基于激波機理的抗式消聲器設計與試驗研究

田亞鋒，范天峰，孫耀東，檀 虎，寇 鈺，樊 赫

(西北機電工程研究所，陜西 咸陽 712099)

末端防空高炮可對付多種目標和導彈,具有系統(tǒng)反應時間短、火力猛、精度高、近程毀殲概率高等優(yōu)點[1]，可伴隨輕型高機動部隊快速全域機動，擔負伴隨掩護任務，承擔抗擊敵低空、超低空空襲兵器的任務，但現(xiàn)役末端防空高炮其射擊產(chǎn)生的噪音具有幅值高、頻域?qū)挼忍攸c，易于被低空聲光復合探測預警系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)，難以適應隱形化技術要求。筆者基于激波消聲機理，采用仿真分析結(jié)合試驗研究[2]的方法，完成了一種炮口消聲裝置的設計，以適應新軍事變革要求，在未來戰(zhàn)斗中獲得主動,能夠?qū)崿F(xiàn)自身隱身的同時,及時、準確地摧毀來襲目標。

1 光膛口炮口噪聲試驗研究

1.1 試驗設計

通過測試一定位置的沖擊波壓力值，進而換算成聲強值，得出不同位置的噪聲大??；試驗現(xiàn)場布置示意如圖1所示，A點為距炮口5 m選定的測試點、B點為距炮口436 m選定的測試點，且在兩點均布置有聲場特性測試系統(tǒng)。

A點聲場特性測試系統(tǒng)由沖擊波傳感器、數(shù)據(jù)采集器組成，主要用于采集A點處沖擊波數(shù)值。沖擊波值測試數(shù)據(jù)采用數(shù)據(jù)采集儀進行實時記錄；數(shù)據(jù)處理讀取沖擊波的峰值及對應時間，計算出聲強值。B點聲場特性測試系統(tǒng)由麥克風、動態(tài)信號采集模塊和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)組成。

1.2 試驗結(jié)果和分析

在光膛口狀態(tài)下，進行了單發(fā)射擊試驗，試驗射彈5發(fā)，A點處噪聲均值為181.7 dB，B點處噪聲均值為111.9 dB，噪聲波形衰減曲線如圖2所示。

根據(jù)光膛口試驗工況，利用Gambit軟件和Fluent軟件[3]對火炮光膛口的炮口流場進行了數(shù)值模擬，分析流場結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生、穩(wěn)定和衰減的過程。在此過程中，射流角在射流產(chǎn)生的初期迅速擴張到最大，然后隨射流強度的減弱而慢慢減小，側(cè)噴射流角的減小使得射流影響區(qū)域主要集中在炮口正前方，在身管側(cè)后方區(qū)域射流影響則較小。圖3、4給出了不同時刻的壓力和溫度等值線圖。

2 激波消聲機理

激波炮口消聲器通過使火藥燃氣在消聲裝置中產(chǎn)生激波而損失能量，達到降低炮口壓力，實現(xiàn)降低炮口噪聲的目的。由于激波層內(nèi)存在很大的速度梯度和溫度梯度，因此粘性與熱傳導的作用不能忽略，由摩擦使氣流的機械能耗散并轉(zhuǎn)化為熱能，同時伴有不可逆的傳熱過程，總能量沒有損失，總溫度保持不變，由于部分機械能轉(zhuǎn)化為熱能，導致氣流的總壓降低。炮口噪聲聲壓級計算模型如下：

聲壓級定義為取待測聲壓值P與參考聲壓值P0比值的常用對數(shù)的20倍，即：

(1)

待測聲壓值P指在時間范圍內(nèi)瞬時聲壓的平方根為有效聲壓，即：

(2)

式中：T為壓縮時間，s；P1為瞬時聲壓，Pa.

3 消聲器結(jié)構(gòu)設計

基于抗式消聲器模型，在理論分析的基礎上，確定消聲裝置的結(jié)構(gòu)形式。消聲裝置主要由消聲裝置接口和12個壁厚不均的消聲腔室組成[4]。消聲裝置接口以及各個消聲腔室通過焊縫連接；消聲裝置接口與35 mm自動機出彈口處螺紋連接，置于炮口前端；消聲裝置中間設計光孔，直徑為Φ50 mm和Φ75 mm兩種，作為彈丸飛行通道。Φ50 mm結(jié)構(gòu)模型如圖5所示。

4 仿真計算分析

建立仿真計算模型，如圖6所示，采用Fluent軟件對建立的兩種光孔直徑方案的膛口流場進行數(shù)值模擬，采用ANSYS WORKBENCH并且對消聲器進行了準靜態(tài)強度計算校核[5]。

4.1 仿真計算數(shù)學模型

4.1.1 控制方程

由于身管內(nèi)部結(jié)構(gòu)為軸對稱形狀，為提高計算效率，采用二維軸對稱模型。忽略化學反應和多相流的影響，非定常可壓縮理想氣體的方程滿足：

(3)

