水下贴壁发射膛口动态过程仿真.pdf

基于计算流体力学软件 采用动网格技术对.水下枪在贴壁、和 四种工况下的全淹没式发射建立了二维平面模型并进行仿真计算 计算结果表明:弹前水柱在枪口的喷射速度达到 /时水射流两侧开始出现空化壁面对空化效果有一定的抑制作用贴壁距离 时壁面附近的空化区域难以形成完整的水蒸汽相当贴壁距离增大到 时壁面对空化区域的影响基本消失随着贴壁距离的减小泰勒空腔边界在无壁面约束一侧的径向扩展速度逐渐增大在非对称压力场中射弹质心的径向位移随贴壁距离的减小而增大关键词:水下枪超空泡射弹初始流场膛口流场贴壁发射本文引用格式:李超畅严平.水下贴壁发射膛口动态过程仿真.兵器装备工程学报():.:.():.中图分类号:文献标识码:文章编号:()():./.:引言随着超空泡武器及相关理论的不断发展水下枪发射超空泡射弹进行水下攻防作战具有较好的应用前景相关研究 表明:超空泡射弹的水下运动稳定性对膛口初始运动参数极为敏感 因此水下枪(炮)的膛口动态过程具有重要研究价值近年来较多学者针对水下膛口动态过程进行了研究针对水下膛口压力场的演化规律张京辉等对弹道枪水下全淹没发射不同水深时的膛口流场典型波系结构进行了研究结果表明膛口流场典型波系结构形成的时间随水深的增大而变长 蔡涛对 口径火炮全淹没式发射过程进行了数值模拟研究结果表明:弹丸出膛口前膛口附近会产生肺状超空泡压力波主要表现为水柱冲击波弹丸出炮口后主要压力波由水柱冲击波转换为弹前激波 张旋对机枪水下发射枪口燃气喷射压力对膛口流场分布特性的影响进行了仿真得到了燃气喷射压力在 时燃气喷射压力越大弹丸越早脱离火药燃气的包围针对非对称膛口流场的演化规律刘康等研究了不同斜切角度膛口装置产生的非对称流场发现流场中的弹体两侧存在压力差激波压力作用在斜切角度膛口装置上可以起到抑制膛口跳动的作用 郭则庆等对内埋式航炮的膛口流场进行了数值模拟实验结果表明:在不同的来流马赫数条件下非对称膛口流场中的两侧机翼表面压力分布规律不同且冲击波强度与来流马赫数有关针对射弹与膛口流场之间的互相作用关系通过诱发非对称膛口燃气流场估算了由非对称气动载荷引起的弹丸线速度计算了由于角速度和线速度引起的射弹运动状态变化计算结果和测量值较为吻合 等对非定常膛口流场进行了仿真计算了包含射弹在内的膛口流场演化过程对初始冲击波和马赫盘等膛口流场主要特征进行了研究仿真计算结果与实验阴影图结果之间存在较好的一致性针对复杂膛口流场的仿真计算方法 等研究了非结构化网格在仿真计算中的使用并与结构化网格的计算结果进行对比 研究结果表明:与结构化网格相比基于非结构化网格的程序计算运行时间相对较快对于非常复杂的模型更有利于计算综上所述水下非对称膛口流场与射弹的运动状态密切相关水下发射的膛口动态过程对射弹的运动稳定性至关重要 本研究针对.水下枪在贴壁发射时的典型非对称膛口动态过程进行二维平面仿真以揭示不同贴壁距离条件下水下非对称膛口流场的演化过程及射弹运动规律 计算模型.计算方法数值计算采用()多项流模型湍流模型采用标准 模型利用!方法对压力项离散采用压力隐式算子分裂算法()耦合压力和速度动量和能量的离散采用二阶迎风格式计算时间步长.基本假设由于水下膛口流场的演化过程十分复杂为了能够对其进行有效的数值模拟对计算模型进行了如下假设:)不考虑火药燃烧过程产生的压力变化)将火药燃气视为可压缩理想气体满足理想气体状态方程忽略膛口燃气多组分化学反应的影响)弹丸在膛内沿 轴方向做正向平移运动出膛之后不考虑重力影响在 平面受环境压力作用自由运动)将水看作不可压流体参考密度取./)膛口及射弹周围采用 空化模型.