丁傳俊，張相炎

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094)

制退機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)空化特性數(shù)值仿真

丁傳俊，張相炎

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094)

通過建立基于動(dòng)網(wǎng)格的制退機(jī)二維簡化模型，采用Realizable κ-ε湍流模型、多相流Mixture模型和氣穴模型研究了火炮后坐運(yùn)動(dòng)過程中制退機(jī)內(nèi)部的流動(dòng)特性。仿真結(jié)果預(yù)測(cè)了制退機(jī)內(nèi)部氣穴發(fā)生的區(qū)域，較為精確地顯示了流場(chǎng)內(nèi)壓力、速度和氣體體積分?jǐn)?shù)的瞬時(shí)分布，認(rèn)為制退機(jī)在后坐結(jié)束時(shí)期其非工作腔部分區(qū)域充滿泡沫化的制退液。該結(jié)論可以為制退機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和故障診斷提供理論參考。

火炮；制退機(jī)；多相流；空化；數(shù)值仿真

0 引言

制退機(jī)是火炮上控制受力和運(yùn)動(dòng)的重要部件，通過擠壓制退液使其流過流液孔以達(dá)到耗能的目的，從而保證火炮射擊穩(wěn)定性。由于制退機(jī)內(nèi)部工作壓力較大，工作腔和非工作腔有較大的壓差，又存在液流的高速?zèng)_刷作用，這就為流動(dòng)空化現(xiàn)象的發(fā)生提供了條件。

楊玉棟等[1]研究了制退機(jī)節(jié)制環(huán)磨損的機(jī)理，認(rèn)為由于流體的空化作用會(huì)產(chǎn)生大量氣體空泡，如果這些空泡潰滅在固壁附近，則不斷潰滅的空泡會(huì)產(chǎn)生極高的瞬時(shí)高壓，破壞固體壁面，即為氣蝕，由此導(dǎo)致了節(jié)制環(huán)的磨損。周成等[2]研究了固體顆粒對(duì)制退機(jī)內(nèi)部的沖刷磨損，認(rèn)為制退機(jī)故障是火炮常見故障之一，漏液和磨損是導(dǎo)致制退機(jī)失效的主要故障模式，其中節(jié)制環(huán)磨損和制退桿活塞磨損是制退機(jī)磨損失效的主要因素。張曉東[3]等研究了考慮空化效應(yīng)的火炮復(fù)進(jìn)運(yùn)動(dòng)，認(rèn)為制退機(jī)在后坐過程結(jié)束時(shí)，空化形成的大量空泡被沖到非工作腔。在空泡還未全部潰滅時(shí)，復(fù)進(jìn)運(yùn)動(dòng)已經(jīng)開始,還推導(dǎo)了復(fù)進(jìn)阻力公式。范永等[4]分別建立了火炮制退機(jī)的二維和三維模型，采用了壓力出口的邊界條件，計(jì)算了制退機(jī)內(nèi)部的流動(dòng)特性，得到了較好的結(jié)果。賈文華等[5]分別計(jì)算了導(dǎo)彈水下發(fā)射和液壓閥的空化效應(yīng)，為計(jì)算制退機(jī)的空化效應(yīng)提供了有益的參考。現(xiàn)針對(duì)制退機(jī)流動(dòng)空化效應(yīng)這一復(fù)雜問題,采用商用CFD軟件FLUENT建立了簡化計(jì)算模型?？紤]了流動(dòng)的動(dòng)態(tài)特性，采用了全封閉的計(jì)算區(qū)域和Mixture氣液兩相流模型，對(duì)制退機(jī)內(nèi)部流動(dòng)情況進(jìn)行了較為完整的仿真，仿真結(jié)果定性地反應(yīng)了制退機(jī)內(nèi)部的空化效應(yīng)，同時(shí)也表明了在后坐結(jié)束時(shí)刻，非工作腔部分區(qū)域充滿著泡沫狀的制退液。

1 制退機(jī)計(jì)算模型的建立(圖1)

圖1 制退機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖

火炮發(fā)射時(shí)，后座部分沿導(dǎo)軌向后運(yùn)動(dòng)，制退桿活塞擠壓Ⅰ腔內(nèi)的制退液，導(dǎo)致Ⅰ腔工作壓力增大，使制退液分為兩股液流流出，其中一股流入非工作腔Ⅱ，另一股液流流入Ⅲ腔，由此達(dá)到耗能作用。經(jīng)典理論認(rèn)為，由于制退桿的不斷被抽出，Ⅱ腔會(huì)出現(xiàn)真空。Ⅲ腔由于始終充滿液體不會(huì)產(chǎn)生真空。

1.1 模型簡化

因?yàn)橹仆藱C(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，為了減小仿真的難度，同時(shí)又盡力保留其內(nèi)部真實(shí)結(jié)構(gòu)，對(duì)制退機(jī)做了以下簡化：

