某内能源转管武器导气装置气室流场的数值模拟

黄 岚，韩晓明，李 强，谭 庆，徐新奇

(中北大学 机电工程学院, 太原 030051)

【火炮和自动武器】

某内能源转管武器导气装置气室流场的数值模拟

黄 岚，韩晓明，李 强，谭 庆，徐新奇

(中北大学 机电工程学院, 太原 030051)

为了探究某内能源转管武器导气装置内部流场的情况，本文建立了某内能源转管武器导气装置气室流场的物理模型和数学模型，利用计算流体力学软件数值模拟了导气装置的气室流场，得到导气前、开始导气与结束导气三种时刻下导气装置的压力云图、温度云图以及速度流线图，总结其规律并分析导气孔处温度和压力的情况，为今后内能源转管武器的结构设计提供参考价值。

导气室；气室流场；数值模拟；导气孔；活塞

导气装置是利用从身管侧孔导出的部分膛内火药燃气推动自动机原动件工作的装置。由于导气装置气室压力对导气式自动武器的性能有重要影响，许多学者做出了卓有成效的研究：魏传礼[1]等对导气装置内的火药压力特性进行了初步的研究；廖振强[2]应用气体动力学和热力学理论，研究了内能源转管武器喷管气流的内部流场；韩晓明[3]等对内能源转管武器导气装置的结构参数进行了优化设计；胡明[4]等分析了内能源转管武器导气装置对射速的影响。但内能源转管武器的结构较传统自动武器有较大差别，其内部流场的变化分布如何影响武器的性能仍有待研究。本文应用计算流体动力学软件对某内能源转管武器的导气装置进行了气室流场的数值模拟，得到了导气室内压力的分布情况以及导气孔处温度的变化规律，并分析了这些因素对内能源转管武器的影响，为今后该类武器的研究具有一定的意义。

1 导气装置的结构原理

导气式自动机按其火药燃气驱动身管组转动方式的不同可分为叶轮驱动式和活塞式，活塞式有单向、双向驱动两种方式[5]，导气装置的结构一般由导气孔、气室、活塞和连杆等组成，参见图1。内能源转管武器射击时，依次将身管内部分火药燃气导出，通过活塞曲柄连杆机构或者滑块凸轮机构驱动气室内的活塞作往复运动，再通过凸轮传动机构带动转管武器的行星体和身管组旋转，并传动供弹机构、闭锁机构等组件工作，以完成高速连续射击动作[6-10]。

1.身管； 2.导气孔； 3.气室； 4.导气箍； 5.活塞筒； 6.活塞

图1 导气装置的结构简图

2 导气室装置的数学模型

由于内能源转管武器的射击过程十分短暂，火药燃气在膛内、导气装置中都呈现强烈的非定常状态，所以分析起来比较复杂，现选其中的某管进行研究分析来探究其中的规律。假设导气装置工作时，火药已燃尽没有固相流动、是一维流动，流动中的气体为完全气体且不计质量力，气流的摩擦、散热满足雷诺比拟关系，气孔处流入的气体与炮膛内的气体相比所占量较小，气流参数可由内弹道解算，其整个过程可通过建立气流的质量守恒、能量守恒和活塞运动方程来描述。

2.1 质量守恒方程

在dt时间内，气室中气体质量的变化等于从膛内流入和从间隙漏掉的气体质量之差，可得出：

(1)

式中:wq为气室中火药燃气比容;G-Gq为气室内气体的变化量;V为气室容积;St为间隙面积。

2.2 能量守恒方程

根据热力学第一定律可知，在工作时间dt内，其能量变化满足：

dQ-dQ1-dQs=dA+dE

(2)

其中：dt时间内流入气室的热量dQ=cp·T·Gdt，从活塞与气壁间的环形面积ΔSs漏失了热量dQ1=cp·Tq·Gq·dt，经过气室筒壁散失的热量dQs=a·ρ·(Tq-Tb)·Sqdt，dA为气室内气体推活塞所做的功，dE为气室内气体内能的变化；cp为火药燃气的比定压热容，Tq为气室内火药燃气的绝对温度，Gq为气室内火药燃气经间隙流入大气的秒流量，Sq为气室和筒壁的接触面积，Tb为筒壁的平均绝对温度，a为传热系数，ρ为气室内火药燃气的密度。

