基于Fluent的某小口徑火炮炮口流場(chǎng)仿真及射手防護(hù)研究

薛 濱,何 永,張海龍

(南京理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院,江蘇 南京 210000)

現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中,體積小、重量輕、射程遠(yuǎn)、威力大、打擊類型多是傳統(tǒng)火炮的發(fā)展趨勢(shì)[1]。功率增大、機(jī)動(dòng)性提高是無(wú)人戰(zhàn)車發(fā)展的重要方向[2]。無(wú)人戰(zhàn)車與火炮的結(jié)合是未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)發(fā)展的趨勢(shì)。然而,隨著裝備火炮威力的增加,對(duì)應(yīng)的火炮后坐力也在逐步增大。為解決火炮后坐力與無(wú)人戰(zhàn)車不匹配的矛盾,本文以某小口徑火炮為研究對(duì)象,將其截短至1.8m,并設(shè)計(jì)了與之相匹配的炮口制退器,用于減小后坐力。

炮口制退器作為反后坐裝置的一個(gè)重要組成部分,根據(jù)用途和工作原理的不同,可分為半開腔式、開腔式和身管式[3]。其反后坐原理是通過(guò)控制后效期火藥氣體的流量分配和氣流速度對(duì)炮身提供一個(gè)制退力,使炮膛合力減小,從而減小火炮的后坐動(dòng)能和射擊負(fù)荷[4]。在火炮后坐時(shí),火藥氣體會(huì)在炮口制退器的腔室內(nèi)膨脹,最終通過(guò)側(cè)孔流出,形成膛口流場(chǎng)。所形成的膛口流場(chǎng)是非定常、帶有強(qiáng)激波的復(fù)雜流場(chǎng)[5]。

目前,馬麗璇、李恩義[6]分析了彈丸與流場(chǎng)耦合的相互影響,發(fā)現(xiàn)了二次燃燒會(huì)推動(dòng)膛口馬赫盤向后移動(dòng)的情況。郭則慶,喬海濤[7]發(fā)現(xiàn)沖擊波超壓峰值變化與飛行馬赫數(shù)有關(guān),推導(dǎo)了壓力峰值變化與飛行馬赫數(shù)的關(guān)系。徐達(dá)、羅業(yè)[8]研究了不同炮口制退器側(cè)孔的形狀會(huì)對(duì)膛口流場(chǎng)產(chǎn)生的影響。李鵬飛等通過(guò)設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)對(duì)膛口裝置附近的壓力值進(jìn)行了研究[9],張曉鶯等通過(guò)設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)對(duì)膛口裝置附近的噪聲監(jiān)測(cè)做了詳細(xì)研究[10],發(fā)現(xiàn)超壓與噪聲值隨時(shí)間變化不斷衰減。Ekansh Chaturvedi等通過(guò)研究過(guò)去30年膛口制退器的專利,分析了結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)膛口制退器受力的影響[11]。以上學(xué)者分析了彈丸速度、炮口制退器側(cè)孔形狀、火藥二次燃燒情況對(duì)膛口流場(chǎng)的影響以及炮口制退器側(cè)孔中心超壓與噪聲的情況,但沒有對(duì)炮口制退器結(jié)構(gòu)對(duì)流場(chǎng)產(chǎn)生的影響和炮口制退器附近射手的超壓與噪聲的安全防護(hù)進(jìn)行研究,因此，本文以15°擋板的炮口制退器為基礎(chǔ),對(duì)不同角度擋板的炮口制退器進(jìn)行了優(yōu)化,通過(guò)設(shè)置多個(gè)位置的超壓和噪聲監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)了炮口制退器周圍超壓與噪聲的變化情況,為炮口附近射手的超壓與噪聲防護(hù)提供了參考。

1 數(shù)學(xué)模型

1.1 基本假設(shè)

膛口流場(chǎng)是非定常、多相、伴隨化學(xué)反應(yīng)的復(fù)雜湍流流場(chǎng),因此,仿真計(jì)算一般是在一些理論假設(shè)的前提下進(jìn)行。在計(jì)算前應(yīng)作如下假設(shè)[12]:

1)火藥氣體為一維準(zhǔn)定常等熵流動(dòng)；

2)火藥氣體為理想氣體,即忽略燃?xì)獾慕M分和化學(xué)反應(yīng)的影響；

3)炮口為臨界截面；

4)后效期膛內(nèi)火藥氣體均勻分布。

1.2 控制方程

當(dāng)不考慮外加熱和徹體力的影響時(shí),笛卡爾坐標(biāo)系下的二維軸對(duì)稱可壓縮非定常的N-S方程組為

(1)

