圓柱形膛口裝置對(duì)膛口流場(chǎng)的影響研究

張文濤,楊 臻,徐 健,王國(guó)強(qiáng)

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

0 引言

膛口裝置是安裝在武器膛口,利用后效期火藥燃?xì)饽芰繉?duì)槍炮產(chǎn)生一定作用的能量轉(zhuǎn)換裝置。不同的膛口裝置對(duì)膛口流場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生不同的影響,根據(jù)武器不同的需求,采取不同的膛口裝置以達(dá)到想要的結(jié)果。在精密工作環(huán)境下,需要降低膛口流場(chǎng)對(duì)于周圍環(huán)境的影響,以避免對(duì)槍口附近設(shè)備產(chǎn)生損壞。

隨著科技的發(fā)展,越來越多的學(xué)者開始使用數(shù)值模擬進(jìn)行膛口流場(chǎng)的仿真與分析,膛口裝置以及膛口流場(chǎng)也得到了充分的發(fā)展。國(guó)內(nèi)外已經(jīng)對(duì)膛口流場(chǎng)進(jìn)行了相關(guān)的試驗(yàn)和研究[1-6]。張輝等[7]利用軸對(duì)稱Euler方程組和TVD有限體積法對(duì)膛口流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬,反映了膛口流場(chǎng)的主要特征與波系的相互作用。代淑蘭等[8]采用三維非定常方程組對(duì)帶制退器的彈丸膛口燃燒流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬,描述了膛口流場(chǎng)的發(fā)展過程結(jié)構(gòu)和性質(zhì)及彈丸與流場(chǎng)的相互影響。周鵬等[9]利用非定?？蓧嚎s流動(dòng)的N-S方程和S-A湍流方程,對(duì)彈丸在氣室高壓氣體下的運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其流場(chǎng)特性進(jìn)行了仿真,得到了膛口流場(chǎng)波動(dòng)性以及近似拋物線的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。學(xué)者對(duì)帶有航炮的吊艙進(jìn)行了數(shù)值模擬,分析了吊艙航炮膛口流場(chǎng),使用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)進(jìn)行仿真,結(jié)果表明,使用偏流裝置后能明顯降低火藥氣體對(duì)飛機(jī)的不利影響[10-12]。湯傲等[13]分析了小口徑尾翼彈飛出膛口及尾翼張開膛口流場(chǎng),研究了不同初始偏角下彈丸所受力和位移。薛斌等[14]設(shè)計(jì)一款多功能膛口裝置,具有良好的隱蔽性,并用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證可行性。王仲軍等[15]針對(duì)火炮射擊時(shí)的振動(dòng)問題,設(shè)計(jì)了4種膛口裝置,通過仿真結(jié)果對(duì)比分析了降壓效果。

各位學(xué)者相繼研究膛口裝置以及對(duì)膛口流場(chǎng)的影響,對(duì)設(shè)計(jì)膛口裝置提供了巨大的幫助,作者在基于各位學(xué)者研究的基礎(chǔ)上,對(duì)實(shí)際設(shè)計(jì)膛口裝置進(jìn)行了更為細(xì)致的研究。本文中基于7.62 mm武器條件下,通過改變圓柱形膛口裝置的設(shè)計(jì),通過分析膛口流場(chǎng)以及數(shù)據(jù),為設(shè)計(jì)圓柱形膛口裝置,提供了一定的參考。

1 數(shù)值模擬

實(shí)際工程中想要進(jìn)行膛口具體設(shè)計(jì)研究,需要加工多次膛口裝置,并需要控制無(wú)關(guān)變量進(jìn)行試驗(yàn)。數(shù)值模擬能很好的降低工程的工作量,對(duì)工程加工具有指導(dǎo)性的作用。作者采用CFD軟件Fluent軟件中進(jìn)行數(shù)值模擬,運(yùn)用重疊網(wǎng)格結(jié)合動(dòng)網(wǎng)格技術(shù),對(duì)膛口流場(chǎng)進(jìn)行仿真分析。

1.1 基本假設(shè)

基于流體力學(xué)的連續(xù)介質(zhì)假設(shè):流體是由無(wú)數(shù)個(gè)質(zhì)點(diǎn)組成,它們?cè)谌魏吻闆r下均無(wú)空隙地充滿著所占據(jù)的空間。提出關(guān)于膛口流場(chǎng)的4個(gè)假設(shè):