控制方程按照上述计算方法和基本假设建立方程:)连续性方程:()()式中:下标 分别代表燃气相、液相和水蒸气相为对应项的密度、为对应的体积分数且 为流体速度为单位体积内气液两相的质量流量)动量方程:()()()式中:为混合物相密度为对应项的压力为汽液两相间质量输运引起的动量变化)能量方程:()()()()()式中:为平均能量 为混合相压力 为平均温度为有效热传导率为能量方程源项即空化引起的流场能量的改变其大小等于气液之间质量交换量与汽化潜热的乘积)理想气体气体状态方程:式中:./()为理想气体常数)湍流方程:()()()()()()()式中:为湍动能 为耗散率 和 为自由指标和 为李超畅等:水下贴壁发射膛口动态过程仿真速度矢量 为黏度系数是由于平均速度引起的湍动能 的产生相常数.为湍动能对应的普朗特数.为耗散率对应的普朗特数 表示湍动黏度常数.和.为经验系数)空化模型:()()()()式中:和 分别为气泡生长和溃灭时质量传递源项为空泡的体积分数 为单位体积内的气泡数和 分别为汽相和液相的密度 为混合相的密度为蒸汽分压力为气泡的半径 网格无关性及计算模型验证.物理模型针对贴壁距离分别为 、四种工况展开研究以贴壁距离 的工况为例刚壁面到射弹表面轨迹线的距离为 射弹在膛内沿 轴正向运动计算模型如图 其他工况类似图 贴壁 模型局部放大示意图.图 为贴壁距离 计算模型网格计算域分为高压燃气和弹前水域 个区域对弹丸周围网格进行加密枪管内径.枪管厚度 计算域长 宽.计算域网格数量 万最小尺寸为.采用全局三角形法进行网格划分 不同贴壁距离工况的计算域大小、形状以及网格数量略有差异但网格质量、尺寸和划分方法与 模型一致图 贴壁 模型网格示意图.计 算 模 型 采 用 网 格 光 顺()和 网 格 重 构()动网格技术来实现弹丸的运动网格重新划分标准为:.(为网格长度)当射弹运动时弹体周围网格被拉伸超过最大网格长度时会分裂成 个网格同理当靠近弹头的网格长度被压缩至.时该网格会与相邻的网格合并.初始条件和边界条件模型中的枪管、弹丸边界均为刚壁面射弹运动为沿 轴正向的刚体运动弹前水域外边界为压力出口弹后高压燃气区域为理想气体初始压力值取 弹前水域为不可压缩水介质水深 初始压力 初始温度.网格无关性验证为避免网格质量对计算结果产生较大影响分别采用不同网格数进行试算选择工况为贴壁距离 .时刻膛口中心轴向速度分布作为网格无关性验证的特征参数 无关性验证结果如图 所示 相对于 万网格数的计算结果 万网格数的最大相对误差仅为.而 万网格数的最大相对误差达到.综合考虑计算效率和计算精度选择网格数为 万的网格进行仿真计算图 不同网格数计算时弹底轴向压力分布曲线.模型验证基于以上模型及假设采用 多相流模型标准 湍流模型利用!方法对压力项离散结合网格光顺()和网格重构()动网格技术对膛口流场和弹丸运动过程进行仿真计算为验证计算模型的合理性对文献中燃气在圆柱形充液室内喷射实验进行模拟喷口直径为 燃气射流的初始压力为 将试验数据同仿真计算结果进行对比如图 所示计算值与实验值吻合较好最大相对误差为 初步说明了计算方法的有效性 另外将建立模型的仿真计算结果和文献 中使用 软件对各种口径的水下全淹没式发射的计算数据进行对比如表(口径.为本文计算结果)结果表明:.水下枪全淹没式发射过程的仿真计算结果和相关文献的数据较为一致一定程度上说明了计算模型的合理性兵 器 装 备 工 程 学 报:/./图 燃气射流扩展速度与时间的关系曲线.表 文献数据和本文计算结果对比 口径/最大膛压/枪口压力/枪口速度/()./.图 为仿真计算得到射弹空化过程局部密度云图与高速摄影捕捉的试验照片对比图图 仿真结果与试验照片局部对比图.由图 可知通过仿真得到的超空泡形态与试验照片较为吻合进一步证明了计算模型较为合理 结果分析.壁面约束对初始流场的影响为探究水下枪在贴壁约束状态下进行全淹没式发射的膛口流场变化规律针对.