式中:Q為守恒變矢量;F、G分別為坐標(biāo)方向的通量;S為軸對(duì)稱源項(xiàng),具體表達(dá)式為:

壓力由理想氣體方程給出,即

(2)

式中：ρ為氣體密度;u,v分別為x、y方向的速度分量;e為總能量;γ為氣體比熱比;μ為層流黏性系數(shù);k為熱導(dǎo)率;qx、qy分別為單位質(zhì)量的體積加熱率;系數(shù)σ決定流動(dòng)類型,當(dāng)σ=1時(shí),為二維軸對(duì)稱模型,當(dāng)σ=0時(shí),為二維平面流動(dòng)模型。

2 炮口制退器的優(yōu)化

在設(shè)計(jì)炮口制退器時(shí),初選炮口制退器擋板與y軸成15°角。當(dāng)選取擋板角度過(guò)大時(shí),擋板無(wú)法大角度地改變氣流方向,反而會(huì)使設(shè)計(jì)的炮口制退器尺寸過(guò)大,設(shè)計(jì)沒有意義。當(dāng)選取炮口制退器擋板角度過(guò)小時(shí),炮口制退器側(cè)孔射流會(huì)垂直噴出,極大地降低炮口制退器的效率。因此，本節(jié)以15°炮口制退器擋板為基礎(chǔ),以2°為差值,分別對(duì)11°、13°、15°、17°擋板的炮口制退器進(jìn)行了受力情況的研究。

由圖1可見,擋板角度為15°時(shí),炮口制退器受力最大,制退效率最高;擋板角度為17°時(shí),炮口制退器受力最小,制退效率最低,這是由于擋板角度過(guò)大,側(cè)孔出流的氣體沖刷擋板的面積變大,使得炮口制退器在y軸方向受力變大,同時(shí)會(huì)增加炮口在y軸方向的跳動(dòng);擋板角度為11°和13°時(shí)炮口制退器受力對(duì)比變化不大,但從圖1可看出,13°擋板炮口制退器在0.002 5s時(shí)相較11°擋板炮口制退器有一個(gè)受力的突變,這是由于13°擋板的受力面積相較11°擋板的受力面積更大,屬于正?，F(xiàn)象。因此，選用15°擋板的炮口制退器進(jìn)行超壓與噪聲的研究。

圖1 不同擋板條件下炮口制退器受力曲線

3 計(jì)算模型及邊界條件

3.1 炮口制退器建模及網(wǎng)格劃分

二維模型局部等效及網(wǎng)格劃分如圖2所示。

圖2 炮口制退器建模及網(wǎng)格劃分圖

圖2a)所示的為炮口制退器二維等效圖,圖2b)所示的為炮口制退器計(jì)算流場(chǎng)網(wǎng)格劃分圖。網(wǎng)格劃分分為兩塊區(qū)域：一塊為流體區(qū)域,主要包括火藥氣體和大氣;一塊為炮口制退器網(wǎng)格劃分區(qū)。考慮火炮身管厚度為17 mm且不考慮其傳熱,在流場(chǎng)中通過(guò)布爾運(yùn)算切除身管區(qū)域。

炮口制退器材料為固體,在Fluent中選擇材料為鋼。為使氣流能夠在外流場(chǎng)中充分膨脹,取網(wǎng)格劃分區(qū)域長(zhǎng)5 m,寬1.523 m。由于制退器內(nèi)部流場(chǎng)復(fù)雜,對(duì)該區(qū)域采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格,以提高網(wǎng)格質(zhì)量。計(jì)算時(shí)采用二維軸對(duì)稱模型、密度求解器,將火藥氣體簡(jiǎn)化為理想氣體,采用Realizable k-ε模型,初始化條件為內(nèi)彈道計(jì)算提供的出口壓力和速度。

實(shí)際計(jì)算中,由于二維炮口制退器等效側(cè)孔面積大于三維炮口制退器,因此,炮口制退器受力計(jì)算結(jié)果偏大。但在監(jiān)測(cè)炮口制退器附近超壓與噪聲時(shí),只需炮口制退器尺寸外形結(jié)構(gòu)參數(shù),對(duì)計(jì)算結(jié)果影響不大。

