某火炮制退机内部流场数值仿真

陈朝君，郑建国，丁传俊

（南京理工大学机械工程学院，江苏南京 210094）

0 引言

制退机是火炮上控制受力和运动的重要部件，通过挤压制退液使其流过流液孔以达到耗能的效果，从而保证火炮射击稳定性。由于火炮射击时，制退机后坐压力达到20 MPa左右，后坐速度达到13 m/s左右，整个后坐时间持续0.2 s左右［1］，所以其内部的流动规律比较复杂。

目前国内的研究主要是以仿真为主，其中郑建国［2］等建立二维轴对称模型，并使用“仿运动壁面法”，对制退机内部流场进行了仿真计算，并得出液压阻力系数。张晓东［4-6］等通过建立真实制退机模型，并使用动网格技术，得到了较好的结果。范永［3］等建立了三维简化模型，并采用动网格技术得出了制退机工作腔最大压力和最大流速。但是以上研究和制退机实际的工作情况还有较大差距，主要的原因有:1）模型过于简化，无法反应制退机内部真实结构;2）采用不适当的边界条件，以上文献将制退机非工作腔简化为无端盖管道，充满制退液且出口压力为零。3）制退机的非工作腔并非一直存在真空，而是一个压力震荡的过程。

本文建立了与实际模型主要特征相近的简化物理模型，放弃以往采用零压力出口的方法，利用fluent软件网格动态层更新方法［7］，对制退机的内部流场进行了非定常仿真，并得到了制退机内部工作腔、非工作腔的压力、速度云图以及非工作腔射流的速度曲线。仿真结果显示网格运动过程和制退机实际运动过程一致，体现了制退机内部真实流动情况，为下一步结构的优化设计和故障分析提供了理论依据。

1 制退机简化模型以及计算模型的处理

火炮发射时，后座部分沿导轨向后运动，制退杆活塞挤压Ⅰ腔内的制退液，导致Ⅰ腔工作压力增大，使制退液分为两股液流，其中一股流入非工作腔Ⅱ，另一股液流流入Ⅲ腔。同时由于制退杆的不断被抽出，Ⅱ腔会出现真空。Ⅲ腔由于始终充满液体不会产生真空。

图1 制退机结构简图

制退机内部的流动属于三维非定常流动，有运动边界且存在高速真空射流。为了简化计算，对制退机的计算模型进行了简化:首先将三维对称结构简化为二维轴对称结构;其次简化节制杆尺寸和调速筒内部结构;同时将制退杆活塞简化为环形通道，但倾角为实际尺寸。简化后的模型如图2所示，在基本保持制退机结构尺寸的情况下，可以反映制退机内部流场的真实情况。

图2 简化后的计算模型

1）制退机的运动边界采用导入profile文件的方法驱动边界运动，使得制退杆和制退活塞按照实测炮管后坐速度抽出。在抽出的过程中，运动区域的网格采用动态层变方法自动更新。例如，当工作腔内的网格受到压缩时，网格会压缩变形继而和邻近层的网格合并;非工作腔内的网格则受到拉伸时，网格会拉伸然后分裂生成新的网格。

2）通过对模型内部区域进行分区来划分网格，静区域内采用规则的四边形网格，并且控制网格的疏密程度，使贴近壁面的网格更加精细，以此来代替流动的边界层。对于不规则形状的动区域则采用三角形非结构网格，并严格控制网格品质。动区域和静区域之间采用interface进行数据交换。

3）除了对称轴为对称边界条件外，其他内部边界均作为壁面边界条件处理。壁面有动壁面和静壁面之分。

最后整个计算区域共生成89 184个网格，网格划分足够细密，可以使求解结果不存在网格依赖性。

在此将制退机的计算模型采用二维轴对称模型的一半，制退机划分的网格模型如图3所示，其中制退机流场计算域网格如图3（a），其中网格的局部放大图如图3（b）、（c）。为了数值模拟的有效性必须保证网格的品质，因此采用以下原则:

图3 制退机网格模型

1）划分计算模型的网格采用分区划分网格;

2）根据制退机结构的复杂情况，对网格进行加密处理;

3）布置网格时，结构规则的地方采用四边形网格，结构不规则的地方采用三角形网格;

