某內(nèi)能源轉(zhuǎn)管武器導(dǎo)氣裝置氣室流場(chǎng)的數(shù)值模擬

黃 嵐，韓曉明，李 強(qiáng)，譚 慶，徐新奇

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

【火炮和自動(dòng)武器】

某內(nèi)能源轉(zhuǎn)管武器導(dǎo)氣裝置氣室流場(chǎng)的數(shù)值模擬

黃 嵐，韓曉明，李 強(qiáng)，譚 慶，徐新奇

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

為了探究某內(nèi)能源轉(zhuǎn)管武器導(dǎo)氣裝置內(nèi)部流場(chǎng)的情況，本文建立了某內(nèi)能源轉(zhuǎn)管武器導(dǎo)氣裝置氣室流場(chǎng)的物理模型和數(shù)學(xué)模型，利用計(jì)算流體力學(xué)軟件數(shù)值模擬了導(dǎo)氣裝置的氣室流場(chǎng)，得到導(dǎo)氣前、開(kāi)始導(dǎo)氣與結(jié)束導(dǎo)氣三種時(shí)刻下導(dǎo)氣裝置的壓力云圖、溫度云圖以及速度流線圖，總結(jié)其規(guī)律并分析導(dǎo)氣孔處溫度和壓力的情況，為今后內(nèi)能源轉(zhuǎn)管武器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考價(jià)值。

導(dǎo)氣室；氣室流場(chǎng)；數(shù)值模擬；導(dǎo)氣孔；活塞

導(dǎo)氣裝置是利用從身管側(cè)孔導(dǎo)出的部分膛內(nèi)火藥燃?xì)馔苿?dòng)自動(dòng)機(jī)原動(dòng)件工作的裝置。由于導(dǎo)氣裝置氣室壓力對(duì)導(dǎo)氣式自動(dòng)武器的性能有重要影響，許多學(xué)者做出了卓有成效的研究：魏傳禮[1]等對(duì)導(dǎo)氣裝置內(nèi)的火藥壓力特性進(jìn)行了初步的研究；廖振強(qiáng)[2]應(yīng)用氣體動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)理論，研究了內(nèi)能源轉(zhuǎn)管武器噴管氣流的內(nèi)部流場(chǎng)；韓曉明[3]等對(duì)內(nèi)能源轉(zhuǎn)管武器導(dǎo)氣裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)；胡明[4]等分析了內(nèi)能源轉(zhuǎn)管武器導(dǎo)氣裝置對(duì)射速的影響。但內(nèi)能源轉(zhuǎn)管武器的結(jié)構(gòu)較傳統(tǒng)自動(dòng)武器有較大差別，其內(nèi)部流場(chǎng)的變化分布如何影響武器的性能仍有待研究。本文應(yīng)用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件對(duì)某內(nèi)能源轉(zhuǎn)管武器的導(dǎo)氣裝置進(jìn)行了氣室流場(chǎng)的數(shù)值模擬，得到了導(dǎo)氣室內(nèi)壓力的分布情況以及導(dǎo)氣孔處溫度的變化規(guī)律，并分析了這些因素對(duì)內(nèi)能源轉(zhuǎn)管武器的影響，為今后該類武器的研究具有一定的意義。

1 導(dǎo)氣裝置的結(jié)構(gòu)原理

導(dǎo)氣式自動(dòng)機(jī)按其火藥燃?xì)怛?qū)動(dòng)身管組轉(zhuǎn)動(dòng)方式的不同可分為葉輪驅(qū)動(dòng)式和活塞式，活塞式有單向、雙向驅(qū)動(dòng)兩種方式[5]，導(dǎo)氣裝置的結(jié)構(gòu)一般由導(dǎo)氣孔、氣室、活塞和連桿等組成，參見(jiàn)圖1。內(nèi)能源轉(zhuǎn)管武器射擊時(shí)，依次將身管內(nèi)部分火藥燃?xì)鈱?dǎo)出，通過(guò)活塞曲柄連桿機(jī)構(gòu)或者滑塊凸輪機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)氣室內(nèi)的活塞作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，再通過(guò)凸輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)轉(zhuǎn)管武器的行星體和身管組旋轉(zhuǎn)，并傳動(dòng)供彈機(jī)構(gòu)、閉鎖機(jī)構(gòu)等組件工作，以完成高速連續(xù)射擊動(dòng)作[6-10]。

1.身管； 2.導(dǎo)氣孔； 3.氣室； 4.導(dǎo)氣箍； 5.活塞筒； 6.活塞

圖1 導(dǎo)氣裝置的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2 導(dǎo)氣室裝置的數(shù)學(xué)模型

