呂 娜，蔡建余，2，陳荷娟

（1.南京理工大學(xué)智能彈藥技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210094；2.南京化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 210048）

0 引言

當(dāng)前，對(duì)引信彈載物理電源要求越來(lái)越高，特別是小口徑彈藥引信彈載物理電源的小體積高能量矛盾越來(lái)越突出［1］。美國(guó)早在20世紀(jì)70年代就已開(kāi)展了這方面的研究［2］，參考文獻(xiàn)［3］根據(jù)美科學(xué)家公布的彈載氣流磁電發(fā)電機(jī)發(fā)電原理，提出改變換能方式的小型彈載氣流壓電發(fā)電機(jī)方案，這種彈載氣流壓電發(fā)電機(jī)利用載體運(yùn)動(dòng)中相對(duì)氣流進(jìn)入小孔和空室后的旋渦脫落產(chǎn)生聲波激發(fā)腔體結(jié)構(gòu)振動(dòng)，由壓電裝置完成振電換能。因此，合理的進(jìn)氣孔結(jié)構(gòu)，對(duì)于小型發(fā)電機(jī)高性能驅(qū)動(dòng)至關(guān)重要。由于文獻(xiàn)［3］中的環(huán)隙直進(jìn)氣結(jié)構(gòu)難以在滿足氣流產(chǎn)生漩渦脫落條件的同時(shí)滿足小尺寸要求，本文在其基礎(chǔ)上提出了應(yīng)用于彈載氣流壓電發(fā)電機(jī)的環(huán)隙變截面進(jìn)氣孔結(jié)構(gòu)。

1 環(huán)隙等截面直孔幾何模型

小型氣流發(fā)電機(jī)進(jìn)氣孔孔徑較小，不適宜采用風(fēng)動(dòng)渦輪驅(qū)動(dòng)，利用流體致振、聲學(xué)共振驅(qū)動(dòng)原理，設(shè)計(jì)一種非旋轉(zhuǎn)式直孔結(jié)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、噪聲小、可靠性好、易于小型化等優(yōu)點(diǎn)。非旋轉(zhuǎn)式直孔內(nèi)流態(tài)、速度分布直接決定能否激發(fā)壓電換器和影響發(fā)電機(jī)出力。參考文獻(xiàn)［3］提出的環(huán)隙阻塞型等截面結(jié)構(gòu)如圖1所示，稱該進(jìn)氣孔為環(huán)隙等截面直孔。

圖1 環(huán)隙等截面直孔Fig.1 Annular identical cross-section straight pipe

假設(shè)，不考慮管壁的受力與形變，簡(jiǎn)化圖1進(jìn)氣孔為環(huán)隙加直孔段L2（即流場(chǎng)計(jì)算域）。為便于觀察流態(tài)發(fā)展并趨均勻，仿真幾何模型適當(dāng)加長(zhǎng)了直孔段尺寸（注：仿真結(jié)果僅顯示實(shí)際物理模型區(qū)域）。

圖2（a）所示是圖1直孔內(nèi)流場(chǎng)計(jì)算域幾何模型，進(jìn)口面為環(huán)隙口，氣流從末端的出口面流出。圖2（b）是其內(nèi)流場(chǎng)計(jì)算域物理模型透視圖。創(chuàng)建的進(jìn)氣孔零件幾何模型要求滿足以下條件［4］：1）進(jìn)氣孔內(nèi)，尤其是出流截面流場(chǎng)要盡可能均勻；2）進(jìn)氣孔內(nèi)壓力損失盡可能小，以降低整個(gè)進(jìn)氣裝置的壓損；3）進(jìn)氣孔在滿足進(jìn)氣條件下盡可能小，以節(jié)省裝配空間和提高比功率。

圖2 環(huán)隙等截面直孔幾何模型和透視圖Fig.2 Geometric model of annular identicalcross-section straight pipe

2 環(huán)隙變截面直孔幾何模型

流體致振理論指出，當(dāng)雷諾數(shù)為臨界雷諾數(shù)時(shí)湍流狀態(tài)出現(xiàn)，此時(shí)漩渦會(huì)以某個(gè)固定的頻率脫離。若要使圖1結(jié)構(gòu)阻塞出流形成漩渦脫落并激發(fā)振動(dòng)，則環(huán)形間隙段內(nèi)必須完成氣流轉(zhuǎn)捩，即將外部層流氣流轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧鳡顟B(tài)。但是，入流經(jīng)過(guò)環(huán)形間隙段后其流速降低了，且雷諾數(shù)也不穩(wěn)定，這種情況難以形成漩渦脫落并激發(fā)振動(dòng)。因此，必須提高孔內(nèi)雷諾數(shù)和加速出口氣流流速。