2.3 活塞运动方程

(3)

式中：PS为气室内的压力;SS为活塞端面面积;mS为活塞及与活塞相联的运动件质量;FR为活塞与内壁间的阻力。

3 动网格划分与边界设置

本文采用有限体积法结合动态层变的动网格技术计算导器装置的气室流场。由于活塞和弹丸的运动而引起气室流场形状随时间变化，运动体下一步的运动情况可由当前时间步的计算结果确定，各个时间步的体网格的更新基于边界条件新的位置由FLUENT自动来完成。而活塞的速度远小于弹丸的速度，故用UDF来控制弹丸和活塞的运动。根据整个装置的工作原理，对计算模型进行一定的简化处理，得到导气装置的结构网格图见图2。

图2 导气装置的结构网格图

3.1 动网格计算模型

(4)

式中：ρ是火药气体的密度；u是运动体的速度矢量；us是动网格的网格变形速度；Γ是扩散系数；Sφ是通量的源项φ； ∂V代表控制体V的边界。

在方程(4)中，第一项可以用一阶向后差分形式表示为

(5)

式中：n和n+1代表当前和紧接着的下一时间步的数值。第n+1步的体积Vn+1由下式计算得出：

(6)

3.2 初始条件和边界条件

初始条件：本文用瞬态流动的方法计算，故不断变化的初始条件由内弹道计算得出。边界条件：入口是指弹丸从膛底开始运动的地方，采用压力进口条件；出口为弹丸出身管处，采用压力出口条件；由于气室壁与活塞环之间存在间隙会产生漏气，故对气室做一些简化，又根据几何结构和导气装置的工作原理，出口与外界大气环境相连通，可以认为此出口的背压力为外界大气压力；固壁边界条件：简化后的导气装置各部分及身管作为固壁边界条件，并采用“壁面函数法”对固壁面附近做计算。

4 计算结果分析

以下各图为数值计算得到导气装置各在个时刻的压力云图(如图3)、温度云图(如图4)和速度流线图(如图5)，其中(a)为导气开始前，(b)为导气开始时，(c)为导气结束时。仿真结果如下：

图3 气室流场的压力云图

图5 气室流场的速度流线图

由图3、图4、图5可以看出，在弹丸还未通过导气孔(导气开始前)时，导气室内的压力没有发生太大的变化，温度也不太高，且气流的流速也较低，这是由于此时只是弹前压缩部分气体通过导气孔进入了导气室内，还未对活塞产生有效的冲击。当弹丸刚经过导气孔处后，已经开始导气了，有大量火药气体通过导气孔进入到导气室内，使得导气孔内的流速大，温度高，压强也有一定的上升，且管内壁处的温度明显较高，故对导气孔与身管相接处冲刷较为强烈。随着火药气体完全充分地进入导气室后，让导气室内气体聚增，导致气体分子之间相互作用加剧，气体膨胀，从而推动活塞向左推进，进而压缩左气室内的气体，让左室的压强急剧增大，温度也有所增加，气流流速也增大。当弹丸远离导气孔后，气室内的气体的相互作用也逐渐减弱，地加上气体在气室内达到某种平衡状态后，形成一定的回流，部分气体通过导气孔流回身管内，从而使气室内的压力和温度下降，流速也降低，活塞复位，为下一发射击做准备，标示着这轮导气的结束。

图6 导气室压力分布曲线

图7 导气孔处压力分布曲线

图8 导气孔处温度分布曲线

由图6可以得出，在气体还未大量地进入导气室前，导气室左右两端的压力基本持平，当气体慢慢地进入导气室，并不断地累积后，右室的压力逐渐大于左室的压力，从而推动活塞做功，向左端运动。然后当进入气室的气体逐渐减少后，加之左室的气体由于被压缩，导致压强增大，并渐渐大于右室压强，故让活塞向右运动复位。再通过图7和图8可以分析出，导气孔处的压力与温度基本都是呈现一种现逐渐增加，达到峰值后，快速下降的趋势；这与弹丸的相对位置是有关的，一开始弹丸时远离导气孔的，所以弹底的火药燃气对导气孔的影响很小，当弹丸经过导气孔时，火药气体迅速作用于导气孔处，使得压力和温度骤增；当弹丸慢慢远离导气孔后，该处的压力与温度也在就降低了。且可以得出导气孔处的温度和压力还是比较大的，故此处的冲刷与烧蚀比较严重，需要进行一定的强化处理。