3.2 仿真程序

本文針對(duì)某小口徑高射速火炮,為適應(yīng)其在無(wú)人作戰(zhàn)平臺(tái)上的使用,對(duì)其進(jìn)行了相應(yīng)的身管截短。截短后身管長(zhǎng)度為1.8 m,膛內(nèi)最大壓力為352 MPa。通過(guò)龍格-庫(kù)塔法結(jié)合內(nèi)彈道方程編寫內(nèi)彈道計(jì)算程序,確定了初始化的參數(shù)為膛壓52.3 MPa和炮口速度933 m/s,得出壓力時(shí)間與速度時(shí)間的曲線圖分別如圖3、圖4所示。

圖3 內(nèi)彈道壓力時(shí)間曲線

圖4 內(nèi)彈道速度時(shí)間曲線

4 計(jì)算結(jié)果及分析

4.1 膛口壓力分析

對(duì)炮口制退器受力分析可得0.001 s和0.002 s是炮口制退器受力的頂峰時(shí)刻。這兩個(gè)時(shí)刻的壓力等值線圖能明顯反應(yīng)后效期開始時(shí)流場(chǎng)的發(fā)展過(guò)程。這兩個(gè)時(shí)刻的壓力等值線圖如圖5、圖6所示。

圖5 0.001 s時(shí)炮口制退器處壓力等值線圖

圖6 0.002 s時(shí)炮口制退器處壓力等值線圖

由圖5可知,0.001 s時(shí)炮口制退器腔室內(nèi)火藥氣體正處于膨脹時(shí)期,側(cè)孔受壓較大,此時(shí)為瓶狀激波形成的前期階段,只能觀察到兩邊側(cè)孔與中央炮孔的流場(chǎng)情況。由圖6可知,0.002 s時(shí)壓力膨脹值遠(yuǎn)小于0.001 s,此時(shí)炮口制退器外形成了完整的壓力波,同時(shí)上下兩側(cè)側(cè)孔射流交匯,生成了較小的瓶狀激波[13]。

由仿真計(jì)算結(jié)果可知初始流場(chǎng)、火藥氣體流場(chǎng)的形成過(guò)程、變化趨勢(shì)[14],為炮口制退器附近射手的超壓與噪聲的防護(hù)研究打下了基礎(chǔ)。

4.2 超壓值監(jiān)測(cè)

為了研究炮口制退器周圍超壓值的大小,在射手位置和制退器后方,即制退器軸線0°、30°、60°、150°、165°方向的1 m、1.5 m、1.8 m分別設(shè)置壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn),監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置如圖7所示。

圖7 超壓點(diǎn)監(jiān)測(cè)位置圖

炮口制退器0°軸線方向超壓值如圖8所示。

圖8 炮口制退器軸線0°方向超壓值

炮口制退器30°軸線方向超壓值如圖9所示。

圖9 炮口制退器軸線30°方向超壓值

炮口制退器60°軸線方向超壓值如圖10所示。

圖10 炮口制退器軸線60°方向超壓值

炮口制退器150°軸線方向超壓值如圖11所示。

圖11 炮口制退器軸線150°方向超壓值

炮口制退器165°軸線方向超壓值如圖12所示。

圖12 炮口制退器軸線165°方向超壓值

由圖8、圖9、圖10、圖11、圖12可以看出,距離炮口1 m處的超壓峰值可達(dá)72 kPa以上,因此,如果射手處于1m處可能會(huì)受到輕微傷害。觀察圖中超壓變化趨勢(shì)可知,炮口制退器沖擊波能量隨著傳播距離增加,能量逐漸衰減,且能量衰減的速度不斷增大,然而由于炮口制退器結(jié)構(gòu)對(duì)流場(chǎng)造成的劇烈干擾[15],在監(jiān)測(cè)點(diǎn)處出現(xiàn)壓力的二次峰值,經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后,壓力逐漸下降到可接受的正常水平。實(shí)驗(yàn)表明,在0.14～0.21 MPa的超壓下會(huì)引起肺腑的損傷,因此，射手應(yīng)站在炮口1 m范圍外或佩戴相應(yīng)的防護(hù)用具。

4.3 噪聲監(jiān)測(cè)

炮口沖擊波會(huì)對(duì)射手造成明顯的心理傷害。由GJB2A-96《常規(guī)兵器發(fā)射或爆炸時(shí)壓力波對(duì)人體安全的標(biāo)準(zhǔn)》可知,在非垂直入射時(shí)壓力波的安全標(biāo)準(zhǔn)公式為

Lp=177-6lgTN

(3)