4）计算过程中各子区域数据通过滑移网格界面进行数据交换。

2 计算采用的数值方法

仿真是在的正常气温下进行，采用标准装药，0°射角。制退液设定为不可压缩粘性流体，密度为1 160 kg·m－3动力粘度为0.01 Pa·s。在软件中采用非耦合算法求解控制方程。采用标准湍流模型，压力项采用PRESTO方法进行离散，动量项采用一阶迎风格式离散，其他项均采用二阶迎风格式进行离散。时间步长选择为1e－06 s，整个迭代次数160 000，计算时间为0.16 s。`

3 仿真结果分析

仿真后得到各腔的压力、速度、湍动能等分布云图以及流线图。图4给出了制退机后坐速度和非工作腔射流速度曲线;图5给出了制退机工作腔平均压力曲线;图6给出了制退机非工作腔的平均压力。

图4、图5中可以看出当制退机后坐速度达到最大时，制退机非工作腔内的射流速度也达到最大值，即在0.013 6 s时非工作腔射流速度达到最大值105.23 m/s。而工作腔的最大压力并不是出现在此时，在0.012 6 s时，工作腔平均压力的最大值为8.24 MPa，在后坐速度最大时工作腔平均压力为7.76 MPa，两者相差并不大。

图4和图5中制退机后坐速度和非工作腔射流速度曲线呈现线性变化趋势，制退机工作腔内的平均压力的变化趋势则是近似二次变化的，这是符合设计理论的。

图6非工作腔的平均压力出现了短暂的负压值，这是由于工作腔压力急剧升高，制退液在高压作用下通过流液孔进入Ⅱ腔和Ⅲ腔，此时Ⅱ腔内的压力开始增大，随着制退杆的不断抽出，Ⅱ腔持续形成短暂的真空，在图中即表现为压力出现了短暂的负压值，随后Ⅱ腔内的压力基本保持低压状态。这是符合制退机工作情况的。

图6 非工作腔平均压力

图7、图8中可以看出制退机射流速度在流液孔附近迅速达到最大值，因此这股液流为主流。当液流进入Ⅱ腔后，由于其速度很高，当它和Ⅱ腔内的液体迅速混合后，在活塞附近立刻形成湍动能很高的漩涡，通过这一过程液体压力、速度下降，制退液温度升高，火炮动能由此转化为液体的内能，最终达到耗能制动的目的。另一股液流进入Ⅲ腔，即为支流。由于Ⅲ腔在设计时，确保了其腔内始终充满液体，所以在后坐过程中，虽然制退杆不断抽出，Ⅲ腔内部空间增大，但是其内部不会出现真空。

图9中当液体流过流液孔进入Ⅲ腔，在经过调速筒流液孔时，压力、速度均下降。随着时间的推移，制退机内部的压力、速度均不断下降，漩涡的剧烈程度也有所下降。同时在Ⅱ腔，其内部只会出现一个漩涡，这是因为非工作腔的流动类似于台阶流动，下游的漩涡会被较高速度的射流冲散，而右端如果采用零压出口，在流动的后期，由于非工作腔内部空间增大，腔内压力分布不均，则会出现两个漩涡，这与理论不符。

图9 不同时刻流线分布图

4 结论

通过对制退机二维轴对称模型的非定常仿真，较为真实地得出了通常实验难以测定了流动数据，如压力、速度以及真空射流速度等数据。而且通过分析认为非工作腔只会出现一个漩涡，认为在仿真中设置右端为零出口的边界条件并不合适。因此，本文提出的仿真方法可以较为合理地仿真制退机内部流动情况，可以为制退机的优化设计和故障分析提供一定的理论基础。

［1］高树滋，陈运生，张月林，等.火炮反后座装置设计［M］.北京:兵器工业出版社，1995.

［2］郑建国.火炮制退机流场的数值模拟［J］.力学与实践，2001，23（2）:30-32.

［3］范永，刘树华，曹广群.基于动网格的某驻退机三维流场数值模拟与分析［J］.火炮发射与控制学报，2010.

［4］张晓东，张培林，傅建平，等.基于动网格的火炮制退机内部流场数值模拟［J］.南京理工大学学报，2010，34（4）.

［5］张晓东，张培林，傅建平，等.基于二维模型的火炮冲击运动计算［J］.振动与冲击，2011，30（2）.

［6］张晓东，张培林，傅建平，等.基于CFD与协同仿真的火炮后坐分析计算［J］.弹道学报，2010，22（3）.

［7］温正，石良臣，任毅如.FLUENT流体计算应用教程［M］.北京:清华大学出版社，2009.