1) 由于膛口流場(chǎng)的復(fù)雜性以及劇烈的化學(xué)反應(yīng)的多樣性,假設(shè)膛口內(nèi)空氣和外部空氣全部為理想氣體。

2) 主要觀測(cè)膛口流場(chǎng)對(duì)出膛口后附近環(huán)境的影響,因此假設(shè)膛口火藥氣體形成的射流沿軸向運(yùn)動(dòng)。

3) 不考慮初始流場(chǎng)和氣體中的傳熱現(xiàn)象。

4) 假設(shè)彈丸速度不受到外界環(huán)境的影響,即速度無(wú)衰減且?guī)в新菪\(yùn)動(dòng)。

1.2 Realizable k-ε模型

該模型比起標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型有2個(gè)主要的不同點(diǎn):

1) Realizablek-ε模型為湍流黏性增加了一個(gè)公式。

2) 為耗散率增加了新的傳輸方程。

引入Boussinesq的線性渦黏假設(shè),雷諾應(yīng)力表達(dá)式為

2 模型設(shè)置

2.1 幾何模型

模型研究采用7.62 mm武器,主要關(guān)注膛口流場(chǎng)的形式,采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格以及重疊網(wǎng)格的方法,為方便后續(xù)網(wǎng)格的劃分,對(duì)彈頭模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化,并對(duì)彈頭子域進(jìn)行匹配彈頭外形的改動(dòng),以便于降低孤立單元的出現(xiàn),簡(jiǎn)化彈頭示意圖如圖1所示。具體尺寸如表1所示。

圖1 彈頭簡(jiǎn)化幾何模型示意圖

2.2 計(jì)算區(qū)域

將彈丸出身管作為初始位置,加密彈丸運(yùn)動(dòng)區(qū)域,用來觀測(cè)流場(chǎng)。相關(guān)模型基礎(chǔ)尺寸如表1所示。

表1 模型的基礎(chǔ)尺寸設(shè)置

2.3 繪制網(wǎng)格

動(dòng)網(wǎng)格采取重疊網(wǎng)格的方法,對(duì)網(wǎng)格的質(zhì)量要求比較高,所有的區(qū)域需要采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。采用icem繪制彈頭網(wǎng)格,不斷調(diào)整節(jié)點(diǎn)數(shù)量以及加密層高度,以提高網(wǎng)格質(zhì)量。繪制彈頭網(wǎng)格總計(jì)26 865個(gè),最低質(zhì)量為0.528 011,滿足結(jié)構(gòu)化重疊網(wǎng)格的需求,彈頭子域如圖2所示。

圖2 icem繪制的彈頭子域

以加密運(yùn)動(dòng)域?yàn)橹丿B網(wǎng)格背景域,選擇合適的網(wǎng)格尺寸,繪制運(yùn)動(dòng)區(qū)域網(wǎng)格并進(jìn)行加密。外域全部采用結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格,并設(shè)置監(jiān)視點(diǎn),監(jiān)視溫度以及壓力數(shù)據(jù),用以觀察各個(gè)位置上的壓力和速度變化?？傆?jì) 2 048 381 個(gè)結(jié)構(gòu)網(wǎng)格,控制網(wǎng)格質(zhì)量均在0.8以上。

2.4 模型設(shè)置

將彈丸底部離開膛口、火藥氣體向外流出的時(shí)刻,即內(nèi)彈道結(jié)束時(shí)刻作為模型初始給予條件,采用內(nèi)彈道程序和龍格-庫(kù)塔法進(jìn)行計(jì)算膛內(nèi)壓力以及彈丸速度等初始設(shè)置條件,膛內(nèi)壓力曲線和彈頭速度曲線如圖3、圖4所示。根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知,膛內(nèi)最大壓力Pm為235.36 MPa,彈丸出膛口時(shí)膛內(nèi)平均壓力Pa為101.4 MPa,彈丸出膛口速度vg為868.07 m/s,彈丸旋轉(zhuǎn)角速度wg為577.48 rad/s。

圖3 膛內(nèi)壓力隨時(shí)間變化曲線

圖4 膛內(nèi)彈頭速度隨時(shí)間變化曲線

2.5 對(duì)比工況設(shè)置

通過更改膛口裝置的直徑以及長(zhǎng)度,來改變膛口裝置的設(shè)計(jì)。在保持膛口裝置厚度不變的情況下,設(shè)置膛口裝置的直徑為槍口直徑的倍數(shù),設(shè)置膛口直徑的長(zhǎng)度為10 mm的倍數(shù)。將沒有膛口裝置的工況命名為GK0,對(duì)比工況命名情況如表2所示。

