双管自动迫击炮齐射炮口流场分析.pdf

第 卷 第 期兵 器 装 备 工 程 学 报 年 月 收稿日期:修回日期:录用日期:作者简介:袁家绪()男硕士:.通信作者:王惠源()男博士教授:.:./.双管自动迫击炮齐射炮口流场分析袁家绪王惠源渠慧娴于家辉王童语(中北大学 机电工程学院 太原)摘要:为分析双管自动迫击炮齐射时炮口流场对弹丸产生的影响运用经典内弹道模型对迫击炮发射的膛内平均压力及弹丸速度进行计算利用三维非定常 方程采用动态分层技术的结构化动网格方法处理弹丸运动引起的网格变化建立炮口流场模型对该双管速射迫击炮发射过程中炮口流场的变化进行数值模拟与分析 研究表明:弹丸出炮口后火药燃气迅速膨胀 个流场相互叠加干扰产生局部高压区域并且相互叠加的流场使弹丸产生的侧向合力最大侧向力达.会对双管自动迫击炮齐射时的射击精度产生影响关键词:齐射炮口流场内弹道后效期动网格本文引用格式:袁家绪王惠源渠慧娴等.双管自动迫击炮齐射炮口流场分析.兵器装备工程学报():.:.():.中图分类号:.文献标识码:文章编号:()():.:引言在枪炮发射时炮口处会在初始射流、火药燃气射流以及弹丸的共同作用之下产生复杂的炮口流场系炮口流场是诸多影响火炮射击精度的因素之一 在双身管齐射时由于身管之间距离较小各自所产生的流场会相互干扰形成复杂的叠加流场对弹丸侧面压力分布产生影响形成侧向合力从而导致武器的射击精度受到影响随着计算流体力学的发展数值模拟已成为研究膛口流场的重要手段 张焕好等应用 格式及结构化动网格技术模拟了弹丸飞离制退器过程中的膛口流场 张海龙等对航炮在吊舱中的不同安装位置进行稳态数值模拟和膛口流场瞬态数值模拟 李善吉等利用动网格技术分别模拟了在吊舱内部是否使用偏流装置的航炮发射时膛口流场 刘欣宁等运用三维非定常 方程并结合 格式数值模拟分析了弹丸飞出炮口制退器过程中的膛口流场的变化过程 汤傲等对小口径尾翼弹飞出膛口及尾翼张开过程中的膛口流场进行了数值模拟 郭则庆等基于 方程的有限体积方法对复杂形状弹丸的膛口流场进行了数值模拟 黄欢等采用整体分块网格和结构化网格动态层变方法数值模拟分析了迫击炮弹丸出炮口后的流场针对单个身管炮口流场计算现已有广泛的研究但对于双身管齐射时炮口流场对弹丸受力的研究较少 本文中根据三维非定常 方程运用结构化动网格技术建立双管自动迫击炮齐射时三维数值模拟模型对双管自动迫击炮的炮口流场进行数值仿真分析双身管齐射时的炮口处流场的叠加过程以及叠加后的炮口流场对弹丸侧向合力和轴向力的影响 膛内过程计算.基本假设及内弹道计算模型根据迫击炮的装药及内弹道过程特点提出以下假设:)尾管未破孔之前基本装药在尾管内定容燃烧打开传火孔以后燃气从尾管中流出并点燃辅助装药 在基本装药未燃完之前按基本装药和辅助装药构成的混合装药处理 基本装药燃完后辅助装药单独燃烧直至燃完)基本装药和辅助装药按各自燃烧规律燃烧燃速公式采用指数燃烧定律)热损失不作直接计算通过减小火药力的方法间接修正热损失的影响)气体从间隙中流出时满足临界状态的条件 对于装有闭气环的情况可令 根据上述假设迫击炮内弹道计算方程组为 ()()()式()中:为火药装药烧去的百分比、为火药的形状特征量 为燃速常数 为燃速指数 为次要功系数为弹丸质量 为炮膛横断面积 为膛内平均压力为药室自由容积缩颈长 为平均火药力 为装药质量 为弹丸运动速度.内弹道计算结果膛内平均压力随时间的变化规律曲线如图 所示 内弹道计算膛内最大平均压力为.