周鵬，曹從詠，董浩

（南京理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，江蘇南京210094）

高壓氣體發(fā)射裝置內(nèi)彈道特性及膛口流場(chǎng)分析

周鵬，曹從詠，董浩

（南京理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，江蘇南京210094）

根據(jù)非定?？蓧嚎s流動(dòng)的Navier-Stokes方程和Spalart-Allmaras湍流模型，基于計(jì)算流體力學(xué)分析軟件，采用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)，對(duì)彈丸在氣室高壓氣體作用下的運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其流場(chǎng)特性進(jìn)行了仿真。主要研究了4種不同氣室初始?xì)鈮合绿艃?nèi)平均壓力、彈底壓力、氣室底部壓力、彈丸運(yùn)動(dòng)參數(shù)的變化規(guī)律，進(jìn)一步分析了在氣室初壓為2.5 MPa下不同時(shí)刻馬赫數(shù)等值線(xiàn)的變化規(guī)律。研究結(jié)果表明：膛內(nèi)氣流存在振蕩現(xiàn)象，氣室底部壓力、彈底壓力變化具有波動(dòng)性；氣室初始?xì)鈮旱拇笮∮绊憵馐业撞繅毫Α椀讐毫φ袷幏燃皬椡璩雠诳谒俣?；彈丸在管?nèi)運(yùn)動(dòng)速度及運(yùn)動(dòng)時(shí)間隨距離變化的關(guān)系均近似拋物線(xiàn)分布。

兵器科學(xué)與技術(shù)；高壓氣體；動(dòng)網(wǎng)格；內(nèi)彈道；膛口流場(chǎng)；計(jì)算流體力學(xué)

0　引言

高壓氣體發(fā)射裝置不同于以火藥燃?xì)鉃楦邏簞?dòng)力的推動(dòng)裝置［1-3］，是一種基于高壓氣體驅(qū)動(dòng)的裝置［4-5］。該裝置主要通過(guò)發(fā)射含有催淚劑、腐蝕劑等特殊物質(zhì)的彈丸，對(duì)短距離內(nèi)的肇事群體進(jìn)行控制，還能夠與脈沖水炮裝置［6］組成一種非致命性協(xié)同武器裝備，能夠應(yīng)用到打擊海盜、反恐等突發(fā)事件中。該裝置主要由氣室、過(guò)渡段、身管、電磁閥等結(jié)構(gòu)組成，如圖1所示。

圖1　高壓氣體發(fā)射裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.1 Schematic diagram of high-pressure gas launcher

發(fā)射前，電磁閥關(guān)閉，向氣室中通入常溫高壓或低溫高壓氣體。發(fā)射時(shí)，打開(kāi)電磁閥，氣室中氣體膨脹，經(jīng)由過(guò)渡段，推動(dòng)彈丸向前運(yùn)動(dòng)。受到氣室壓力、氣室容量、收縮段長(zhǎng)度、收縮角度以及過(guò)渡段長(zhǎng)度等參數(shù)的綜合影響，該裝置內(nèi)彈道特性及膛口流場(chǎng)表現(xiàn)出較為復(fù)雜的變化。掌握這種復(fù)雜的變化規(guī)律對(duì)于提高射擊精度、達(dá)到射擊目的具有重要的指導(dǎo)意義。為了研究該裝置在高壓氣體作用下的內(nèi)彈道特性及膛口流場(chǎng)的變化規(guī)律，本文采用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）分析軟件對(duì)不同氣室初壓下的彈丸運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行了模擬，得到了該裝置內(nèi)彈道相關(guān)參數(shù)的變化規(guī)律，并掌握了膛口流場(chǎng)的分布規(guī)律。

1　物理模型

本文設(shè)計(jì)的錐形筒氣室容積為50 L，氣室底部直徑為260mm，收縮角為15°，身管口徑為130mm，長(zhǎng)度為1.3m，過(guò)渡段水平長(zhǎng)度為130mm，彈丸質(zhì)量為5 kg，將彈底與身管尾部平齊。電磁閥關(guān)閉時(shí)，向氣室通入高壓氣體。在氣體膨脹過(guò)程中，過(guò)渡段能夠防止彈底壓力突變破壞彈殼結(jié)構(gòu)，當(dāng)其長(zhǎng)度為1倍身管口徑時(shí)，還可以保證氣流首次達(dá)到彈底有較大的軸向速度。