為此提出了圖3所示改進(jìn)結(jié)構(gòu)，即環(huán)隙變截面收縮孔，它由轉(zhuǎn)捩段 （L1）、發(fā)展段（L2）、加速段（L3）三部分組成。f1為進(jìn)氣口面，f2為發(fā)展段與加速段交界面，f3為出氣口面，D和d分別為環(huán)形氣隙的外徑和內(nèi)徑。轉(zhuǎn)捩段仍為等截面環(huán)隙柱形結(jié)構(gòu)（圖中未畫(huà)出加強(qiáng)筋）。為了加速近壁面附面層的轉(zhuǎn)捩，發(fā)展段也仍為等截面直孔，加速段用變截面喇叭形收縮孔。為了滿足孔出流截面流場(chǎng)和裝配空間要求，在其他結(jié)構(gòu)不變的條件下，分別改變參數(shù)L1、L2、D的值觀察孔內(nèi)流場(chǎng)。

圖3 環(huán)隙變截面收縮孔Fig.3 Annular variable cross-section shrink pipe

將圖4的幾何模型導(dǎo)入網(wǎng)格劃分軟件ICEM CFD，采用六面體網(wǎng)格劃分法自定義網(wǎng)格尺寸使得近壁面網(wǎng)格較密，以便于對(duì)附面層觀察和分析，見(jiàn)圖5。

圖4 環(huán)隙變截面收縮孔幾何模型和透視圖Fig.4 Geo metric model and perspective of annular variable cross-section shrink pipe

圖5 進(jìn)氣孔內(nèi)流整體和表面網(wǎng)格Fig.5 Mesh of airflow in the inlet pipe

3 進(jìn)氣孔流場(chǎng)數(shù)值模擬及結(jié)果分析

3.1 內(nèi)湍流場(chǎng)數(shù)值計(jì)算方法

應(yīng)用雷諾平均N-S方程，湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε兩方程模型，離散格式采用有限體積法一階迎風(fēng)離散格式。

標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型在一方程的基礎(chǔ)上，引入湍動(dòng)耗散率ε，其定義為［5］：

湍動(dòng)粘度μt可表示成k和ε的函數(shù)：

分別對(duì)應(yīng)于k和ε的輸運(yùn)方程為：

3.2 內(nèi)流場(chǎng)數(shù)值模擬及氣流速度分布

假設(shè)進(jìn)氣口面f1的速度分布均勻，v＝50 m／s，則得到環(huán)隙型變截面進(jìn)氣孔孔內(nèi)流線如圖6（a）所示。由于直孔發(fā)展段前端的截面突然變化，在其尾部出現(xiàn)分離、產(chǎn)生低壓區(qū)，回流導(dǎo)致漩渦。圖6（b）為區(qū)域A中漩渦放大矢量圖。

而環(huán)隙型等截面進(jìn)氣孔在環(huán)隙尾部區(qū)域B中也產(chǎn)生了漩渦現(xiàn)象，見(jiàn)圖7。圖8（a）、（b）分別為環(huán)隙型等截面直孔與環(huán)隙型變截面收縮孔在出口面f3上速度分布。對(duì)比兩種結(jié)構(gòu)的內(nèi)湍流度場(chǎng)分布，變截面收縮孔不僅速度分布均勻快，而且速度峰值大于環(huán)隙型等截面直孔，達(dá)140 m／s。

圖6 變截面收縮孔流線和速度矢量圖Fig.6 Streamlines and vectors in the variable cross-section intake pipe

圖7 等截面直孔流線和速度矢量圖Fig.7 Streamlines and vectors in the identical cross-section intake pipe

圖8 兩種進(jìn)氣孔出口面速度分布圖Fig.8 Velocity distributions in the outlets of the t wo kinds of intake pipes

3.3 轉(zhuǎn)捩段長(zhǎng)度與氣流速度分布的關(guān)系

在發(fā)展段L2和加速段L3不變的條件下，比較不同轉(zhuǎn)捩段長(zhǎng)度L1對(duì)孔內(nèi)流速度分布的影響作用。分別取L1＝5、10、15 mm時(shí)，求得進(jìn)氣孔在交界面f2上的氣流速度分布情況如圖9所示。

圖9 不同L 1在截面f 2上速度分布圖Fig.9 Velocity distributions in f 2 with different L 1

從圖9可見(jiàn)轉(zhuǎn)捩段長(zhǎng)度L1對(duì)孔內(nèi)流的速度發(fā)展影響作用不大，在滿足轉(zhuǎn)捩條件下，適當(dāng)?shù)臏p小L1的長(zhǎng)度，有利于減小裝置的軸向尺寸，滿足引信電源小型化要求。

