测压装置外形对冲击波测试特性的影响及分析*

葛 竹,马铁华,杜红棉,任小军

(1 中北大学电子测试技术国家重点实验室,太原 030051;2 仪器科学与动态测试教育部重点实验室,太原 030051)

0 引言

冲击波是一种强烈的压缩波,作为评估战斗部毁伤威力的重要技术指标,其参数的准确测量直接影响战斗部毁伤威力的评估精度[1-2]。目前冲击波超压测试主要依托于压力传感器来实现,有时需要将压力传感器安装在一定形状的测压装置上,或者有些传感器自身就具有独特的几何形状,目前笔式、杆式和盘式测压装置都有着广泛的应用[3-5]。不论何种测压装置置于冲击波场中,都会改变冲击波波阵面的流动性,也必然会对冲击波超压测试造成一定的影响。

目前数值模拟方法已经成为流体力学必不可少的研究工具,针对激波的流动仿真问题,国内外已有一些研究[6-8]。在此启发下,文中使用Fluent软件模拟激波流场,对笔式、杆式和盘式3种测压装置在激波管这一校准装置内的气体流场进行了仿真,研究其对冲击波测试特性的影响,并通过相关冲击波超压实测试验来验证仿真结果。对比分析不同测压装置对冲击波测试特性的影响程度,旨在为选择何种形状的测压装置作为冲击波测试工具提供可靠依据,从而提高冲击波测试的准确性。

1 测压装置结构及数值模拟模型

1.1 测压装置结构

文中选择美国PCB公司的笔式137A24型、杆式113A小型及对称双楔形(也称盘式)3种不同形状的测压装置置于激波管内进行气体流场仿真。如图1为3种测压装置结构的尺寸图,图2为3种测压装置的实物图。

图1 3种测压装置结构的尺寸图

图2 3种测压装置的实物图

图5 笔式测压装置在激波管内的动态压力云图

1.2 数值模拟模型

激波管是目前应用最为广泛的动态校准装置之一[9-10],文中(使用Gambit软件)首先对激波管内部流场进行建模。Fluent基本控制方程涉及质量守恒、动量守恒和能量守恒方程;湍流模型选择standard k-e模型,边界条件设为壁面边界;求解器中压力、密度、动量代数方程使用二阶迎风格式,其它为一阶。计算区域分别为高压区(驱动管)6 m、低压区(被驱动管)14 m,低压区初始压力设为一个大气压(101.325 kPa),高压区充以50个大气压,则初始压力比为50,激波管内径为200 mm,温度设为300 K。划分网格时长度方向为5 mm/格,宽度为1 mm/格,加密因子为1.05,因此笔式、杆式和盘式3种结构的网格数量分别为:111 342、14 588、97 143。

笔式和杆式结构安装在激波管低压区的底端,笔式结构测的是掠入式超压,杆式结构测压敏感面与低压区底端齐平,故测的是反射式超压。仿真过程中在底端设定监测点即可得到其流场变化情况,因此此处省略了杆式结构的安装示意图。盘式结构安装在激波管低压区的侧壁面,测的是掠入式超压。笔式和盘式结构在激波管中的安装示意图如图3和4所示。

图3 笔式结构在激波管中的安装示意图

图4 盘式结构在激波管中的安装示意图

2 数值模拟结果及分析

图6 杆式测压装置在激波管内的动态压力云图

开始仿真过程,时间步长为10-4s,迭代1 000步后得到稳态求解。高低压区直接用patch命令赋予压力值,中间的膜片瞬时撤掉,达到理想全破膜情况,高压区的高压气体会迅速向低压区流入,观察激波在激波管内压力变化。如图5、图6、图7分别为笔式、杆式和盘式3种测压装置在激波管内的流场变化情况。

图7 盘式测压装置在激波管内的动态压力云图

在图5、图6、图7中红色部分为高压区,蓝色部分为低压区,破膜后产生瞬时高压,高压气体向低压区迅速传播,0.01 s后形成较为平整的波阵面,体现在图中的绿色部分。入射激波到达低压区底端时,产生反射。由图5所示的动态压力云图可以看出,由于笔式测压装置安装在激波管内部中间,会对入射激波产生一定的阻碍作用,使得监测的压力变化稍落后于流场的膨胀过程。图7中盘式测压装置由于其独特的T型结构与安装方式,对流场膨胀过程的阻碍作用较大,造成装置周围的流场变化梯度也较大,装置左右两侧的压差也较大。杆式测压装置测压敏感面与低压区底端安装齐平,图6中监测的压力变化与流场变化一致,且比较有序。由仿真结果综合比较可知,杆式测压装置测量反射式超压较好,笔式测压装置相对于盘式测压装置对流场膨胀过程的阻碍作用小,故使用笔式测压装置测量掠入式超压准确性更高。

3 冲击波超压实测试验

为了验证上述数值模拟方法对激波流场的仿真结果,选取了某次战斗部爆炸冲击波超压实测试验进行对比。该次试验爆炸源为400 kgTNT当量的战斗部,爆高1.2 m,在爆距为23 m的圆弧上分别布置笔式、杆式和盘式测压装置,保持爆心与装置同高,以保证测量的准确性,其中杆式测压装置测压敏感面正对战斗部,测量的是反射式超压,笔式和盘式测压装置测量的是掠入式超压,装置另一端接采集电路,采用中北大学自主研制的小型专用存储式记录仪。试验现场如图8所示。该次试验中3种测压装置测得的冲击波超压曲线如图9所示。

根据试验所测超压曲线,将3种测压装置测得的冲击波峰值压力对比如表1所示。

表1 3种测压装置测得的冲击波压力对比

图8 冲击波超压试验现场

图9 3种测压装置测得的冲击波超压曲线

通过试验数据对比可以得到,杆式测压装置测得的峰值压力比理论值略高,高出10%左右,而理论值是根据峰值经验公式计算所得,也存在一定误差,所以用杆式测压装置测量反射式超压比较准确,能符合冲击波测试的要求和精度。笔式和盘式测压装置测得的峰值压力比理论值略低,原因是这两种结构阻碍了冲击波的正常传播,从而使峰值压力减小。笔式的低5.6%,盘式的低20%,说明笔式的阻碍作用比盘式的小,用笔式测压装置测量掠入式超压更接近真实值,更为准确。试验结果与仿真结果一致,验证了仿真的正确性,说明用激波管模拟仿真不同形状的测压装置对冲击波测试特性的影响是可行的。

4 结束语

文中将笔式、杆式和盘式3种不同形状的测压装置对冲击波测试特性的影响进行比较,通过数值模拟仿真和试验验证,得出笔式和盘式测压装置均会阻碍冲击波流场膨胀过程,但笔式测压装置的阻碍作用小,因此用笔式测压装置测量掠入式超压效果更好,更为准确。现阶段这3种形状的测压装置在冲击波测试中都得到了广泛应用,测量误差大小不一。在之后的冲击波测试试验中,同等试验条件下优先使用笔式测压装置测量掠入式超压,从而提高冲击波测试的准确性。