測壓裝置外形對沖擊波測試特性的影響及分析*

葛 竹,馬鐵華,杜紅棉,任小軍

(1 中北大學(xué)電子測試技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,太原 030051;2 儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,太原 030051)

0 引言

沖擊波是一種強(qiáng)烈的壓縮波,作為評估戰(zhàn)斗部毀傷威力的重要技術(shù)指標(biāo),其參數(shù)的準(zhǔn)確測量直接影響戰(zhàn)斗部毀傷威力的評估精度[1-2]。目前沖擊波超壓測試主要依托于壓力傳感器來實(shí)現(xiàn),有時需要將壓力傳感器安裝在一定形狀的測壓裝置上,或者有些傳感器自身就具有獨(dú)特的幾何形狀,目前筆式、桿式和盤式測壓裝置都有著廣泛的應(yīng)用[3-5]。不論何種測壓裝置置于沖擊波場中,都會改變沖擊波波陣面的流動性,也必然會對沖擊波超壓測試造成一定的影響。

目前數(shù)值模擬方法已經(jīng)成為流體力學(xué)必不可少的研究工具,針對激波的流動仿真問題,國內(nèi)外已有一些研究[6-8]。在此啟發(fā)下,文中使用Fluent軟件模擬激波流場,對筆式、桿式和盤式3種測壓裝置在激波管這一校準(zhǔn)裝置內(nèi)的氣體流場進(jìn)行了仿真,研究其對沖擊波測試特性的影響,并通過相關(guān)沖擊波超壓實(shí)測試驗(yàn)來驗(yàn)證仿真結(jié)果。對比分析不同測壓裝置對沖擊波測試特性的影響程度,旨在為選擇何種形狀的測壓裝置作為沖擊波測試工具提供可靠依據(jù),從而提高沖擊波測試的準(zhǔn)確性。

1 測壓裝置結(jié)構(gòu)及數(shù)值模擬模型

1.1 測壓裝置結(jié)構(gòu)

文中選擇美國PCB公司的筆式137A24型、桿式113A小型及對稱雙楔形(也稱盤式)3種不同形狀的測壓裝置置于激波管內(nèi)進(jìn)行氣體流場仿真。如圖1為3種測壓裝置結(jié)構(gòu)的尺寸圖,圖2為3種測壓裝置的實(shí)物圖。

圖1 3種測壓裝置結(jié)構(gòu)的尺寸圖

圖2 3種測壓裝置的實(shí)物圖

圖5 筆式測壓裝置在激波管內(nèi)的動態(tài)壓力云圖

1.2 數(shù)值模擬模型

激波管是目前應(yīng)用最為廣泛的動態(tài)校準(zhǔn)裝置之一[9-10],文中(使用Gambit軟件)首先對激波管內(nèi)部流場進(jìn)行建模。Fluent基本控制方程涉及質(zhì)量守恒、動量守恒和能量守恒方程;湍流模型選擇standard k-e模型,邊界條件設(shè)為壁面邊界;求解器中壓力、密度、動量代數(shù)方程使用二階迎風(fēng)格式,其它為一階。計算區(qū)域分別為高壓區(qū)(驅(qū)動管)6 m、低壓區(qū)(被驅(qū)動管)14 m,低壓區(qū)初始壓力設(shè)為一個大氣壓(101.325 kPa),高壓區(qū)充以50個大氣壓,則初始壓力比為50,激波管內(nèi)徑為200 mm,溫度設(shè)為300 K。劃分網(wǎng)格時長度方向?yàn)? mm/格,寬度為1 mm/格,加密因子為1.05,因此筆式、桿式和盤式3種結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格數(shù)量分別為:111 342、14 588、97 143。

筆式和桿式結(jié)構(gòu)安裝在激波管低壓區(qū)的底端,筆式結(jié)構(gòu)測的是掠入式超壓,桿式結(jié)構(gòu)測壓敏感面與低壓區(qū)底端齊平,故測的是反射式超壓。仿真過程中在底端設(shè)定監(jiān)測點(diǎn)即可得到其流場變化情況,因此此處省略了桿式結(jié)構(gòu)的安裝示意圖。盤式結(jié)構(gòu)安裝在激波管低壓區(qū)的側(cè)壁面,測的是掠入式超壓。筆式和盤式結(jié)構(gòu)在激波管中的安裝示意圖如圖3和4所示。

圖3 筆式結(jié)構(gòu)在激波管中的安裝示意圖

圖4 盤式結(jié)構(gòu)在激波管中的安裝示意圖

2 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

圖6 桿式測壓裝置在激波管內(nèi)的動態(tài)壓力云圖

開始仿真過程,時間步長為10-4s,迭代1 000步后得到穩(wěn)態(tài)求解。高低壓區(qū)直接用patch命令賦予壓力值,中間的膜片瞬時撤掉,達(dá)到理想全破膜情況,高壓區(qū)的高壓氣體會迅速向低壓區(qū)流入,觀察激波在激波管內(nèi)壓力變化。如圖5、圖6、圖7分別為筆式、桿式和盤式3種測壓裝置在激波管內(nèi)的流場變化情況。