表2 工況命名

繪制各個(gè)工況的網(wǎng)格,設(shè)置在相同初始條件下的仿真計(jì)算。

3 仿真結(jié)果

3.1 無(wú)膛口裝置壓力和速度流場(chǎng)

由圖5可知,彈丸在出膛口具有較好的外部流場(chǎng)特征,能夠完整的體現(xiàn)初始沖擊波、初始瓶狀激波、馬赫盤和三波點(diǎn),膛口附近的渦流也在不斷的變大并向側(cè)前方運(yùn)動(dòng),符合實(shí)際運(yùn)動(dòng)情況。

3.2 膛口裝置速度流場(chǎng)

選取當(dāng)t=7×10-5s時(shí),即t=70 μs時(shí),此刻彈丸運(yùn)動(dòng)了0.061 m,馬赫盤已經(jīng)完整出現(xiàn),選取此時(shí)刻進(jìn)行速度流場(chǎng)對(duì)比。不同膛口裝置速度等值線圖見圖6。

圖5 無(wú)膛口裝置壓力和速度流場(chǎng)

在膛口裝置直徑相同的情況下,膛口裝置的長(zhǎng)度決定著膛口氣流馬赫盤的大小,膛口裝置越長(zhǎng),膛口氣流所形成的馬赫盤越小。當(dāng)膛口裝置的長(zhǎng)度不足以使膛口氣流在膛口裝置內(nèi)擴(kuò)張一次時(shí),隨著膛口裝置直徑的增加,會(huì)破壞原本較為規(guī)則的膛口氣流馬赫盤,反而使周圍環(huán)境受到更加強(qiáng)烈的影響。當(dāng)膛口裝置能夠使膛口氣流進(jìn)行一次擴(kuò)張時(shí),膛口裝置長(zhǎng)度不變,隨著膛口裝置直徑的增大,膛口氣流擴(kuò)張效果越好,對(duì)周圍環(huán)境影響越小。

4 結(jié)果分析

膛口裝置對(duì)周圍環(huán)境的影響,在溫度上體現(xiàn)最為直觀,選取合適的監(jiān)視點(diǎn),提取數(shù)據(jù),進(jìn)行比較分析,并將穩(wěn)定峰值作為判定的依據(jù)。

4.1 同長(zhǎng)度情況下溫度-時(shí)間曲線對(duì)比

在膛口裝置長(zhǎng)度一定的情況下,對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理,得到關(guān)于溫度的對(duì)比圖,截取時(shí)間為0～0.3 ms內(nèi),如圖7所示。

在無(wú)膛口裝置時(shí),監(jiān)視點(diǎn)溫度峰值出現(xiàn)在98 μs,最高溫度可達(dá)到795.17 K。根據(jù)圖7(a)可以看出在長(zhǎng)度均為10 mm的情況下,隨著膛口裝置的直徑增加,監(jiān)視點(diǎn)溫度峰值會(huì)隨之下降,時(shí)間也會(huì)提前,工況C1具有稍微的降低溫度的作用,峰值溫度580.31 K,出現(xiàn)時(shí)間為51 μs。根據(jù)圖7(b)可以看出在長(zhǎng)度均20 mm的情況下,隨著膛口裝置直徑的增加,監(jiān)視點(diǎn)溫度峰值反而會(huì)出現(xiàn)上升的趨勢(shì),出現(xiàn)的時(shí)間會(huì)推后,工況A2具有良好的降低溫度的作用,溫度峰值443.33 K,出現(xiàn)時(shí)間為68 μs。根據(jù)圖7(c)可以看出在長(zhǎng)度均為30 mm的情況下,隨著膛口裝置直徑的增加,監(jiān)視點(diǎn)溫度峰值逐漸上升,峰值出現(xiàn)的時(shí)間也會(huì)隨之延長(zhǎng),工況A3與工況B3均具有良好的降溫功能,溫度峰值分別為373.95 K和378.55 K,峰值時(shí)間均為61 μs。根據(jù)圖7(d)可以看出在長(zhǎng)度均為40 mm的情況下,隨著膛口裝置直徑的增加,監(jiān)視點(diǎn)的溫度峰值變化趨于穩(wěn)定,出現(xiàn)的時(shí)間也比較相近,工況A4、B4、C4的溫度峰值為336.91、340.01、336.68 K,出現(xiàn)溫度峰值的時(shí)間為74、72、70 μs。