口径弹道枪在贴壁距离分别为 、共 中工况下的全淹没式发射膛口流场演化过程进行了仿真计算和对比分析 由图 可以看出射弹膛内运动时射弹后面的燃气存在明显的速度梯度距离弹底越近速度越高越靠近膛底速度越低体现了射弹膛内运动时的燃气扩展规律 在不同贴壁工况下弹后高压气体推动射弹加速运动射弹推动弹前水柱成为水射流从枪管喷出在轴向、径向扩展形成膛口初始流场 各工况下的水柱射流在出枪口时均出现了卷吸回流现象分析认为这是由于水射流与前方静止水域相互作用产生阻力导致了水射流的径向扩散另一方面由于水射流的流速较高膛口的水射流两侧形成了低压区压力差导致周围水流形成回流图 各贴壁工况的不同时刻速度云图.李超畅等:水下贴壁发射膛口动态过程仿真 在贴壁距离 工况下由于壁面的约束作用水射流和壁面之间的速度梯度大较大的剪切力使得水射流喷出枪口后整体上呈发散状态在 工况下靠近刚壁面一侧的流动受到剪切力影响有所减弱水射流出枪口后发散效果有所改善在 工况下靠近刚壁面一侧水射流受剪切力的影响明显减弱水射流出枪口后可以形成细长水柱水射流发散情况大大改善在 工况下水射流扩散几乎不受刚壁面影响膛口初始流场形状基本对称枪口水射流可以形成细长水柱除射流头部以外几乎不发散 通过对比可以发现:贴壁距离越大水射流扩散受刚壁面的约束效果越弱弹前水射流越容易形成细长水柱初始流场形态也越趋向于对称图 为 .时刻各种贴壁工况下的膛口初始流场相图 可以看出:在各种工况下枪口附近都出现不同程度的空化现象形成了文献中提到的双肺状超空泡 计算结果表明:当水射流在枪口的喷射速度达到 /时膛口水射流两侧开始出现空化随着水射流速度进一步增加空腔不断扩展形成双肺状空化区域 由于壁面的存在贴壁约束对空化效果产生了一定的抑制作用当枪口贴壁越近贴壁一侧越难形成空化无壁面约束一侧空化效果较好图 不同贴壁工况的相图(.).(.)如图()、图()所示:在贴壁距离 和 工况下刚壁面约束一侧无法形成完整的水蒸气相主要是汽液混合区且区域形态呈扁平状初始流场不对称当贴壁距离增大到 时贴壁一侧开始出现完整的水蒸气相说明随着贴壁距离增大壁面对膛口空化的抑制作用逐渐减弱当贴壁距离增大到 时刚壁面对空化效果的抑制作用基本消失贴壁一侧也能形成完整的水蒸汽相.壁面约束对燃气流场的影响针对.水下枪全淹没式发射的弹后高压燃气扩散过程进行仿真计算 图 为贴壁 工况水下全淹没式发射 .时的膛口流场密度云图可见射弹已经脱离燃气包围射弹高速运动时周围压力降低产生超空泡超空泡尾部闭合时呈现明显的紊流特征图 贴壁 膛口流场密度云图.弹后高压燃气扩展形成泰勒空腔为研究不同贴壁工况对泰勒空腔扩展的影响对各工况下高压燃气在(轴向)、(径向)方向上的扩展距离进行计算(.)结果如图、图 所示图 泰勒空腔在 方向的边界随时间变化曲线.图 泰勒空腔 方向的边界随时间变化曲线.兵 器 装 备 工 程 学 报:/./结果表明:壁面约束对泰勒空腔边界在轴向的扩展影响微弱而在径向扩展上影响较大射弹在 .时脱离枪口弹后气体迅速膨胀形成泰勒空腔在.时空腔内部压力大于外部阻力泰勒空腔在径向的扩展速率逐渐增大在 时泰勒空腔在径向的最大扩展距离为 在 时空腔内部压力小于外部阻力泰勒空腔在径向的扩展速率逐渐减小 对比各种工况发现:泰勒空腔在轴向扩展受壁面影响不大径向扩展速率都出现先增大后减小的趋势在同一时刻贴壁距离越近泰勒空腔边界在径向的位移越远以贴壁 工况为例对射弹出枪口后的膛口冲击波进行分析图 为射弹出膛口过程的压力云图图 贴壁 工况燃气扩展压力云图.由图 可以看出射弹在出膛口过程中形成了多层、相交的复杂冲击波系在刚壁面的影响下各种激波在壁面进行反射导致了射弹周围的环境压力的不对称 在图()中指明了在贴壁工况下射弹出膛时产生的 种主要激波:最外侧是弹顶空化器冲击水介质形成的弹前冲击波 压力值最大为.靠近弹头部的是刚壁面对弹前冲击波约束产生的反射冲击波 在弹前冲击波 和反射冲击波 部分叠加区域最大压力值达到.靠近枪口的是弹底高压燃气扩散形成的火药燃气冲击波 靠近膛口中心处的火药燃气冲击波与弹底和水介质相互作用在振荡过程中产生了马赫盘最大压力达到.