由于內(nèi)能源轉(zhuǎn)管武器的射擊過(guò)程十分短暫，火藥燃?xì)庠谔艃?nèi)、導(dǎo)氣裝置中都呈現(xiàn)強(qiáng)烈的非定常狀態(tài)，所以分析起來(lái)比較復(fù)雜，現(xiàn)選其中的某管進(jìn)行研究分析來(lái)探究其中的規(guī)律。假設(shè)導(dǎo)氣裝置工作時(shí)，火藥已燃盡沒(méi)有固相流動(dòng)、是一維流動(dòng)，流動(dòng)中的氣體為完全氣體且不計(jì)質(zhì)量力，氣流的摩擦、散熱滿足雷諾比擬關(guān)系，氣孔處流入的氣體與炮膛內(nèi)的氣體相比所占量較小，氣流參數(shù)可由內(nèi)彈道解算，其整個(gè)過(guò)程可通過(guò)建立氣流的質(zhì)量守恒、能量守恒和活塞運(yùn)動(dòng)方程來(lái)描述。

2.1 質(zhì)量守恒方程

在dt時(shí)間內(nèi)，氣室中氣體質(zhì)量的變化等于從膛內(nèi)流入和從間隙漏掉的氣體質(zhì)量之差，可得出：

(1)

式中:wq為氣室中火藥燃?xì)獗热?G-Gq為氣室內(nèi)氣體的變化量;V為氣室容積;St為間隙面積。

2.2 能量守恒方程

根據(jù)熱力學(xué)第一定律可知，在工作時(shí)間dt內(nèi)，其能量變化滿足：

dQ-dQ1-dQs=dA+dE

(2)

其中：dt時(shí)間內(nèi)流入氣室的熱量dQ=cp·T·Gdt，從活塞與氣壁間的環(huán)形面積ΔSs漏失了熱量dQ1=cp·Tq·Gq·dt，經(jīng)過(guò)氣室筒壁散失的熱量dQs=a·ρ·(Tq-Tb)·Sqdt，dA為氣室內(nèi)氣體推活塞所做的功，dE為氣室內(nèi)氣體內(nèi)能的變化；cp為火藥燃?xì)獾谋榷▔簾崛荩琓q為氣室內(nèi)火藥燃?xì)獾慕^對(duì)溫度，Gq為氣室內(nèi)火藥燃?xì)饨?jīng)間隙流入大氣的秒流量，Sq為氣室和筒壁的接觸面積，Tb為筒壁的平均絕對(duì)溫度，a為傳熱系數(shù)，ρ為氣室內(nèi)火藥燃?xì)獾拿芏取?/p>

2.3 活塞運(yùn)動(dòng)方程

(3)

式中：PS為氣室內(nèi)的壓力;SS為活塞端面面積;mS為活塞及與活塞相聯(lián)的運(yùn)動(dòng)件質(zhì)量;FR為活塞與內(nèi)壁間的阻力。

3 動(dòng)網(wǎng)格劃分與邊界設(shè)置

本文采用有限體積法結(jié)合動(dòng)態(tài)層變的動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)計(jì)算導(dǎo)器裝置的氣室流場(chǎng)。由于活塞和彈丸的運(yùn)動(dòng)而引起氣室流場(chǎng)形狀隨時(shí)間變化，運(yùn)動(dòng)體下一步的運(yùn)動(dòng)情況可由當(dāng)前時(shí)間步的計(jì)算結(jié)果確定，各個(gè)時(shí)間步的體網(wǎng)格的更新基于邊界條件新的位置由FLUENT自動(dòng)來(lái)完成。而活塞的速度遠(yuǎn)小于彈丸的速度，故用UDF來(lái)控制彈丸和活塞的運(yùn)動(dòng)。根據(jù)整個(gè)裝置的工作原理，對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行一定的簡(jiǎn)化處理，得到導(dǎo)氣裝置的結(jié)構(gòu)網(wǎng)格圖見(jiàn)圖2。

圖2 導(dǎo)氣裝置的結(jié)構(gòu)網(wǎng)格圖

3.1 動(dòng)網(wǎng)格計(jì)算模型

(4)

式中：ρ是火藥氣體的密度；u是運(yùn)動(dòng)體的速度矢量；us是動(dòng)網(wǎng)格的網(wǎng)格變形速度；Γ是擴(kuò)散系數(shù)；Sφ是通量的源項(xiàng)φ； ?V代表控制體V的邊界。

在方程(4)中，第一項(xiàng)可以用一階向后差分形式表示為

(5)

式中：n和n+1代表當(dāng)前和緊接著的下一時(shí)間步的數(shù)值。第n+1步的體積Vn+1由下式計(jì)算得出：

(6)