3.4 發(fā)展段長(zhǎng)度與氣流速度分布的關(guān)系

在轉(zhuǎn)捩段和加速段結(jié)構(gòu)不變條件下，觀察改變發(fā)展段長(zhǎng)度L2對(duì)進(jìn)氣孔內(nèi)氣流速度場(chǎng)分布的影響。取L2＝0、10、20、30 mm 4種尺寸，在L3＝10、20、30、40 mm情況下出口面上速度分布如圖10—圖13所示。

圖10 L 3＝10 mm時(shí)4種尺寸孔出口面速度分布圖Fig.10 Velocity distributions in outlets of the four different sizes pipes when L 3＝10 mm

圖11 L 3＝20 mm時(shí)4種尺寸孔出口面速度分布圖Fig.11 Velocity distributions in outlets of the four different sizes pipes when L 3＝20 mm

圖12 L 3＝30 mm時(shí)4種尺寸孔出口面速度分布圖Fig.12 Velocity distributions in outlets of the four different sizes pipes when L 3＝30 mm

圖13 L 3＝40 mm時(shí)4種尺寸孔出口面速度分布圖Fig.13 Velocity distributions in outlets of the four different sizes pipes when L 3＝40 mm

從圖中可以得到以下結(jié)論：

1）當(dāng)L3較小時(shí)，L2變化對(duì)出口面速度分布影響較大，L2越大出口面速度分布越趨于均勻，如圖10中L3＝10 mm情形。

2）當(dāng)L3增大到一定程度時(shí)，L2變化對(duì)出口速度分布影響不明顯，如圖13中L3＝40 mm情形。

3）適中L3值，存在一個(gè)臨界值L＊2，當(dāng)發(fā)展段L2≥L＊2時(shí)，出口面速度分布變化不明顯，這時(shí)可以忽略L2的影響；當(dāng)L2＜L＊2時(shí)，L2越大孔內(nèi)氣流速度發(fā)展越快。

4）L1和L3不變，速度峰值（最大值）對(duì)L2的變化不敏感。

3.5 孔徑與進(jìn)氣管氣流速度分布的關(guān)系

在進(jìn)氣孔口壁厚、間隙不變的情況下，設(shè)d＝0.4D，取L1＝5 mm，L2＝10 mm，L3＝45 mm，D＝5、10、20 mm。距進(jìn)口面f1的距離為x，分別計(jì)算x＝15、30、45、60 mm截面上的速度分布如圖14—圖17。為便于比較不同孔徑的速度陡峭程度，對(duì)數(shù)據(jù)做了歸一化處理，橫軸為R／Rmax，縱軸為V／Vmax。

圖14 x＝15 mm截面處速度分布Fig.14 Velocity distributions of different dia meter pipe at the cross-section where x＝15 mm

圖15 x＝30 mm截面處速度分布Fig.15 Velocity distributions of different dia meter pipe at the cross-section where x＝30 mm

圖16 x＝45 mm截面處速度分布Fig.16 Velocity distributions of different dia meter pipe at the cross-section where x＝45 mm

圖17 x＝60 mm截面處速度分布Fig.17 Velocity distributions of different dia meter pipe at the cross-section where x＝60 mm

不難看出，外徑較小進(jìn)氣孔其氣流速度分布發(fā)展較快，隨著流態(tài)的發(fā)展其差別越來(lái)越小。因此，若進(jìn)氣孔較短，孔內(nèi)流的速度發(fā)展研究需考慮孔徑的影響；若進(jìn)氣孔較長(zhǎng)，則可以忽略孔徑對(duì)管內(nèi)湍流速度分布影響。

4 結(jié)論

本文提出的環(huán)隙型變截面進(jìn)氣孔結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)將文獻(xiàn)［1］的環(huán)隙型直進(jìn)氣孔結(jié)構(gòu)改為環(huán)隙變截面收縮孔，主要由環(huán)隙轉(zhuǎn)捩段、直孔發(fā)展段和收縮孔加速段組成。仿真表明：環(huán)隙口形成的湍流，其發(fā)展對(duì)轉(zhuǎn)捩段長(zhǎng)度不敏感，在經(jīng)過(guò)直孔和收縮孔的組合結(jié)構(gòu)后，氣流速度分布更快達(dá)到均勻的同時(shí)速度提高更快，速度分布直接受孔長(zhǎng)度影響，外徑較小進(jìn)氣孔其速度分布發(fā)展較快。這對(duì)于進(jìn)一步工程設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)小型化有參考價(jià)值，有利于進(jìn)氣流調(diào)制和提高發(fā)電機(jī)換能效率，解決了原結(jié)構(gòu)存在的問(wèn)題。進(jìn)一步的改進(jìn)研究有望得到小型化氣流速度分布均勻的進(jìn)氣孔結(jié)構(gòu)。

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