弹丸的速度随时间变化规律如图 所示弹丸在身管内运动时间约为 计算获得弹丸出炮口时的初速为./该计算结果将用于炮口流场数值模拟的参数初始化图 膛内平均压力随时间的变化规律.图 弹丸速度随时间变化规律.数值模拟方法.控制方程选用三维非定常 方程()其中:()()()式()中:为气体密度、分别为、个方向的速度分量 为单位质量气体的总能量 的表达式为兵 器 装 备 工 程 学 报:/./()()式()中 为理想气体绝热指数 理想气体状态方程为 ()式()中 为通用气体常数取 ./()由于弹丸运动导致网格运动计算流场内控制体会发生改变控制方程为()()式()中:为运动区域控制体 为运动区域控制体边界 为通变量 为控制体运动速度矢量网格运动速度矢量 为广义扩散系数为 的源项 为面积矢量湍流模型采用 模型该模型对逆压梯度作用的边界层分离、流线弯曲、旋涡流等现象非常有效适用于平面射流、圆形射流、旋转流.计算模型及方法以双管自动迫击炮为研究对象计算弹丸运动到炮口时即弹丸后效期的模型身管长度 身管壁面厚度 计算域外流场为直径 、长度 的圆柱形流场区域 三维网格纵向切面如图 所示图 部分三维网格纵向切面示意图.由于后效期阶段火药气体和弹丸之间的流固耦合作用本文中采用动网格技术方法中的层铺法模拟弹丸运动 其中弹丸四周的网格采用四面体非结构网格划分运动前后区域以及静态区域为六面体结构化网格在静态区域与运动区域传输时需对 个区域交界处的网格进行加密处理避免由于不同大小的网格传输时出现数据间断影响迭代收敛和等值线图 远离炮口和弹丸的网格区域采取结构网格进行划分并可将网格放大用于提高生成速度和计算速度.初始条件和边界条件初始时间为弹丸到达膛口时即后效期开始时刻此时膛内气体的压力、速度及温度分布计算公式为身管内压力分布:()()火药燃气速度分布:()膛内温度分布:()式()式()中:为膛内火药燃气压力沿身管轴向分布为弹底压力 为装药质量为次要功系数 为弹丸质量 为身管长度为火药燃气速度沿身管轴向分布 为弹丸出炮口速度 为火药燃气摩尔质量为膛内平均密度 为气体常数初始时间身管内压力和火药燃气速度曲线如图 所示计算区域中存在出口边界和固体壁面边界身管的内外表面为固壁边界弹丸区域前后表面为动网格边界面外围流场区域定义为压力出口边界图 初始时间身管内压力和火药燃气速度曲线.计算结果与分析由于膛内的高温高压气体在弹丸出炮口后急剧膨胀会形成炮口流场复杂激波系 图 为双管迫击炮齐射时不同时刻的炮口流场纵向切面速度云图 弹丸出炮口后高速气流冲出炮口从炮口向周围扩散由于炮管内气体与炮口处气体运动速度不同从而在炮口处形成接触间断此时火药燃气冲击波呈现球形状 如图()所示在.前炮管内火药燃气冲出炮口并在弹丸周围溢出膛内火药燃气在短时间内膨胀较小所产生 个冲击波区域彼此互不影响 个流场独立进行发展此时炮口附近火药燃气速度较高速度为./如图()、图()所示在 后由于弹丸飞行速度小于火药燃气速度弹丸被火药气体完全包围随着火药燃气继续向外扩张两身管产生的炮口流场相互叠加干扰与此同时高速欠膨胀气流推动弹丸向前运动前方未受到扰动气流与弹丸相互作用而产生弹前激波图 为双管迫击炮齐射时不同时刻的炮口流场纵向切面压力云图 如图()所示在.