圖7 盤式測壓裝置在激波管內(nèi)的動態(tài)壓力云圖

在圖5、圖6、圖7中紅色部分為高壓區(qū),藍(lán)色部分為低壓區(qū),破膜后產(chǎn)生瞬時高壓,高壓氣體向低壓區(qū)迅速傳播,0.01 s后形成較為平整的波陣面,體現(xiàn)在圖中的綠色部分。入射激波到達(dá)低壓區(qū)底端時,產(chǎn)生反射。由圖5所示的動態(tài)壓力云圖可以看出,由于筆式測壓裝置安裝在激波管內(nèi)部中間,會對入射激波產(chǎn)生一定的阻礙作用,使得監(jiān)測的壓力變化稍落后于流場的膨脹過程。圖7中盤式測壓裝置由于其獨(dú)特的T型結(jié)構(gòu)與安裝方式,對流場膨脹過程的阻礙作用較大,造成裝置周圍的流場變化梯度也較大,裝置左右兩側(cè)的壓差也較大。桿式測壓裝置測壓敏感面與低壓區(qū)底端安裝齊平,圖6中監(jiān)測的壓力變化與流場變化一致,且比較有序。由仿真結(jié)果綜合比較可知,桿式測壓裝置測量反射式超壓較好,筆式測壓裝置相對于盤式測壓裝置對流場膨脹過程的阻礙作用小,故使用筆式測壓裝置測量掠入式超壓準(zhǔn)確性更高。

3 沖擊波超壓實(shí)測試驗(yàn)

為了驗(yàn)證上述數(shù)值模擬方法對激波流場的仿真結(jié)果,選取了某次戰(zhàn)斗部爆炸沖擊波超壓實(shí)測試驗(yàn)進(jìn)行對比。該次試驗(yàn)爆炸源為400 kgTNT當(dāng)量的戰(zhàn)斗部,爆高1.2 m,在爆距為23 m的圓弧上分別布置筆式、桿式和盤式測壓裝置,保持爆心與裝置同高,以保證測量的準(zhǔn)確性,其中桿式測壓裝置測壓敏感面正對戰(zhàn)斗部,測量的是反射式超壓,筆式和盤式測壓裝置測量的是掠入式超壓,裝置另一端接采集電路,采用中北大學(xué)自主研制的小型專用存儲式記錄儀。試驗(yàn)現(xiàn)場如圖8所示。該次試驗(yàn)中3種測壓裝置測得的沖擊波超壓曲線如圖9所示。

根據(jù)試驗(yàn)所測超壓曲線,將3種測壓裝置測得的沖擊波峰值壓力對比如表1所示。

表1 3種測壓裝置測得的沖擊波壓力對比

圖8 沖擊波超壓試驗(yàn)現(xiàn)場

圖9 3種測壓裝置測得的沖擊波超壓曲線

通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比可以得到,桿式測壓裝置測得的峰值壓力比理論值略高,高出10%左右,而理論值是根據(jù)峰值經(jīng)驗(yàn)公式計算所得,也存在一定誤差,所以用桿式測壓裝置測量反射式超壓比較準(zhǔn)確,能符合沖擊波測試的要求和精度。筆式和盤式測壓裝置測得的峰值壓力比理論值略低,原因是這兩種結(jié)構(gòu)阻礙了沖擊波的正常傳播,從而使峰值壓力減小。筆式的低5.6%,盤式的低20%,說明筆式的阻礙作用比盤式的小,用筆式測壓裝置測量掠入式超壓更接近真實(shí)值,更為準(zhǔn)確。試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果一致,驗(yàn)證了仿真的正確性,說明用激波管模擬仿真不同形狀的測壓裝置對沖擊波測試特性的影響是可行的。

4 結(jié)束語

文中將筆式、桿式和盤式3種不同形狀的測壓裝置對沖擊波測試特性的影響進(jìn)行比較,通過數(shù)值模擬仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證,得出筆式和盤式測壓裝置均會阻礙沖擊波流場膨脹過程,但筆式測壓裝置的阻礙作用小,因此用筆式測壓裝置測量掠入式超壓效果更好,更為準(zhǔn)確。現(xiàn)階段這3種形狀的測壓裝置在沖擊波測試中都得到了廣泛應(yīng)用,測量誤差大小不一。在之后的沖擊波測試試驗(yàn)中,同等試驗(yàn)條件下優(yōu)先使用筆式測壓裝置測量掠入式超壓,從而提高沖擊波測試的準(zhǔn)確性。