丁 寧，郭保全，黃 通，欒成龍，李鑫波

(1 中北大學機電工程學院，太原 030051； 2 中北大學火炮技術研究中心，太原 030051)

0 概述

單兵筒式武器作為一種步兵肩射武器，具有質量輕、機動性高、隱蔽性強、 低后坐或無后坐等優(yōu)點， 可以進行防空反導、反裝甲和摧毀敵方防御工事等作戰(zhàn)任務,有利于在戰(zhàn)壕、巷子、居所等狹隘作戰(zhàn)環(huán)境內實施作戰(zhàn)[1-2]。在我國單兵器發(fā)展規(guī)劃中，單兵筒式武器因具有“有限空間發(fā)射”的能力被著重強調[3]。

探究筒式武器在有限空間內發(fā)射的流場特性對進行有限空間發(fā)射技術的研究有重要的指導意義。目前，國內外學者對單兵筒式武器“有限空間內發(fā)射”技術開展了大量研究，主要集中在如何減少后噴流場的沖擊波、噪聲、火焰等，例如通過在發(fā)射筒尾部放置液體、塑料碎塊等，來達到降沖擊、消焰降噪的目的[4-6]；且對于筒式武器后噴流場的研究主要是針對自由射場開展的[7-10]。而針對筒式武器在有限空間內發(fā)射后噴流場特性研究較少，未能探究后噴火藥燃氣沖擊波經過墻壁面反射后空間內流場的變化特性。

文中以某82 mm單兵筒式武器為例，通過構建其在有限空間內發(fā)射后噴流場數(shù)值仿真模型，利用ANSYS Fluent軟件對后噴流場進行數(shù)值模擬。研究了后噴火藥燃氣沖擊波與壁面相互作用引起的流場變化，并探討了在不同發(fā)射環(huán)境內發(fā)射近、遠場流場壓強變化規(guī)律。該研究對實現(xiàn)有限空間發(fā)射技術以及預測沖擊波對炮手的危害有一定的指導意義。

1 計算模型及網(wǎng)格劃分

1.1 基本假設

筒式武器后噴流場存在復雜的火藥燃氣與擋板碎片耦合過程，為了方便計算模型的建立以及減少計算量，作出以下假設：

1)將火藥燃氣后噴過程，由實際三維問題簡化成便于建模計算的二維仿真模型。

2)高溫高壓火藥燃氣作為理想氣體考慮，忽略其化學反應過程。

3)不考慮火藥燃氣和噴管壁面的熱量交換。

4)忽略火藥燃氣壓破藥室擋板的過程以及擋板碎片對后噴流場的影響。

1.2 計算模型

如圖1所示，在數(shù)值計算模型中將噴管入口端設置為壓力入口邊界條件，窗戶設置為壓力出口邊界條件，噴管內外壁面、發(fā)射筒外壁面、地面、墻頂、后壁面設置為壁面邊界條件。

圖1 有限空間發(fā)射后噴流場計算模型

為分析筒式武器后噴流場變化規(guī)律，設立監(jiān)測點如圖2所示。其中，p1、p2、p3為遠場監(jiān)測點，設于發(fā)射筒軸線上，分別距離噴管尾端1.2 m、2.4 m、3.8 m，主要用于監(jiān)測空間內遠場壓力變化。r1、r2、r3為近場監(jiān)測點，設于以噴管入口為中心，半徑為0.5 m的圓弧上，其與噴管入口中心的連線與發(fā)射筒軸線的夾角分別為90°、60°、30°，主要用于檢測空間內近場壓力變化。

圖2 監(jiān)測點位置示意圖

1.3 網(wǎng)格劃分

本模型全網(wǎng)格采用結構化網(wǎng)格。由于尾噴管內部涉及超高速流動，為保證計算準確，對噴管喉部和其出口區(qū)域網(wǎng)格進行加密處理。在計算后期，沖擊波會與墻壁面存在碰撞反射現(xiàn)象，因此對墻壁面附近的網(wǎng)格也進行加密處理。局部網(wǎng)格如圖3所示。