5 结论

本文通过建立简化的内能源转管武器导气装置的物理计算模型，结合动网格技术及相关理论知识，运用CFD数值计算方法，从导气装置内部流场特性方面分析其对内能源武器系统的影响。通过计算得到的压力云图、温度云图、速度流线图以及一些相关的分布曲线，分析其内部流场规律及对导气孔处的影响，发现在导气孔处会存在高压与高温作用，易发生烧蚀现象，影响导气室的导气功能，需要对导气孔处进行一定的耐温耐压处理。该研究成果能为内能源转管武器导气装置的设计提供理论依据。

[1] 魏传礼，梁人杰.导气装置内火药气体压力特性研究[J].南京理工大学学报(自然科学版),1981(2):40-56.

[2] 廖振强.导气管式导气装置的分析和研究[J].南京理工大学学报(自然科学版),1984(4):125-141.

[3] 韩晓明，薄玉成，王惠源,等.内能源转管武器导气装置结构参数优化设计[J].火炮发射与控制学报,2008(2):50-53.

[4] 胡明，薄玉成.内能源转管武器导气装置结构参数对射速的影响[J].机械管理开发，2010,25(5):5-9.

[5] 戴成勋，勒天佑，朵英贤.自动武器设计新编[M].北京：国防工业出版社，1990.

[6] 薄玉成，王惠源，李强,等.自动机结构设计[M].北京：兵器工业出版社，2009.

[7] 薄玉成等.内能源转管武器最高射速分析[J].火炮发射与控制学报，2004(1)：7-11.

[8] 杨臻，丘阳.曲柄初始角度对内能源转管武器射速的影响[J].火炮发射与控制学报，2001(1)：33-36.

[9] 唐亚鸣，廖振强，王晖.新型内能源转管武器驱动技术研究[J].兵工学报，2002(2)：273-275.

[10] 郝秀平，薄玉成.内能源转管武器缓冲装置对射频的适应性分析[J].火炮发射与控制学报，2004(3)：50-56.

TheNumericalSimulationofFlowFieldinAirChamberofGas-OperatedDeviceStructureParameterinanInternally-PoweredGatlingWeaponSystem

HUANG Lan, HAN Xiaoming, LI Qiang, TAN Qing， XU Xinqi

(School of Mechatronic Enigneering, North University of China, Taiyuan 030051, China)

In order to explore some cases of internal flow field of gas-operated device structure parameter in internally-powered gatling weapon system,the physical model and mathematical model of flow field in gas-operated chamber of gas-operated device structure parameter in internally-powered gatling weapon system were established. The CFD was used to simulate the flow field in gas-operated device,get the pressure nepho--gram,temperature nephogram and velocity flow chart under the three moments of before gas-operated,begin gas-operated and over gas-operated.Summarize the regular and analyze the situation about temperature and pressure at the gas-operated hole, It will provide a reference for the gas-operated device structure parameter in an internally-powered gatling weapon system.

gas-operated chamber; flow field in air chamber; numerical simulation; gas-operated hole; piston

2017-08-25；

2017-09-15

装备预研领域基金(61402400401)

黄岚(1991—)，男，硕士研究生，主要从事兵器理论发射技术的研究。

韩晓明(1974—)，男，硕士生导师，副教授，主要从事高射速发射理论技术的研究，E-mail:hongqi5912@126.com； 李强(1971—)，男，硕士生导师，教授，主要从事兵器理论发射技术、火炮、自动武器的研究，E-mail：liqiang@nuc.edu.cn。

10.11809/scbgxb2017.12.005

本文引用格式：黄岚，韩晓明，李强，等.某内能源转管武器导气装置气室流场的数值模拟[J].兵器装备工程学报，2017(12):21-24.

formatHUANG Lan, HAN Xiaoming, LI Qiang, et al.The Numerical Simulation of Flow Field in Air Chamber of Gas-Operated Device Structure Parameter in an Internally-Powered Gatling Weapon System[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(12):21-24.

TJ012

A

2096-2304(2017)12-0021-04

(责任编辑周江川)