双管发射对运动弹丸姿态的影响

2015-07-01佟凯，李强

兵器装备工程学报 2015年3期

佟凯，李强

(中北大学机电工程学院，太原 030051)

在火炮射击后效期，膛内高温高压高速的火药气体瞬间喷出，与空气、初始流场进行作用，产生一系列包括冲击波、膛口焰、噪声等复杂的物理现象。由于制退器的存在，炮口流场也将产生相应的变化，最终形成几个相互叠加的非定常、瞬态的复杂冲击波场。在炮口安装制退器，用于改变后效期内火药气体的流量分配，缓解火炮威力与机动性之间的矛盾。但制退器的使用也存在负面影响，它导致炮手方向的超压值增大，影响炮手的身体健康，甚至会对相关设备造成破坏。

长期以来，研究膛口流场的主要方法是实验。随着计算机性能和计算流体动力学(CFD)的发展，越来越多的学者采用仿真方法模拟膛口流场的变化。张辉基于CFD 计算了火炮身管自由后坐速度，给出了一种直接计算炮口制退器效率的方法［1］;代淑兰基于动网格技术，考虑了运动弹丸对流场发展的影响［2］;王兵通过求解轴对称ALE 方程组对弹丸出膛后的运动过程进行了数值模拟［3］。本文基于某小口径火炮，建立双管发射时的模型，采用二维欧拉方程和AUSM 格式的有限体积法对含运动弹丸的流场结构进行计算，得到了运动弹丸与双制退器相互影响下流场结构和弹丸运动姿态的变化情况。

1 控制方程和数值方法

1.1 基本假设

仿真计算中在考虑主要因素的前提下，采用的假设有:①忽略初始流场作用;②将火药气体视为理想气体，满足理想气体状态方程;③不考虑燃烧和化学反应;④以弹丸出膛口瞬时为计时零点。

1.2 控制方程

计及黏性的理想气体二维可压缩非定常流动的方程为

其中:

其中:p 为压力;ρ 为密度;E 为单位质量气体所具有的内能;u、v 分别为x、y 方向上的气体分速度;x1、x2分别为x、y 方向上的网格分速度;τ 为黏性力。

2 动网格理论和计算模型

2.1 动网格理论

动网格有3 种更新方法，分别是弹簧光顺法、动态层法和局部网格重构法。各种方法的具体解释参照参考文献［4］。

2.2 建立模型

建立双管发射时的计算模型如图1 所示。计算区域为7 m×6 m，身管间距为0.5 m。采用分块网格划分方法，在弹丸周围采用非结构网格进行划分，并进行加密处理，其他区域采用结构网格划分方法。采用压力出口和压力入口边界条件，并使用UDF 控制随时间变化的边界条件参数。

图1 制退器及弹丸周围网格划分

3 仿真结果与分析

膛内高温、高压火药气体出膛口后，迅速沿弹丸船尾部与制退器之间的空隙进行膨胀，依次从第一排到第四排侧孔形成膨胀波。在刚开始的几十μs，冲击波滞后于飞行的弹丸，随后冲击波进行膨胀加速，如图2(a)所示，冲击波逐渐包围并超越弹丸。图2(b)所示，在0.2 ms 以前，2 个冲击波场独立进行发展，受扰动区域彼此不发生影响。由于制退器的存在，与无制退器时形成的近似球形的冲击波不同，每个制退器附近各自形成了3 个相互叠加的冲击波，并且冲击波径向的发展速度要比轴向快［5］。图2(d)所示，0.6 ms 时在身管两侧的气流逐渐向外侧膨胀，形成了侧向独立的冲击波，并与先前的流场进行扰动和叠加，在叠加一段时间后便开始进行衰减;同时由侧孔喷出的高速气体在身管之间也有叠加，形成了强度更大的激波，此时相互干扰与相交的冲击波在制退器前部形成弓形激波。自从两身管之间形成叠加波场后，从0.4 ms 到1.5 ms，扰动在身管之间向后传播速度明显要比两侧斜向后的速度快，因此两侧的高压区要压迫身管彼此靠近，影响射击精度。在身管之间叠加形成的高压射流区不只向后流动，而且还会向前剧烈运动。图2(d)所示，这个分速度虽然没有直接从中央弹孔膨胀出的速度大，但是足以对膨胀波进行干扰，速度小的高压区对瓶区向两侧各自压缩，从而形成了膛口波系结构。随着时间的发展，高速气流打在弹底而形成的弹底激波逐渐消失，激波瓶的瓶区在轴向、径向逐渐变大，瓶状激波和马赫锥逐渐发展为马赫盘，形成了如图2(f)所示的多边形马赫盘。

图3、图4 为弹丸所受轴向合力、侧向合力随时间的变化情况，可以得到:①弹丸在整个后效期有2 次加速阶段，从图3 可以看出速度的增量绝大部分发生在第1 阶段(即0.5 ms以前)，且轴向加速度随着轴向合力的急剧下降而下降;②在2 个流场独立发展阶段，二者之间没有影响，每个流场只对各自的弹丸产生轴向加速作用，而侧向作用几乎为零，在二者相互干扰后，从图4 可以看出两弹丸所受的侧向合力基本对称且方向相反，图5 表明最大侧向速度可达2.5 m/s 左右，与身管的振动相比，这是弹丸射击精度下降的主要原因。