1) 將三維流動(dòng)簡化為二維軸對(duì)稱流動(dòng)，計(jì)算時(shí)取其一半。

2) 簡化調(diào)速筒活瓣裝置，使其在后坐過程中始終處于打開狀態(tài)。

3) 將制退活塞上的流液通道簡化為環(huán)形流液孔，但傾角為實(shí)際尺寸。

4) 將變直徑的節(jié)制桿簡化為等直徑的節(jié)制桿。

在基本保持制退機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸的情況下，簡化后的制退機(jī)模型如圖2所示。

圖2 簡化后的計(jì)算模型

1.2 網(wǎng)格劃分

1) 制退機(jī)的運(yùn)動(dòng)邊界采用導(dǎo)入profile文件的方法驅(qū)動(dòng)邊界運(yùn)動(dòng)，使得制退桿和制退活塞按照實(shí)測(cè)炮管后坐速度抽出。在抽出的過程中，運(yùn)動(dòng)區(qū)域的網(wǎng)格采用動(dòng)態(tài)層變方法自動(dòng)更新。其原理是：當(dāng)工作腔內(nèi)的網(wǎng)格受到壓縮時(shí)，網(wǎng)格會(huì)壓縮變形繼而和鄰近層的網(wǎng)格合并；非工作腔內(nèi)的網(wǎng)格則受到拉伸時(shí)，網(wǎng)格會(huì)拉伸然后分裂生成新的網(wǎng)格。

2) 通過對(duì)模型內(nèi)部區(qū)域進(jìn)行分區(qū)來劃分網(wǎng)格，動(dòng)區(qū)域內(nèi)采用規(guī)則的四邊形網(wǎng)格，并且控制網(wǎng)格的疏密程度，使貼近壁面的網(wǎng)格更加精細(xì)，以此來代替流動(dòng)的邊界層。對(duì)于不規(guī)則形狀的靜區(qū)域則采用三角形非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，并嚴(yán)格控制網(wǎng)格質(zhì)量。區(qū)域和區(qū)域之間采用interface條件進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

3) 除了對(duì)稱軸為對(duì)稱邊界條件外，其他外部邊界均作為壁面邊界條件處理。壁面有動(dòng)壁面和靜壁面之分。

最后整個(gè)計(jì)算區(qū)域共生成89184個(gè)網(wǎng)格，網(wǎng)格劃分足夠細(xì)密，可以使求解結(jié)果不存在網(wǎng)格依賴性。圖3即反映了活塞這一局部區(qū)域的網(wǎng)格。

圖3 制退活塞附近的網(wǎng)格

1.3 模型設(shè)置

仿真是在常溫(20℃)下進(jìn)行。制退液設(shè)定為不可壓縮粘性流體，密度為1160kg·m-3、動(dòng)力粘度為0.01Pa·s。制退機(jī)內(nèi)部流動(dòng)屬于三維非定常的湍流，有運(yùn)動(dòng)邊界且存在高速真空射流，因此具體設(shè)置如下：

1) 采用Realizableκ-ε湍流模型，壓力速度場(chǎng)耦合方式采用Coupled方式。

2) 制退液為斯切奧爾-M液，其蒸餾水含量超過30%，為方便計(jì)算，設(shè)置主相為水，第二相設(shè)置為水蒸氣(water-vapor)，兩項(xiàng)之間的反應(yīng)機(jī)制為cavitation。

3) 操作壓力設(shè)置為一個(gè)大氣壓，初始時(shí)刻設(shè)置水介質(zhì)體積分?jǐn)?shù)為1，水蒸氣體積分?jǐn)?shù)為0。

4) 計(jì)算步長的選擇原則：首先保證網(wǎng)格生成和壓縮不受影響，即動(dòng)邊界每時(shí)間步移動(dòng)跨距不能大于網(wǎng)格間距；其次要保證單時(shí)間步迭代計(jì)算的收斂性。選擇時(shí)間步長為1e-06 s，總迭代次數(shù)為160000次，計(jì)算時(shí)間為后坐時(shí)長0.16 s。

按照以上設(shè)置取合適的隱式松弛因子，進(jìn)行非定常計(jì)算，并監(jiān)視工作腔和非工作腔的壓力、速度、液體體積分?jǐn)?shù)等特征量隨時(shí)間的變化關(guān)系。

2 仿真結(jié)果與分析

仿真計(jì)算結(jié)果收斂并將數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Techplot中進(jìn)行分析，圖4給出了實(shí)測(cè)后坐速度和制退機(jī)內(nèi)射流的速度隨時(shí)間變化的對(duì)比曲線。圖5給出了工作腔最大壓力隨時(shí)間變化的曲線。從兩圖中可以看出火炮制退機(jī)在0.0136s時(shí)后坐速度達(dá)到最大值13.490m/s，與此同時(shí)，制退機(jī)內(nèi)射流速度急劇升高，達(dá)到了127.32m/s。但是工作腔最大壓力出現(xiàn)在0.011s左右，最大壓力為16.78MPa，提前于后坐速度最大時(shí)刻，但相差不大。這是因?yàn)楹笞那耙欢螘r(shí)間為后坐加速階段，制退液受到劇烈壓縮，一定時(shí)間后射流速度增大，壓力才開始卸載。圖6-圖8分別截取了特定時(shí)刻的壓力、速度和流線云圖。從中可以看出射流在流液孔下方速度達(dá)到了最大，同時(shí)壓降也最大，一些地方出現(xiàn)了負(fù)壓，這是因?yàn)橹仆藱C(jī)內(nèi)部出現(xiàn)了一定真空，但真空區(qū)域很快被泡沫化的制退液填充。當(dāng)液流進(jìn)入非工作腔后，由于其速度很高，當(dāng)它和腔內(nèi)的液體迅速混合后，在活塞附近立刻形成湍動(dòng)能很高的漩渦。通過這一過程制退液壓力、速度下降，溫度升高，后坐能由此轉(zhuǎn)化為液體的內(nèi)能，最終達(dá)到耗能制動(dòng)的目的。