之前身管两侧的气流在炮口迅速膨胀形成侧向独立的冲击波此时流场并未叠加 如图()所示在 时由于向身管两侧膨胀的火药袁家绪等:双管自动迫击炮齐射炮口流场分析燃气在两身管间相互叠加干扰形成局部高压区域 如图()所示在 后弹丸运动以及高压气体不断膨胀的共同作用下两弹丸间的火药燃气压力慢慢衰减对两弹丸的侧向作用力逐渐减弱图 不同时刻下速度云图.图 不同时刻下压力云图.在距离炮口横向.处设置了 个监测点、监测点分别在距离为.、.、的炮口轴向位置处 图 为监测点超压值随时间变化规律 由于炮口冲击波呈球状向外扩散并且在扩散过程中不断衰减根据波后和波前的压力比和来流马赫数之间的关系可知冲击波波面上的压力并非均匀表现为从右向左递减 因此 点处的超压值大于 点 点处的超压值为 点处的超压值为 因为、点远离冲击波中心处所以该 点处的超压值出现时间迟于、点处且超压值小于、点处图 监测点静压变化图.图、图 为弹丸所受轴向合力、侧向合力随时间变化情况图 两弹丸轴向合力随时间变化曲线.图 两弹丸侧向合力随时间变化曲线.兵 器 装 备 工 程 学 报:/./由图 可知当弹丸从炮口射出后由于火药气体从身管内向外部快速扩散从而导致弹丸受到的轴向合力也急剧下降 由图 可知在 个流场独立发展.之内由于 个流场并没有相互影响弹丸所受侧向作用几乎为零 在.之后火药燃气继续迅速膨胀两身管之间的气流相遇炮口流场相互叠加干扰在两身管间形成局部高压区域进一步加剧了对弹丸的影响使弹丸受到的侧向力迅速升高导致弹丸两侧的力不相等弹丸内侧的力明显大于弹丸外侧受到的力弹丸获得单向力其最大侧向合力约为.随着弹丸以及气流运动的影响叠加流场所产生的高压区域压力降低侧向合力影响逐渐减小 大约在.时叠加流场产生的侧向合力达到最小 在弹丸穿越马赫盘后叠加流场所形成的高压区域对弹丸的影响逐渐减小但由于马赫盘继续扩张当高速气流从两弹丸之间穿过时对弹丸再次产生影响此时弹丸受到的侧向合力和侧向偏移速度有所增加 当弹丸逐渐远离炮口后 发弹丸的叠加流场产生的侧向合力再次减小在大约.之后弹丸的侧向合力达到稳定 结论本文中基于三维 方程采用动态分层技术的结构化动网格方法对双管自动迫击炮齐射时的炮口流场进行三维数值模拟并进行超压值监测 得到如下结论:越在炮口后方的位置超压值越小 火药燃气叠加形成的局部高压区域使弹丸受到不对称的侧向力其最大侧向合力为.在侧向合力的作用下导致弹丸获得侧向加速度会导致射击精度下降 此计算结果可为身管后方设备及人员安全位置区域的确定和后续对该双管迫击炮外弹道结果计算提供依据参考文献:张焕好陈志华姜孝海等.膛口装置三维流场的数值模拟及制退效率计算.兵工学报():.():.():.():.刘欣宁岳明凯.带炮口制退器的火炮膛口流场三维数值模拟.四川兵工学报():.():.汤傲戴劲松王茂森等.小口径尾翼弹膛口流场数值模拟.兵器装备工程学报():.():.郭则庆王杨姜孝海等.膛口初始流场对火药燃气流场影响的数值研究.兵工学报():.():.黄欢何永蔺月敬.某迫击炮炮口流场数值模拟与分析.火炮发射与控制学报():.():.钱林方.火炮弹道学.北京:北京理工大学出版社:.:.:.李鸿志姜孝海王杨等.中间弹道学.北京:北京理工大学出版社.:.李子杰王浩陈健伟.超高速弹丸膛口流场结构分析.哈尔滨工业大学学报():.():.廖振强邱明.自动武器燃气动力学.北京:国防工业出版社.:.高树滋陈运生.火炮反后坐装置设计.北京:兵器工业出版社:.:.科学编辑 蓝维彬 博士(成都理工大学)责任编辑 唐定国袁家绪等:双管自动迫击炮齐射炮口流场分析