圖3 計算模型局部網(wǎng)格

1.4 邊界條件及算法

文中以某筒式武器內彈道數(shù)據(jù)為入口邊界條件，入口壓力取內彈道膛壓曲線，入口溫度取內彈道膛溫曲線，如圖4、圖5所示。

圖4 入口壓力曲線

圖5 入口溫度曲線

出口壓力取一個大氣壓，出口溫度取300 K;壁面函數(shù)采用標準壁面函數(shù)，壁面不考慮熱量交換；對計算域進行初始化時，計算域壓力取一個大氣壓，溫度取300 K。求解方法采用基于密度的耦合求解方法，對二維控制方程的離散采用有限容積法，對導數(shù)項采用二階迎風格式，控制方程中的湍流模型采用Realizablek-epsilon模型。

2 仿真分析

2.1 后噴流場分析

根據(jù)流場仿真結果，筒式武器后噴流場可分為3個階段：初始波系形成階段、沖擊波反射階段、紊亂階段。

第一階段：發(fā)射藥點燃后，燃氣射流壓縮藥室空氣，生成一系列壓縮波，壓縮波不斷疊加逐漸形成為一道強激波，從噴管噴出。如圖6所示，火藥氣體從噴管迅速釋放，形成非定常欠膨脹射流結構，強激波不再受到噴管限制作用迅速膨脹形成球形的火藥燃氣沖擊波，同時由于高速火藥燃氣射流的從噴管尾部噴出對周圍空氣的卷吸作用，在噴管出口周圍形成兩個低壓漩渦。如圖7所示，0.7～3 ms之間，沖擊波不受空間約束自由膨脹，呈球形不斷往后運動，直到沖擊波與墻頂、地面碰撞，第一階段結束。該階段后噴流場與在自由射場發(fā)射后噴流場規(guī)律相同。

圖6 0.7 ms后噴流場壓力云圖

圖7 3 ms后噴流場壓力云圖

圖8 4 ms后噴流場壓力云圖

第二階段：如圖8所示，隨著沖擊波的不斷膨脹，球形沖擊波直徑大小超過3 m，波面與地面、墻頂發(fā)生碰撞，形成弓形反射波。弓形反射波波與原沖擊波相碰撞疊加。如圖9所示，在6.5 ms左右，沖擊波與后壁面碰撞反射，由于后壁面與沖擊波運動方向垂直，后壁面出現(xiàn)較高壓強峰值。

圖9 6.5 ms后噴流場壓力云圖

第三階段：如圖10、圖11所示，7 ms左右，沖擊波與墻頂、地面碰撞形成的弓形反射波和沖擊波與后壁面碰撞形成的強反射波交匯，逐漸形成一高壓紊亂氣流團。紊亂氣流團逐漸向窗外移動，在16 ms左右，紊亂氣流作用于近場監(jiān)測點。

圖10 7 ms后噴流場壓力云圖

圖11 16 ms后噴流場壓力云圖

2.2 近、遠場壓強變化規(guī)律

圖12描述了近場監(jiān)測點壓強隨時間變化規(guī)律。在0～3 ms之間，球形火藥燃氣沖擊波經過監(jiān)測點，3個監(jiān)測點分別出現(xiàn)壓強峰值并迅速跌落，并且越靠近軸線，其壓強峰值越大。在5～10 ms之間，由于沖擊波與地面、頂面碰撞形成弓形反射波，導致近場監(jiān)測點壓強升高并產生鋸齒狀波動。但由于與地面、墻頂產生碰撞的沖擊波波面強度較弱，因此產生的弓形反射波也較弱。在16 ms左右，沖擊波與地面、墻頂碰撞形成的弓形反射波和與后壁面碰撞形成的反射波相互疊加形成的高壓紊亂氣流團逐漸向窗外移動，經過近場監(jiān)測點從而引起高壓峰值。隨著紊亂氣流團從窗口逐漸消散，近場監(jiān)測點壓強逐漸趨于一個大氣壓。