由于在實(shí)際中，彈丸管內(nèi)運(yùn)動(dòng)形式復(fù)雜、多樣，對(duì)網(wǎng)格設(shè)置要求很高，處理較為復(fù)雜，本文簡(jiǎn)化彈丸運(yùn)動(dòng)形式，做出如下假設(shè):1）彈丸與身管無(wú)間隙，以避免高壓氣體泄露；2）彈丸沿x軸正向平射，忽略重力影響；3）考慮彈管摩擦受力情況，利用修正系數(shù)修正彈丸摩擦力；4）初始?xì)馐腋邏簹怏w混合充分、均勻，各處壓力一致。

2　網(wǎng)格劃分及邊界條件設(shè)置

基于上述假設(shè)，本文建立了二維軸對(duì)稱(chēng)模型用來(lái)模擬彈丸發(fā)射的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，確定外流場(chǎng)的網(wǎng)格劃分范圍為右側(cè)壓力出口距離膛口x方向距離2 m， y方向距離膛口1.5m，坐標(biāo)原點(diǎn)為彈底中心。初始網(wǎng)格劃分及邊界條件的設(shè)置如圖2所示。

圖2　網(wǎng)格劃分及邊界條件設(shè)置示意圖Fig.2 Schematic diagram of grid division and boundary condition setting

為了避免彈丸運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生較大的網(wǎng)格變形，本文采用動(dòng)態(tài)分層法模擬彈丸運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)域與靜止域用交界面形式嚴(yán)格分隔，隨著彈丸沿x軸向運(yùn)動(dòng)，整個(gè)運(yùn)動(dòng)域左邊界網(wǎng)格不斷被拉伸、分裂，而右邊界網(wǎng)格不斷被壓縮、合并；在彈頭附近采用三角形網(wǎng)格以更好地捕捉其形狀；在管口處加密外流場(chǎng)網(wǎng)格密度以更好地捕捉彈丸出膛口流場(chǎng)特性；彈丸邊界、交界面2動(dòng)域側(cè)、動(dòng)域?qū)ΨQ(chēng)軸及整個(gè)域都以相同速度沿x軸向運(yùn)動(dòng)，該速度由前一時(shí)間步計(jì)算結(jié)果決定。在每一仿真過(guò)程中，向氣室中充滿(mǎn)不同壓力的空氣，設(shè)置全局計(jì)算域溫度為300 K.

3　結(jié)果分析

本文借助CFD流體分析軟件，并嵌入控制彈丸運(yùn)動(dòng)的程序，采用基于壓力求解器的PISO求解方法，得到了在4種不同氣室初始?xì)鈮合碌膬?nèi)彈道變化特性以及流場(chǎng)變化規(guī)律。

3.1內(nèi)彈道特性分析

打開(kāi)電磁閥后，彈丸受到高壓氣體作用，克服彈前空氣阻力和彈丸與身管摩擦力，不斷向前運(yùn)動(dòng)。由于膛內(nèi)膨脹波及反射波的相互作用，膛內(nèi)壓力發(fā)生一系列較為復(fù)雜的變化。膛內(nèi)平均壓力p在不同氣室初始?xì)鈮簆0下隨管內(nèi)運(yùn)動(dòng)距離x的變化規(guī)律如圖3所示。由圖3可知，膛內(nèi)氣體膨脹做功，推動(dòng)彈丸向前運(yùn)動(dòng)，彈丸距離增大導(dǎo)致膛內(nèi)體積增大，膛內(nèi)平均壓力隨之降低。彈丸移動(dòng)相同距離，氣室初始?xì)鈮涸酱?，膛?nèi)平均壓力降低得越多。

