口分別流去。再由圖7可看出，泄漏的氣體從縫隙中直接沖入到梯形槽內(nèi)，并迅速膨脹形成了兩個方向的渦流，從而增加了氣體阻力，減小氣體的流動速度，由于氣體每經(jīng)過一個梯形槽就膨脹形成一次渦流，所以氣體往出口方向流去的速度越來越小，也就是在一定時間內(nèi)減少了火藥燃?xì)獾男孤┝俊?圖8表示的是入口質(zhì)量流率隨時間變化的曲線圖。

由圖8可以看出，無槽閉氣環(huán)結(jié)構(gòu)的入口質(zhì)量流率在前期與梯形槽閉氣環(huán)結(jié)構(gòu)基本相同，后期無槽閉氣環(huán)結(jié)構(gòu)的入口質(zhì)量流率要更高些。這是由于梯形槽閉氣環(huán)結(jié)構(gòu)控制住了氣體的流動速度，減小縫隙前后端的壓差，使得火藥燃?xì)馔ㄟ^縫隙泄漏的質(zhì)量減小。

圖9～11表示的是左、右兩個出口的質(zhì)量流率隨時間變化的曲線圖。通過圖9～11則可以看出梯形槽閉氣環(huán)結(jié)構(gòu)相對于無槽閉氣環(huán)結(jié)構(gòu)出口質(zhì)量流率有較明顯的降低，而且右端出口要比左端出口低些，說明梯形槽能夠讓流動的氣體降低流速，從而起到了阻礙氣體質(zhì)量泄漏的作用。

4 結(jié)論

筆者運用流體力學(xué)理論，利用FLUENT軟件對埋頭彈火炮發(fā)射過程中炮身與旋轉(zhuǎn)藥室結(jié)合處閉氣環(huán)內(nèi)部流場進(jìn)行計算研究分析，并對比無槽閉氣環(huán)與梯形槽閉氣環(huán)這兩種結(jié)構(gòu)的壓力云圖、流速和質(zhì)量流率的情況。通過結(jié)果可以看出，梯形槽閉氣環(huán)結(jié)構(gòu)可以讓氣體在槽內(nèi)形成渦流，從而減小氣體流出的速度，再結(jié)合整個過程中的壓力及泄漏氣體的質(zhì)量流率對比結(jié)果，說明該梯形槽閉氣環(huán)結(jié)構(gòu)可以有效地減少埋頭彈火炮發(fā)射過程中火藥燃?xì)獾男孤?，起到了密封的作用，保證了發(fā)射性能。結(jié)構(gòu)改進(jìn)后有效地減小了活動藥室和身管結(jié)合處的氣體泄漏量，保證了內(nèi)彈道的一致性，提高了射擊的精度。該密封方法簡便實用，無需復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。為今后埋頭彈火炮旋轉(zhuǎn)藥室處的密封裝置研究提供一種理論的指導(dǎo)。

References)

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