式中：Lp表示可允許噪聲的分貝數(shù);T表示脈寬的毫秒數(shù),N為一天內(nèi)發(fā)射的總數(shù)。

所以，必須探究火炮連續(xù)射擊時(shí)產(chǎn)生的噪聲值,此時(shí)以峰值壓力和延續(xù)時(shí)間來(lái)表示沖擊波強(qiáng)度。噪聲值與基準(zhǔn)壓力之間的關(guān)系為

(4)

式中，Pr表示基準(zhǔn)壓力。

在流場(chǎng)計(jì)算結(jié)束后,將接收點(diǎn)捕捉到的聲壓數(shù)據(jù)文件導(dǎo)入Fluent,通過(guò)FFT變換將壓力脈動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為聲壓級(jí)頻譜,計(jì)算得到的炮口制退器60°方向1 m處噪聲譜如圖13所示。

圖13 炮口制退器軸線60°方向1 m處聲壓頻譜

從圖13可以看出，炮口制退器出口的射流噪聲是一種低頻噪聲,在0～1 000 Hz頻段噪聲的能量最強(qiáng),隨著頻段的升高,能量逐漸衰減,其中,噪聲輻射能量在5 000 Hz時(shí)會(huì)發(fā)生驟降,隨后在一定范圍內(nèi)波動(dòng)。該位置總聲壓預(yù)測(cè)結(jié)果為150 dB。

對(duì)其他監(jiān)測(cè)點(diǎn)接收到的聲源數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT變換,列舉30°方向1 m、150°方向1.5 m、165°方向1.8 m聲壓頻譜為例，分別如圖14、圖15、圖16所示。

圖14 炮口制退器軸線30°方向1 m處聲壓頻譜

圖15 炮口制退器軸線150°方向1.5 m處聲壓頻譜

圖16 炮口制退器軸線165°方向1.8 m處聲壓頻譜

由圖14～16可以看出,雖然接收點(diǎn)的位置各不相同,但是噪聲頻譜有類似的變化趨勢(shì),即炮口制退器處射流噪聲能量在低頻段較高,隨著頻段的升高,噪聲能量逐漸變低。同時(shí),隨著監(jiān)測(cè)點(diǎn)與聲源的距離越來(lái)越遠(yuǎn),炮口制退器處射流噪聲的強(qiáng)度也在逐漸減小。在炮口制退器軸線30°方向1 m處噪聲值最終減小至80 dB;在炮口制退器軸線150°方向1.5m處噪聲值最終減小至74 dB;在炮口制退器軸線165°方向1.8 m處噪聲值最終減小至76 dB。

在實(shí)際射擊中,射手常處于炮口制退器60°,距離1 m的位置,對(duì)該處的聲壓頻譜曲線進(jìn)行處理可以得到正相壓力峰的脈寬T為2.5 ms,假設(shè)小口徑火炮連續(xù)射擊2發(fā),按公式(3)計(jì)算射手位置射手能承受的噪聲值約為172.80 dB。在火炮連續(xù)射擊2發(fā)時(shí),按公式(4)可得射手位置的噪聲值為290 dB,超出了公式(3)計(jì)算的可允許噪聲值為172.80 dB,會(huì)導(dǎo)致射手的耳膜破裂,因此，射手在該位置應(yīng)佩戴防護(hù)耳罩。其余位置射手的噪聲防護(hù)可根據(jù)所計(jì)算的變化趨勢(shì)參考炮口制退器60° 1 m處。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文基于Fluent,在炮口制退器優(yōu)化的基礎(chǔ)上對(duì)炮口制退器附近的超壓值與噪聲強(qiáng)度進(jìn)行了數(shù)值分析,為炮口制退器附近的射手安全防護(hù)提供了理論參考。仿真采用了15個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn),分別對(duì)1 m、1.5 m及1.8 m半徑內(nèi)進(jìn)行了超壓與噪聲的監(jiān)測(cè)。得出以下結(jié)論:

1)適用于此小口徑高射速火炮的炮口制退器在擋板角度為15°時(shí)制退效率最高；

2)距離炮口制退器1 m處超壓峰值達(dá)到72 kPa,超過(guò)了安全值14 kPa,易造成射手肺腑損傷,射手應(yīng)佩戴防護(hù)用具；

3)在火炮連續(xù)射擊兩發(fā)時(shí),炮口制退器60° 1 m處的噪聲值超過(guò)了計(jì)算允許的噪聲值,會(huì)導(dǎo)致射手耳膜破裂,該位置進(jìn)行射擊操作時(shí)應(yīng)佩戴防護(hù)耳罩。