在不同氣室初始?xì)鈮簆0下，彈底壓力pp、氣室底部壓力pc、運(yùn)動(dòng)時(shí)間t及運(yùn)動(dòng)速度v隨管內(nèi)運(yùn)動(dòng)距離x的變化規(guī)律分別如圖4～圖7所示，最大彈底壓力pp，max、最大氣室底部壓力pc，max與對(duì)應(yīng)的彈丸運(yùn)動(dòng)參數(shù)（t、x、v）關(guān)系分別如表1、表2所示以及不同氣室初始?xì)鈮簆0與彈丸膛口處速度v0、管內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)間t0的關(guān)系如表3所示。

圖3　不同氣室初始?jí)毫ο聀-x曲線(xiàn)圖Fig.3 Curves of p-x at different initial pressures in chamber

圖4　不同氣室初始?jí)毫ο聀p-x曲線(xiàn)圖Fig.4 Curves of pp-x at different initial pressures in chamber

圖5　不同氣室初始?jí)毫ο聀c-x曲線(xiàn)圖Fig.5 Curves of pc-x at different initial pressures in chamber

由圖4可知，電磁閥打開(kāi)后，由于過(guò)渡段初始?jí)毫闃?biāo)準(zhǔn)大氣壓，低于氣室壓力，高壓氣體沿x軸正向迅速膨脹直到彈底，氣流受到靜止彈丸阻礙，開(kāi)始產(chǎn)生較弱的反射波，同時(shí)對(duì)彈底產(chǎn)生氣動(dòng)推力，推動(dòng)彈丸運(yùn)動(dòng)。

圖6　不同氣室初始?jí)毫ο聇-x曲線(xiàn)圖Fig.6 Curves of t-x at different initial pressures in chamber

圖7　不同氣室初始?jí)毫ο聉-x曲線(xiàn)圖Fig.7 Curves of v-x at different initial pressures in chamber

表1　不同氣室初始?xì)鈮合聀p，max與對(duì)應(yīng)的彈丸運(yùn)動(dòng)參數(shù)Tab.1 Different initial gas pressures pp，maxand corresponding projectile motion parameters

結(jié)合表1可知，當(dāng)彈丸向前運(yùn)動(dòng)很短距離內(nèi)，膛內(nèi)氣流繼續(xù)膨脹，膨脹波強(qiáng)度較大，彈底附近氣體高度被壓縮，反射波強(qiáng)度迅速增強(qiáng)，彈底溫度很快升高，氣體分子熱運(yùn)動(dòng)加劇，彈底壓力迅速增大，并大于氣室初始?jí)毫?，使得彈丸迅速獲得較大的加速度，繼續(xù)加速運(yùn)動(dòng)。

表2　不同氣室初始?xì)鈮合聀c，max與對(duì)應(yīng)的彈丸運(yùn)動(dòng)參數(shù)Tab.2 Different initial gas pressures pc，maxand corresponding projectile motion parameters

表3　不同氣室初始?jí)毫ο聉0、t0的值Tab.3 Values of v0and t0at different initial pressures in chamber

隨著彈丸向前運(yùn)動(dòng)，由于氣流速度大于彈丸運(yùn)動(dòng)速度及氣室良好的氣密性，膛內(nèi)膨脹波與反射波不斷相互作用，彈底壓力呈現(xiàn)波動(dòng)性變化。但隨著彈丸距離增大，膛內(nèi)體積增大，膛內(nèi)氣流能量逐漸降低，彈底壓力波動(dòng)性幅度逐漸減弱，直至彈丸飛出膛口。

在不同氣室初始?xì)鈮合?，彈底壓力隨彈丸位置變化的波動(dòng)性規(guī)律相似。由于氣室初始?xì)鈮涸酱螅艃?nèi)膨脹波與反射波相互作用越劇烈，彈丸運(yùn)動(dòng)得也越快，因此，彈底壓力波動(dòng)強(qiáng)度越大，其波峰值前移。

由圖5可知，在彈丸開(kāi)始運(yùn)動(dòng)的一小段距離內(nèi)，氣室底部壓力保持不變，這是因?yàn)樵陔姶砰y開(kāi)啟初期，氣室初始?xì)鈮悍植季鶆蛞约熬哂休^大的容積，同時(shí)運(yùn)動(dòng)彈丸底部產(chǎn)生的反射波強(qiáng)度較小，氣室底部附近氣體幾乎不受影響，分布較均勻。隨著彈丸運(yùn)動(dòng)距離增大，氣室底部氣流開(kāi)始流動(dòng)，氣室底部壓力由于氣體膨脹而減弱。