圖4 后坐速度與制退機(jī)非工作腔內(nèi)射流速度對(duì)比

圖5 工作腔內(nèi)最大壓力

圖6 不同時(shí)刻壓力分布圖

圖7 不同時(shí)刻速度分布圖

圖8 不同時(shí)刻流線分布圖

圖9為非工作腔內(nèi)最大氣體體積分?jǐn)?shù)隨時(shí)間變化的曲線，從圖9中可以看出在0.012s左右流體開始出現(xiàn)空化現(xiàn)象。由于隨著制退桿不斷地抽出，非工作腔內(nèi)抽出的體積始終大于入射的射流的體積，所以導(dǎo)致其內(nèi)部容易出現(xiàn)真空，流體易出現(xiàn)空化現(xiàn)象；又由于制退液經(jīng)過環(huán)形流液孔時(shí)，流道突然縮小流速急劇升高，因此流液孔處壓力下降，此處制退液將會(huì)出現(xiàn)劇烈空化現(xiàn)象。但是此處流速很高，空化了制退液被沖到了非工作腔內(nèi)，和原來已經(jīng)部分被空化了的制退液混合形成漩渦，并占據(jù)比自身體積大的區(qū)域，形成泡沫化的制退液維持著非工作腔的低壓狀態(tài)，所以此時(shí)非工作腔并不存在很大的真空段。

圖9 非工作腔內(nèi)最大氣體體積分?jǐn)?shù)

圖10 不同時(shí)刻氣體體積分?jǐn)?shù)分布圖

從圖9和圖10中可以看出，隨著后坐過程的進(jìn)行，非工作腔的低壓狀態(tài)一直持續(xù)存在，空化區(qū)域的面積先擴(kuò)大(圖10中比較亮的區(qū)域即為空化的區(qū)域)然后有所減少，這是因?yàn)殡S著后坐過程的進(jìn)行，部分已經(jīng)泡沫化的制退液被高速的液流沖到非工作腔右端。由于后坐過程只有0.1～0.2 s，所以后坐結(jié)束時(shí)制退機(jī)的非工作腔的前段充滿著大量被空化了的制退液，即為泡沫化的制退液。因此可以推測(cè)，當(dāng)復(fù)進(jìn)運(yùn)動(dòng)開始時(shí)，首先是泡沫化的制退液受到壓縮，然后空泡潰滅的過程。此時(shí)空泡在制退機(jī)內(nèi)部零部件壁面處爆炸，氣蝕現(xiàn)象發(fā)生，零件的表面光潔度和零件的可靠性受到影響。

3 結(jié)語

1) 火炮制退機(jī)后坐時(shí)，由于壓力下降，在節(jié)制環(huán)附近和非工作腔內(nèi)易出現(xiàn)空化現(xiàn)象。

2) 在后坐過程中，非工作內(nèi)存在泡沫化的制退液，同時(shí)壓力降低程度較大的區(qū)域，氣體體積分?jǐn)?shù)也較高。

3) 火炮在后坐結(jié)束時(shí)，非工作腔的前端充滿著泡沫化的制退液，并不存在較大的真空段，復(fù)進(jìn)時(shí)，首先壓縮的是充滿泡沫化制退液的區(qū)域。

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Numerical Simulation of Interior Flow Field Cavitation of Gun Recoil Brake

DING Chuanjun，ZHANG Xiangyan

(Mechanical Engineering College, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China)

To research on the interior flow field in gun recoil brake during the process of recoil movement, a 2D simplified model is proposed based on the dynamic mesh method. And the Realizable κ-ε turbulence model, the multi-phase Mixure model and the cavitation model are used in CFD software. The calculated results predict the internal area that the cavitation happens at the instantaneous distribution of the interior pressure, velocity and volume fraction of vapor and the foamed recoil liquid filled the non-working chamber with at the end of recoil movement. The conclusion provides theoretical support for the optimal design and fault diagnosis of the recoil brake.

gun; recoil brake; multi-phase model; cavitation; numerical simulation

丁傳俊(1986-)，男，河南信陽人，碩士研究生，研究方向：火炮可靠性。

TJ303+.4; TP391.9

B

1671-5276(2015)05-0093-03

2014-03-20