式中：U=[ρ,ρu,ρv,ρE]T；F=[ρu,(ρu2+p),ρuv,(ρE+p)u]T；G=[ρv,ρuv,(ρv2+p),(ρE+p)v]T；ρ為氣體密度；u、v、w分別為x、y、z方向的速度分量；E為單位質(zhì)量氣體的總能量：

(4)

式中，r為理想氣體絕熱指數(shù)。

理想氣體的狀態(tài)方程為

p=ρRT，

(5)

式中,R為通用氣體常數(shù)。

方程(3)～(5)組成了封閉的方程組。

4.1.2 計算模型

采用有限體積法，時間推進采用二階Runge-Kutta法，對流項選用能在較大馬赫數(shù)下提高對激波等間斷面捕捉效率的AUSM格式求解，湍流模型采用S-A湍流模型。

4.1.3 邊界條件

筆者將身管簡化成為圓管形半封閉容器，對于此算例將計算分成兩部分A和B，其中A表示膛內(nèi)區(qū)域，膛內(nèi)高溫高壓火藥燃氣采用局部初始流場，B表示膛外區(qū)域。如圖7所示。

4.2 仿真計算結(jié)果分析

4.2.1 中間光孔大小對消聲效果的影響

根據(jù)建立的計算模型，對Φ50 mm和Φ75 mm兩種光孔大小的消聲器設計檢測面和炮口周圍檢測點，機構(gòu)示意圖和檢測面如圖8所示。

炮口周圍檢測點的位置如圖9所示。

計算了兩種消聲器各壁面所受壓力隨時間變化曲線，受幅面限制，只繪制了部分壁面受力曲線，如圖10所示。

從圖10可以看出，當中央光孔擴大時，在同一監(jiān)測點，炮口壓力隨著距離的衰減很慢，Φ75 mm消聲器炮口氣流壓力遠大于Φ50 mm消聲器模型，根據(jù)聲壓級計算模型得出消聲效果不如Φ50 mm消聲器模型。

兩種模型在r=1 m處檢測點的最大壓力值，如表1所示。

表1 r=1 m時兩種模型各點處的壓力值 單位：kPa

從表1中可以看出，與Φ50 mm模型對比，Φ75 mm模型檢測點的壓力均有不同程度的增大。壓力最大增幅點為r=1 m，角度θ=45°處，增幅44%；當角度θ≥90°時，由于大氣壓的原因，其增幅越來越小。

4.2.2 消聲器準靜態(tài)強度計算

消聲器裝置材料選用牌號為12Cr2Ni4，屈服極限836 MPa[6].以Φ50 mm消聲器模型為算例，約束消聲器與身管連接部分軸向自由度。經(jīng)有限元分析計算，消聲器第一腔室最大應力為807 MPa，如圖11所示，得出選用的材料能夠滿足強度要求。

5 試驗驗證

5.1 A點聲場特性

A點聲場位置為距炮口右前方5 m處，角度45°，多次射擊后測得沖擊波如表2所示。可以看出，炮口安裝Φ75 mm消聲裝置之后，噪聲在175.9～179.7 dB之間波動；安裝Φ50 mm消聲裝置之后，噪聲系數(shù)在161.5～162.4 dB之間波動。

表2 A點沖擊波數(shù)值 單位：dB

5.2 B點聲場特性

B點聲場位置為設備距離炮口右前436 m，角度大約30°，試驗共計測試10組，噪聲等級如表3所示?？梢钥闯觯诳诎惭bΦ75 mm消聲裝置之后，噪聲在109.1～114.2 dB之間波動；安裝Φ50 mm消聲裝置之后，噪聲系數(shù)在92.1～94.7 dB之間波動。

表3 B點噪聲等級 單位：dB

結(jié)合光膛口炮口噪聲試驗研究，以及上述試驗結(jié)果，經(jīng)過對比，炮口右前5 m處噪聲，炮口安裝消聲裝置(內(nèi)徑Φ50 mm)噪聲系數(shù)下降19.76 dB；炮口右前436 m處噪聲測試噪聲，炮口安裝消聲裝置(內(nèi)徑Φ50 mm)噪聲大約降低18.34 dB左右。

6 結(jié)論

筆者以試驗研究結(jié)合數(shù)值模擬仿真，以激波消聲機理為基礎，開展了抗式消聲器設計研究,得出以下結(jié)論：

1)與光膛口炮口噪聲對比，安裝消聲器(內(nèi)徑Φ50 mm)后，炮口噪聲以及436 m位置處的噪聲降低了18.34 dB，具有顯著的降噪效果。

2)根據(jù)仿真數(shù)據(jù)以及試驗結(jié)果,消聲器滿足強度要求，能夠承受射擊時炮口壓力的作用，對后續(xù)展開炮口消聲器的研究具有一定的意義。