結(jié)合表2可知，當(dāng)彈底處的反射波強(qiáng)度大于膛內(nèi)膨脹波強(qiáng)度時(shí)，氣室氣流逐漸流向氣室底部，氣室底部氣流受到反壓縮作用，首次產(chǎn)生反向壓縮波，并在氣室底部產(chǎn)生較強(qiáng)的反射波，氣室底部溫度很快升高，氣體分子熱運(yùn)動(dòng)加劇，氣室底部壓力很快增大，并高于氣室底部初始?jí)毫ΑＴ谔艃?nèi)膨脹波與反射波不斷相互作用下，氣室底部壓力同樣呈現(xiàn)波動(dòng)性變化。在不同氣室初始?xì)鈮合拢瑲馐业撞繅毫﹄S彈丸位置變化的波動(dòng)性規(guī)律相似，但氣室初始?xì)鈮涸酱?，波?dòng)強(qiáng)度越大，氣室底部壓力波動(dòng)點(diǎn)前移。

由圖6、圖7可知，彈丸在管內(nèi)運(yùn)動(dòng)速度隨距離變化的曲線(xiàn)及彈丸運(yùn)動(dòng)時(shí)間隨距離變化的曲線(xiàn)都近似拋物線(xiàn)，氣室初始?xì)鈮涸酱髲椡枭涑鎏趴谒俣仍酱螅\(yùn)動(dòng)時(shí)間越少。

結(jié)合表3可知，由于彈前空氣阻力及彈丸與身管摩擦作用，當(dāng)初始?xì)鈮涸龃鬄?倍，彈丸出膛口時(shí)間減少稍大于一半，而膛口速度增大接近2倍。

3.2流場(chǎng)變化規(guī)律分析

彈丸從開(kāi)始運(yùn)動(dòng)到射出膛口的整個(gè)過(guò)程中，膛口流場(chǎng)特性隨著彈丸運(yùn)動(dòng)距離增加而不斷變化，產(chǎn)生了一系列較為復(fù)雜的波系。在不同的氣室初始?jí)毫ο?，膛口流?chǎng)總體變化規(guī)律較為一致，但也有所不同。由于篇幅原因，這里通過(guò)選取較為典型的馬赫數(shù)等值線(xiàn)圖，對(duì)氣室初始?jí)毫?.5 MPa的膛口流場(chǎng)進(jìn)行了分析。

由圖8（a）可知，膨脹波已經(jīng)推動(dòng)彈丸運(yùn)動(dòng)，膛口管壁處出現(xiàn)了較小的渦流，外流場(chǎng)初步形成，彈底處由于膨脹氣流和反射氣流的相互作用，由管壁向軸中心處產(chǎn)生渦流。由圖8（b）可知，當(dāng)彈頭越過(guò)膛口時(shí)，彈頭附近產(chǎn)生較為復(fù)雜的沖擊波，彈頭處的渦流強(qiáng)度較大。膛內(nèi)氣流速度明顯存在膨脹波和反射波作用下的分層現(xiàn)象。由圖8（c）可知，彈丸剛飛出膛口時(shí)，在彈底產(chǎn)生的反射波及膛內(nèi)膨脹波共同作用下，氣流向彈底兩側(cè)空間發(fā)散式的膨脹，氣流速度迅速變大，并產(chǎn)生了渦流，渦流核心處氣流速度達(dá)到最大，由于彈丸運(yùn)動(dòng)速度不高，彈頭并未產(chǎn)生明顯的激波，彈頭、彈身附近氣體速度較小。由圖8（d）可知，隨著彈丸加速運(yùn)動(dòng)，彈底開(kāi)始出現(xiàn)馬赫盤(pán)。馬赫盤(pán)左側(cè)氣流達(dá)到超音速，右側(cè)氣流為亞音速，彈底兩側(cè)渦流向外擴(kuò)散，氣流速度明顯降低，由于氣流速度比彈丸速度大很多，超音速氣流伴有向彈體合攏的趨勢(shì)。由圖8（e）可知，當(dāng)彈丸繼續(xù)加速運(yùn)動(dòng)時(shí)，馬赫盤(pán)隨之移動(dòng)、縮小，并出現(xiàn)明顯的反射激波和滑移面，其左側(cè)氣流速度進(jìn)一步增大，其右側(cè)氣流速度進(jìn)一步減少，超音速氣流逐漸向彈體合攏，包裹彈體。由圖8（f）可知，當(dāng)運(yùn)動(dòng)距離繼續(xù)增大時(shí)，膛內(nèi)膨脹波進(jìn)一步減弱，馬赫盤(pán)滑移面彎曲，彈底亞音速區(qū)出現(xiàn)明顯的相交波，伴有氣流速度較大的渦流，馬赫盤(pán)中心受到彈底反射波作用而逐漸凹陷，馬赫盤(pán)逐漸向膛口側(cè)回縮，由于彈頭沖擊波的作用，彈身處氣體逐漸脫離表面，超音速氣流進(jìn)一步包裹彈體，但并不能完全包裹彈體。