4.2 同直徑情況下溫度-時(shí)間曲線對(duì)比

在膛口裝置直徑一定的情況下,對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理,得到關(guān)于溫度的對(duì)比圖,截取時(shí)間為0～0.3 ms內(nèi),如圖8所示。

圖7 同長(zhǎng)度膛口裝置與無(wú)膛口裝置溫度對(duì)比

圖8 同直徑膛口裝置與無(wú)膛口裝置溫度對(duì)比

根據(jù)圖8(a)可以看出在直徑均為15.24 mm的情況下,隨著膛口裝置的長(zhǎng)度增加,監(jiān)視點(diǎn)溫度峰值會(huì)隨之下降,相對(duì)于無(wú)膛口裝置的時(shí)間也會(huì)提前,工況A4具有良好降低溫度的作用,峰值溫度336.91 K,出現(xiàn)時(shí)間為74 μs。根據(jù)圖8(b)可以看出在直徑均為22.68 mm的情況下,隨著膛口裝置的長(zhǎng)度增加,監(jiān)視點(diǎn)溫度峰值會(huì)隨之下降,相對(duì)于無(wú)膛口裝置的時(shí)間也會(huì)提前,工況B4具有良好降低溫度的作用,峰值溫度340.01 K,出現(xiàn)時(shí)間為72 μs。根據(jù)圖8(c)可以看出在直徑均為30.48 mm的情況下,隨著膛口裝置的長(zhǎng)度增加,監(jiān)視點(diǎn)溫度峰值會(huì)隨之下降,相對(duì)于無(wú)膛口裝置的時(shí)間也會(huì)提前,工況C4具有良好降低溫度的作用,峰值溫度336.68 K,出現(xiàn)時(shí)間為70 μs。

4.3 數(shù)據(jù)分析對(duì)比

綜合對(duì)比分析,決定氣體在膛口裝置的擴(kuò)張程度不僅僅是由單一因素影響的,將膛口裝置的長(zhǎng)度與直徑轉(zhuǎn)化為長(zhǎng)徑比,分析峰值及其抑制效果得到表5。

表5 膛口裝置長(zhǎng)徑比與溫度峰值

將工況長(zhǎng)徑比與溫度峰值繪圖得到圖9。

以無(wú)膛口裝置為基準(zhǔn),當(dāng)膛口裝置長(zhǎng)徑比小于0.65時(shí),膛口裝置并不能起到良好的作用;當(dāng)長(zhǎng)徑比等于0.65時(shí),膛口裝置甚至不能發(fā)揮作用;當(dāng)膛口裝置長(zhǎng)徑比大于1時(shí),能夠很好的讓膛內(nèi)氣體一次擴(kuò)張,使得膛內(nèi)氣體流出膛口裝置時(shí),膛口溫度峰值降低了40%以上;當(dāng)長(zhǎng)徑比大于1以后,在相同的長(zhǎng)徑比下,膛口裝置等比例尺寸越大,效果越好。

圖9 膛口裝置長(zhǎng)徑比與峰值溫度曲線

5 結(jié)論

本文中基于有限元分析仿真法研究了某武器膛口裝置的膛口流場(chǎng),通過更改膛口裝置的設(shè)計(jì),降低了后效期燃?xì)鈱?duì)槍口周圍的影響。

圓柱形膛口裝置對(duì)膛口流場(chǎng)的影響,是由該膛口裝置的長(zhǎng)徑比所決定。當(dāng)長(zhǎng)徑比小于1時(shí),膛口裝置并不能很好的發(fā)揮作用;當(dāng)長(zhǎng)徑比等于0.65時(shí),膛口裝置甚至不能發(fā)揮作用;當(dāng)膛口裝置長(zhǎng)徑比為1時(shí),膛口裝置能抑制40%以上的效果;當(dāng)長(zhǎng)徑比大于1以后,在相同的長(zhǎng)徑比下,膛口裝置等比例尺寸越大,效果越好。

膛口裝置設(shè)計(jì)仍有較大的改進(jìn)空間,下一步研究可以在此基礎(chǔ)上優(yōu)化提升。