随着弹丸逐渐远离膛口马赫盘处的压力峰值逐渐减小火药燃气冲击波也呈现出下降趋势由于膛口冲击波在壁面处被反射造成了射弹上下两侧不对称的压力环境产生的压力差会对射弹运动状态产生影响 为分析射弹在非对称压力场中的运动规律对各种近壁面工况的射弹上下两侧压力分布进行监测计算环境压力在、上的分布图 为射弹上下两侧压力监测模型 图 为近壁面 工况.时刻射弹上下两侧压力沿、的分布曲线图 压力监测模型.图 射弹上下两侧压力分布图.由图 可知刚壁面对弹前冲击波的反射使射弹两侧环境压力有较大差异射弹头部的近壁面一侧由于受到反射冲击波的影响其最大压力远大于无约束一侧在 .时射弹两侧的最大压力差达到.不同近壁面工况的射弹上下两侧最大压力差随时间变化的计算结果如图 所示(.)图 射弹两侧最大压力差随时间变化图.由图 可知:贴壁距离越近反射压力波在射弹上下表面造成的压力差越大 为分析压力差大小对射弹运动轨迹的影响监测了射弹质心的坐标变化 图 为不同贴壁工况下的射弹质心纵坐标随时间变化过程(.)李超畅等:水下贴壁发射膛口动态过程仿真图 不同贴壁工况射弹质心纵向位移变化曲线.由图 可以看出水下贴壁发射时射弹质心的径向位移都偏向无壁面约束一侧且射弹质心的径向偏移距离都随时间的延长而增大贴壁距离越小射弹质心的径向偏移距离越大在 、三种工况下射弹质心的径向偏移速率均随时间逐渐增大表明射弹上下表面的压力差一直存在从而造成了射弹质心的径向加速运动 同时贴壁距离越大射弹质心的径向位移速率越小表明壁面对射弹质心径向运动的影响力随贴壁距离的增大逐渐减小当贴壁距离增大到 时射弹质心在径向的位移变化会逐渐趋于稳定表明壁面对射弹质心径向运动的影响基本消失 结论本文针对.水下枪全淹没式发射时不同贴壁距离对膛口流场演化规律以及射弹运动状态的影响进行仿真计算主要得到以下结论:)壁面对膛口初始流场有约束作用贴壁距离越小弹前水射流扩散受刚壁面的约束效果越强且膛口空化效果越差当贴壁距离增大到 时壁面对弹前水射流的约束基本消失)不同工况下泰勒空腔的轴向扩展没有明显差异泰勒空腔边界在径向的扩展速率都出现先增大后减小的趋势空腔边界位移随贴壁距离的减小而增大在同一时刻贴壁距离越近泰勒空腔边界在径向的位移越远)射弹质心的径向偏移距离随贴壁距离的减小而增大在 、时射弹的径向偏移速率均随时间逐渐增大且贴壁距离越小射弹质心的径向位移速率越大当 时壁面对射弹质心径向运动的影响逐渐消失参考文献:吕一品.超空泡航行体非线性动力学特性与运动稳定性研究.南京:南京理工大学.:.:.郑鑫.膛口流场及其对弹丸运动影响的研究.沈阳:沈阳理工大学.:.张京辉余永刚.弹道枪不同水深下全淹没式发射膛口流场的数值分析.爆炸与冲击():.():.蔡涛.水下发射膛口多相流场分析.太原:中北大学.:.张旋余永刚张欣尉.枪口压力对水下发射膛口流场特性的影响.弹道学报():.():.刘康.膛口斜切角对枪口流场影响研究.南京:南京理工大学.:.郭则庆乔海涛姜孝海.内埋式航炮膛口流场特性数值模拟研究.兵工学报():.():.:.兵 器 装 备 工 程 学 报:/./张京辉余永刚.弹道枪水下全淹没式发射膛口流场演化特性的数值模拟研究.兵工学报():.():.张旋代淑兰余永刚等.水下机枪密封式发射膛口流场特性分析.兵器装备工程学报():.():.莽珊珊余永刚.高压燃气射流在整装液体中扩展过程的实验和数值模拟.爆炸与冲击():.():.任成虎.超空泡射弹内弹道特性规律研究.南京:南京理工大学.:.周永升侯健可学为.水下內弹道装药特性仿真分析及试验研究.舰船电子工程():.():.():.科学编辑 张俊 博士(上海海洋大学副教授)责任编辑 徐佳忆(上接第 页).():.徐华.减小铂铑热电偶丝不均匀热电动势.四川兵工学报():.():.阚金玲刘家骢.一次引爆云爆剂的爆炸特性.爆炸与冲击():.():.():.爆炸与冲击相关损伤.蔡继峰译.北京:人民卫生出版社:.:.科学编辑 姚术健 博士(中南大学副教授、博导)责任编辑 胡君德李超畅等:水下贴壁发射膛口动态过程仿真