圖8　膛口附近馬赫數(shù)等值線(xiàn)圖（氣室初始?jí)毫?.5MPa）Fig.8 Mach number contours near muzzle

4　結(jié)論

通過(guò)對(duì)4種不同初始?xì)馐覊毫ο聫椡柽\(yùn)動(dòng)和流場(chǎng)特性的變化規(guī)律進(jìn)行數(shù)值模擬及對(duì)比分析，主要得到結(jié)論如下:

1）彈丸在管內(nèi)運(yùn)動(dòng)是膨脹波及反射波不斷相互作用的結(jié)果，并伴有復(fù)雜的流場(chǎng)變化特性，膛口附近出現(xiàn)一系列變化復(fù)雜的波系。

2）不同初始?xì)馐覊毫ο拢瑥椡柽\(yùn)動(dòng)參數(shù)變化規(guī)律類(lèi)似，但初始?xì)馐覊毫υ酱?，出膛口時(shí)間越短，速度越大。

3）受過(guò)渡段的影響，膛內(nèi)氣流在膨脹波及反射波相互作用下出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象。振蕩氣流使得彈丸底部壓力波動(dòng)變化，彈丸底部壓力能夠獲得高于初始?xì)馐覊毫Γ页跏細(xì)馐覊毫υ酱?，氣流振蕩幅度越大。振蕩氣流是否能提高彈丸出膛口速度有待進(jìn)一步研究。

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Analysis of Interior Ballistic Characteristics and M uzzle Flow Field of High-pressure Gas Launcher

ZHOU Peng，CAO Cong-yong，DONG Hao
（School of Automation，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094，Jiangsu，China）

According to Navier-Stokes equation and Spalart-Allmaras turbulence model，the motion law of projectile under the action of high-pressure gas and its flow characteristics are simulated by using the dynamic mesh method based on CFD software.The change rules of in-bore average pressure，projectile base pressure，chamber base pressure and projectile motion parameters at the four kinds of initial pressure in the chamber are mainly studied.The changes of Mach number contours at different time at initial pressure up to 2.5MPa are analyzed.Research results show that a flow oscillation phenomenon occurs in the bore，and the changes of chamber base pressure and projectile base pressure are fluctuating.Initial gas chamber has the effect on the pressure oscillation amplitudes of chamber base and projectile base and the projectile in the muzzle velocity.The relationship between projectile motion velocity or motion time and motion distance in the barrel is approximately parabolic.

ordnance science and technology；high-pressure gas；dynamic mesh；interior ballistic；muzzle flow field；computational fluid dynamics

TJ012.1

A

1000-1093（2016）09-1612-05

10.3969/j.issn.1000-1093.2016.09.009

2016-03-10

周鵬（1992—），男，碩士研究生。E-mail:zp6831512@126.com；曹從詠（1964—），男，教授。E-mail:jy108@mail.njust.edu