3.2 初始條件和邊界條件

初始條件：本文用瞬態(tài)流動(dòng)的方法計(jì)算，故不斷變化的初始條件由內(nèi)彈道計(jì)算得出。邊界條件：入口是指彈丸從膛底開(kāi)始運(yùn)動(dòng)的地方，采用壓力進(jìn)口條件；出口為彈丸出身管處，采用壓力出口條件；由于氣室壁與活塞環(huán)之間存在間隙會(huì)產(chǎn)生漏氣，故對(duì)氣室做一些簡(jiǎn)化，又根據(jù)幾何結(jié)構(gòu)和導(dǎo)氣裝置的工作原理，出口與外界大氣環(huán)境相連通，可以認(rèn)為此出口的背壓力為外界大氣壓力；固壁邊界條件：簡(jiǎn)化后的導(dǎo)氣裝置各部分及身管作為固壁邊界條件，并采用“壁面函數(shù)法”對(duì)固壁面附近做計(jì)算。

4 計(jì)算結(jié)果分析

以下各圖為數(shù)值計(jì)算得到導(dǎo)氣裝置各在個(gè)時(shí)刻的壓力云圖(如圖3)、溫度云圖(如圖4)和速度流線圖(如圖5)，其中(a)為導(dǎo)氣開(kāi)始前，(b)為導(dǎo)氣開(kāi)始時(shí)，(c)為導(dǎo)氣結(jié)束時(shí)。仿真結(jié)果如下：

圖3 氣室流場(chǎng)的壓力云圖

圖5 氣室流場(chǎng)的速度流線圖

由圖3、圖4、圖5可以看出，在彈丸還未通過(guò)導(dǎo)氣孔(導(dǎo)氣開(kāi)始前)時(shí)，導(dǎo)氣室內(nèi)的壓力沒(méi)有發(fā)生太大的變化，溫度也不太高，且氣流的流速也較低，這是由于此時(shí)只是彈前壓縮部分氣體通過(guò)導(dǎo)氣孔進(jìn)入了導(dǎo)氣室內(nèi)，還未對(duì)活塞產(chǎn)生有效的沖擊。當(dāng)彈丸剛經(jīng)過(guò)導(dǎo)氣孔處后，已經(jīng)開(kāi)始導(dǎo)氣了，有大量火藥氣體通過(guò)導(dǎo)氣孔進(jìn)入到導(dǎo)氣室內(nèi)，使得導(dǎo)氣孔內(nèi)的流速大，溫度高，壓強(qiáng)也有一定的上升，且管內(nèi)壁處的溫度明顯較高，故對(duì)導(dǎo)氣孔與身管相接處沖刷較為強(qiáng)烈。隨著火藥氣體完全充分地進(jìn)入導(dǎo)氣室后，讓導(dǎo)氣室內(nèi)氣體聚增，導(dǎo)致氣體分子之間相互作用加劇，氣體膨脹，從而推動(dòng)活塞向左推進(jìn)，進(jìn)而壓縮左氣室內(nèi)的氣體，讓左室的壓強(qiáng)急劇增大，溫度也有所增加，氣流流速也增大。當(dāng)彈丸遠(yuǎn)離導(dǎo)氣孔后，氣室內(nèi)的氣體的相互作用也逐漸減弱，地加上氣體在氣室內(nèi)達(dá)到某種平衡狀態(tài)后，形成一定的回流，部分氣體通過(guò)導(dǎo)氣孔流回身管內(nèi)，從而使氣室內(nèi)的壓力和溫度下降，流速也降低，活塞復(fù)位，為下一發(fā)射擊做準(zhǔn)備，標(biāo)示著這輪導(dǎo)氣的結(jié)束。

圖6 導(dǎo)氣室壓力分布曲線

圖7 導(dǎo)氣孔處壓力分布曲線

圖8 導(dǎo)氣孔處溫度分布曲線

由圖6可以得出，在氣體還未大量地進(jìn)入導(dǎo)氣室前，導(dǎo)氣室左右兩端的壓力基本持平，當(dāng)氣體慢慢地進(jìn)入導(dǎo)氣室，并不斷地累積后，右室的壓力逐漸大于左室的壓力，從而推動(dòng)活塞做功，向左端運(yùn)動(dòng)。然后當(dāng)進(jìn)入氣室的氣體逐漸減少后，加之左室的氣體由于被壓縮，導(dǎo)致壓強(qiáng)增大，并漸漸大于右室壓強(qiáng)，故讓活塞向右運(yùn)動(dòng)復(fù)位。再通過(guò)圖7和圖8可以分析出，導(dǎo)氣孔處的壓力與溫度基本都是呈現(xiàn)一種現(xiàn)逐漸增加，達(dá)到峰值后，快速下降的趨勢(shì)；這與彈丸的相對(duì)位置是有關(guān)的，一開(kāi)始彈丸時(shí)遠(yuǎn)離導(dǎo)氣孔的，所以彈底的火藥燃?xì)鈱?duì)導(dǎo)氣孔的影響很小，當(dāng)彈丸經(jīng)過(guò)導(dǎo)氣孔時(shí)，火藥氣體迅速作用于導(dǎo)氣孔處，使得壓力和溫度驟增；當(dāng)彈丸慢慢遠(yuǎn)離導(dǎo)氣孔后，該處的壓力與溫度也在就降低了。且可以得出導(dǎo)氣孔處的溫度和壓力還是比較大的，故此處的沖刷與燒蝕比較嚴(yán)重，需要進(jìn)行一定的強(qiáng)化處理。