圖13描述了遠場監(jiān)測點壓強隨時間變化規(guī)律。在0～7 ms之間，火藥燃氣沖擊波依次經過監(jiān)測點，出現(xiàn)高壓峰值， 隨著沖擊波運動，能量消耗，峰值逐漸減小。7～12 ms之間，沖擊波與后壁面碰撞，導致遠場監(jiān)測點壓強峰值回升，產生齒型波動，監(jiān)測點越靠近后壁面，回升越高，波動越劇烈。之后，遠場壓強逐漸穩(wěn)定到一個大氣壓。

圖13 遠場不同監(jiān)測點壓強變化曲線

2.3 不同發(fā)射條件下流場壓強變化規(guī)律比較

為更好探究筒式武器在有限射場發(fā)射后噴流場特性，對其在自由射場發(fā)射的后噴流場進行仿真分析。圖14、圖15描述了筒式武器在有限射場與在自由射場發(fā)射時相同位置監(jiān)測點壓強變化規(guī)律。其中，r1、p3為有限射場內監(jiān)測點，r′1、p′3為同位置自由射場內監(jiān)測點。r1、r′1為炮手點，p3、p′3為近壁點。由圖14可知，0～3 ms內，由于后噴流場處于初始波系形成階段，兩種發(fā)射條件下炮手點壓強變化一致。 在7 ms左右，由于燃氣射流對周圍空氣的卷吸作用，r1曲線出現(xiàn)低壓峰值，之后炮手點壓強開始回升并逐漸穩(wěn)定在一個大氣壓。在有限射場內，5～10 ms階段，由于沖擊波與地面、墻頂碰撞形成的弓形反射波經過炮手點，使壓強升高，其峰值為1.5個大氣壓左右。在16 ms左右，由反射波引起的高壓紊亂氣流團經過炮手點，出現(xiàn)高壓峰值，值為4個大氣壓左右，為自由射場峰值的2.5倍。

圖14 不同發(fā)射環(huán)境下炮手點壓強變化曲線

由圖15可知，在0～7 ms之間，不同發(fā)射條件下近壁點壓強變化規(guī)律基本相同。在有限射場內，7 ms左右，沖擊波與后壁面垂直碰撞形成的較強反射波經過近壁點，該點壓強回升并出現(xiàn)齒形波動。當較強反射波完全通過該點，該點壓強迅速回落。有限射場與自由射場的流場相比，近壁點壓強峰值提升較小，是因為入射沖擊波本身強度越低，反射波強度提升就越小[11-12]。

圖15 不同發(fā)射環(huán)境下近壁點壓強變化曲線

3 結論

通過對單兵筒式武器有限空間發(fā)射后噴流場進行分析，得出以下結論：

1)筒式武器有限空間內發(fā)射后噴流場可以分成3個階段：初始波系形成階段、沖擊波反射階段、紊亂階段。第一階段：火藥燃氣從噴管高速噴出，形成球形火藥燃氣沖擊波，并在噴管尾部形成兩個低壓漩渦；第二階段：沖擊波首先與地面、墻頂碰撞形成弓形反射波，然后與后壁面碰撞反射形成較強反射波；第三階段：弓形反射波與強反射波相互作用形成高壓紊亂氣流團逐漸向窗外移動。

2)筒式武器在有限射場內發(fā)射時，沖擊波與地面、墻頂碰撞產生的弓形反射波對近場影響較小，幅值在1.5個大氣壓左右；沖擊波與后壁面碰撞產生的反射波對遠場監(jiān)測點影響較大，幅值在2.5～6.5個大氣壓左右；高壓紊亂氣流團對近場影響較大，幅值在4個大氣壓左右。

3)筒式武器在有限射場與在自由射場相比，炮手點壓強峰值出現(xiàn)在發(fā)射結束之后，是由高壓紊亂氣流團經過引起的，峰值是自由射場的2.5倍左右，近壁點高壓峰值提升較小。