基于激波机理的抗式消声器设计与试验研究

田亚锋，范天峰，孙耀东，檀 虎，寇 钰，樊 赫

(西北机电工程研究所，陕西 咸阳 712099)

末端防空高炮可对付多种目标和导弹,具有系统反应时间短、火力猛、精度高、近程毁歼概率高等优点[1]，可伴随轻型高机动部队快速全域机动，担负伴随掩护任务，承担抗击敌低空、超低空空袭兵器的任务，但现役末端防空高炮其射击产生的噪音具有幅值高、频域宽等特点，易于被低空声光复合探测预警系统发现，难以适应隐形化技术要求。笔者基于激波消声机理，采用仿真分析结合试验研究[2]的方法，完成了一种炮口消声装置的设计，以适应新军事变革要求，在未来战斗中获得主动,能够实现自身隐身的同时,及时、准确地摧毁来袭目标。

1 光膛口炮口噪声试验研究

1.1 试验设计

通过测试一定位置的冲击波压力值，进而换算成声强值，得出不同位置的噪声大小；试验现场布置示意如图1所示，A点为距炮口5 m选定的测试点、B点为距炮口436 m选定的测试点，且在两点均布置有声场特性测试系统。

A点声场特性测试系统由冲击波传感器、数据采集器组成，主要用于采集A点处冲击波数值。冲击波值测试数据采用数据采集仪进行实时记录；数据处理读取冲击波的峰值及对应时间，计算出声强值。B点声场特性测试系统由麦克风、动态信号采集模块和数据处理系统组成。

1.2 试验结果和分析

在光膛口状态下，进行了单发射击试验，试验射弹5发，A点处噪声均值为181.7 dB，B点处噪声均值为111.9 dB，噪声波形衰减曲线如图2所示。

根据光膛口试验工况，利用Gambit软件和Fluent软件[3]对火炮光膛口的炮口流场进行了数值模拟，分析流场结构的产生、稳定和衰减的过程。在此过程中，射流角在射流产生的初期迅速扩张到最大，然后随射流强度的减弱而慢慢减小，侧喷射流角的减小使得射流影响区域主要集中在炮口正前方，在身管侧后方区域射流影响则较小。图3、4给出了不同时刻的压力和温度等值线图。

2 激波消声机理

激波炮口消声器通过使火药燃气在消声装置中产生激波而损失能量，达到降低炮口压力，实现降低炮口噪声的目的。由于激波层内存在很大的速度梯度和温度梯度，因此粘性与热传导的作用不能忽略，由摩擦使气流的机械能耗散并转化为热能，同时伴有不可逆的传热过程，总能量没有损失，总温度保持不变，由于部分机械能转化为热能，导致气流的总压降低。炮口噪声声压级计算模型如下：

声压级定义为取待测声压值P与参考声压值P0比值的常用对数的20倍，即：

(1)

待测声压值P指在时间范围内瞬时声压的平方根为有效声压，即：

(2)

式中：T为压缩时间，s；P1为瞬时声压，Pa.

3 消声器结构设计

基于抗式消声器模型，在理论分析的基础上，确定消声装置的结构形式。消声装置主要由消声装置接口和12个壁厚不均的消声腔室组成[4]。消声装置接口以及各个消声腔室通过焊缝连接；消声装置接口与35 mm自动机出弹口处螺纹连接，置于炮口前端；消声装置中间设计光孔，直径为Φ50 mm和Φ75 mm两种，作为弹丸飞行通道。Φ50 mm结构模型如图5所示。

4 仿真计算分析

建立仿真计算模型，如图6所示，采用Fluent软件对建立的两种光孔直径方案的膛口流场进行数值模拟，采用ANSYS WORKBENCH并且对消声器进行了准静态强度计算校核[5]。

4.1 仿真计算数学模型

4.1.1 控制方程

由于身管内部结构为轴对称形状，为提高计算效率，采用二维轴对称模型。忽略化学反应和多相流的影响，非定常可压缩理想气体的方程满足：

(3)