5 結(jié)論

本文通過(guò)建立簡(jiǎn)化的內(nèi)能源轉(zhuǎn)管武器導(dǎo)氣裝置的物理計(jì)算模型，結(jié)合動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)及相關(guān)理論知識(shí)，運(yùn)用CFD數(shù)值計(jì)算方法，從導(dǎo)氣裝置內(nèi)部流場(chǎng)特性方面分析其對(duì)內(nèi)能源武器系統(tǒng)的影響。通過(guò)計(jì)算得到的壓力云圖、溫度云圖、速度流線圖以及一些相關(guān)的分布曲線，分析其內(nèi)部流場(chǎng)規(guī)律及對(duì)導(dǎo)氣孔處的影響，發(fā)現(xiàn)在導(dǎo)氣孔處會(huì)存在高壓與高溫作用，易發(fā)生燒蝕現(xiàn)象，影響導(dǎo)氣室的導(dǎo)氣功能，需要對(duì)導(dǎo)氣孔處進(jìn)行一定的耐溫耐壓處理。該研究成果能為內(nèi)能源轉(zhuǎn)管武器導(dǎo)氣裝置的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

[1] 魏傳禮，梁人杰.導(dǎo)氣裝置內(nèi)火藥氣體壓力特性研究[J].南京理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),1981(2):40-56.

[2] 廖振強(qiáng).導(dǎo)氣管式導(dǎo)氣裝置的分析和研究[J].南京理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),1984(4):125-141.

[3] 韓曉明，薄玉成，王惠源,等.內(nèi)能源轉(zhuǎn)管武器導(dǎo)氣裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].火炮發(fā)射與控制學(xué)報(bào),2008(2):50-53.

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TheNumericalSimulationofFlowFieldinAirChamberofGas-OperatedDeviceStructureParameterinanInternally-PoweredGatlingWeaponSystem

HUANG Lan, HAN Xiaoming, LI Qiang, TAN Qing， XU Xinqi

(School of Mechatronic Enigneering, North University of China, Taiyuan 030051, China)

In order to explore some cases of internal flow field of gas-operated device structure parameter in internally-powered gatling weapon system,the physical model and mathematical model of flow field in gas-operated chamber of gas-operated device structure parameter in internally-powered gatling weapon system were established. The CFD was used to simulate the flow field in gas-operated device,get the pressure nepho--gram,temperature nephogram and velocity flow chart under the three moments of before gas-operated,begin gas-operated and over gas-operated.Summarize the regular and analyze the situation about temperature and pressure at the gas-operated hole, It will provide a reference for the gas-operated device structure parameter in an internally-powered gatling weapon system.

gas-operated chamber; flow field in air chamber; numerical simulation; gas-operated hole; piston

2017-08-25；

2017-09-15

裝備預(yù)研領(lǐng)域基金(61402400401)

黃嵐(1991—)，男，碩士研究生，主要從事兵器理論發(fā)射技術(shù)的研究。

韓曉明(1974—)，男，碩士生導(dǎo)師，副教授，主要從事高射速發(fā)射理論技術(shù)的研究，E-mail:hongqi5912@126.com； 李強(qiáng)(1971—)，男，碩士生導(dǎo)師，教授，主要從事兵器理論發(fā)射技術(shù)、火炮、自動(dòng)武器的研究，E-mail：liqiang@nuc.edu.cn。

10.11809/scbgxb2017.12.005

本文引用格式：黃嵐，韓曉明，李強(qiáng)，等.某內(nèi)能源轉(zhuǎn)管武器導(dǎo)氣裝置氣室流場(chǎng)的數(shù)值模擬[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2017(12):21-24.

formatHUANG Lan, HAN Xiaoming, LI Qiang, et al.The Numerical Simulation of Flow Field in Air Chamber of Gas-Operated Device Structure Parameter in an Internally-Powered Gatling Weapon System[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(12):21-24.

TJ012

A

2096-2304(2017)12-0021-04

(責(zé)任編輯周江川)