式中：U=[ρ,ρu,ρv,ρE]T；F=[ρu,(ρu2+p),ρuv,(ρE+p)u]T；G=[ρv,ρuv,(ρv2+p),(ρE+p)v]T；ρ为气体密度；u、v、w分别为x、y、z方向的速度分量；E为单位质量气体的总能量：

(4)

式中，r为理想气体绝热指数。

理想气体的状态方程为

p=ρRT，

(5)

式中,R为通用气体常数。

方程(3)～(5)组成了封闭的方程组。

4.1.2 计算模型

采用有限体积法，时间推进采用二阶Runge-Kutta法，对流项选用能在较大马赫数下提高对激波等间断面捕捉效率的AUSM格式求解，湍流模型采用S-A湍流模型。

4.1.3 边界条件

笔者将身管简化成为圆管形半封闭容器，对于此算例将计算分成两部分A和B，其中A表示膛内区域，膛内高温高压火药燃气采用局部初始流场，B表示膛外区域。如图7所示。

4.2 仿真计算结果分析

4.2.1 中间光孔大小对消声效果的影响

根据建立的计算模型，对Φ50 mm和Φ75 mm两种光孔大小的消声器设计检测面和炮口周围检测点，机构示意图和检测面如图8所示。

炮口周围检测点的位置如图9所示。

计算了两种消声器各壁面所受压力随时间变化曲线，受幅面限制，只绘制了部分壁面受力曲线，如图10所示。

从图10可以看出，当中央光孔扩大时，在同一监测点，炮口压力随着距离的衰减很慢，Φ75 mm消声器炮口气流压力远大于Φ50 mm消声器模型，根据声压级计算模型得出消声效果不如Φ50 mm消声器模型。

两种模型在r=1 m处检测点的最大压力值，如表1所示。

表1 r=1 m时两种模型各点处的压力值 单位：kPa

从表1中可以看出，与Φ50 mm模型对比，Φ75 mm模型检测点的压力均有不同程度的增大。压力最大增幅点为r=1 m，角度θ=45°处，增幅44%；当角度θ≥90°时，由于大气压的原因，其增幅越来越小。

4.2.2 消声器准静态强度计算

消声器装置材料选用牌号为12Cr2Ni4，屈服极限836 MPa[6].以Φ50 mm消声器模型为算例，约束消声器与身管连接部分轴向自由度。经有限元分析计算，消声器第一腔室最大应力为807 MPa，如图11所示，得出选用的材料能够满足强度要求。

5 试验验证

5.1 A点声场特性

A点声场位置为距炮口右前方5 m处，角度45°，多次射击后测得冲击波如表2所示。可以看出，炮口安装Φ75 mm消声装置之后，噪声在175.9～179.7 dB之间波动；安装Φ50 mm消声装置之后，噪声系数在161.5～162.4 dB之间波动。

表2 A点冲击波数值 单位：dB

5.2 B点声场特性

B点声场位置为设备距离炮口右前436 m，角度大约30°，试验共计测试10组，噪声等级如表3所示。可以看出，炮口安装Φ75 mm消声装置之后，噪声在109.1～114.2 dB之间波动；安装Φ50 mm消声装置之后，噪声系数在92.1～94.7 dB之间波动。

表3 B点噪声等级 单位：dB

结合光膛口炮口噪声试验研究，以及上述试验结果，经过对比，炮口右前5 m处噪声，炮口安装消声装置(内径Φ50 mm)噪声系数下降19.76 dB；炮口右前436 m处噪声测试噪声，炮口安装消声装置(内径Φ50 mm)噪声大约降低18.34 dB左右。

6 结论

笔者以试验研究结合数值模拟仿真，以激波消声机理为基础，开展了抗式消声器设计研究,得出以下结论：

1)与光膛口炮口噪声对比，安装消声器(内径Φ50 mm)后，炮口噪声以及436 m位置处的噪声降低了18.34 dB，具有显著的降噪效果。

2)根据仿真数据以及试验结果,消声器满足强度要求，能够承受射击时炮口压力的作用，对后续展开炮口消声器的研究具有一定的意义。