殷鹏贤

（中国船舶重工集团公司 第七一三研究所，河南 郑州 450015）

0 引言

武器在射击时，燃烧不完全的火药燃气在炮口产生的可见火焰称为炮口焰。炮口焰产生的负面影响非常大，如暴露阵地目标、影响射手夜间瞄准、引发二次冲击波等［1］。因此减小或消除炮口焰一直是火炮设计人员追求的目标。炮口焰的形成有物理因素和化学因素的双重原因。从物理角度来看，火药气体因有足够的热而发光；从化学角度来看，它经历了火药气体燃烧的过程。因此针对膛口焰的抑制方法相应的有物理方法（加装炮口消焰器）和化学方法（改变装药、加消焰剂）［2］。

某小口径火炮为了抑制炮口焰研制了一款锥形消焰器，其不但可以明显抑制炮口焰，还可以减小炮后位置的冲击波压力［3］。但是，消焰器的使用会带来后坐力增大的弊端，对武器总体的轻量化不利。

近年来，随着CFD技术的发展，国内对膛口装置的流场进行了大量实验和数值研究，如王杨等基于流场仿真分析了膛口冲击波的物理特性［4］；张辉等对带制退器的膛口流场进行了三维数值模拟［5］。为分析某小口径火炮加装锥形消焰器后带来的变化，本文利用流场数值仿真技术对锥形消焰器进行性能分析，从膛口温度场（物理抑制炮口焰）、炮后监测点压力、后坐力数值变化三个方面进行研究。

1 锥形消焰器工作原理及模型

按照形成时间顺序，炮口焰分为前期焰、初期焰、炮口辉光、中间焰和二次焰。本文从炮口焰形成角度来分析锥形消焰器的工作原理。锥形消焰器一方面可以屏蔽前期焰和初期焰产生的火光，另一方面从炮口喷出的火药燃气射流在消焰器中经过了膨胀，得到一定程度的降温，失去了产生火焰的条件，同时火药气体压力下降，出炮口后膨胀度较小，膨胀产生的正激波强度降低，抑制了二次焰的产生［6］。

为获取较好的流场计算模型，便于划分网格，在流场仿真之前对身管和消焰器外形进行简化，忽略其实际物模型上的倒角、凸台、安装螺纹和膛线等对流场分布影响不大的特征。某火炮身管和消焰器的三维模型如图1所示。

图1 某火炮身管与消焰器的三维模型

2 数值方法及流场计算模型

2.1 控制方程

炮口焰属于多维、两相流的非定常湍流燃烧以及湍流加速爆燃转暴轰问题，到目前为止，还没有成熟的理论和方法来研究。本文将从抑制炮口焰的物理途径来研究消焰器，在消焰器流场仿真方面，考虑到炮口焰的复杂性，对火药气体进行合理的简化。目前膛口流场的数值模型多基于以下假设：

（1）将空气和火药气体当作同一介质，采用理想气体的材料特性来计算。

（2）忽略火药气体的化学反应。

（3）忽略弹丸运动对膛口气流的影响。

根据上述假设，采用无黏三维Euler方程来描述炮口气流［7］，控制方程为：

其中：ρ为火药气体密度；p为火药气体压强；u、v、w分别为3个方向的速度分量；e为单位质量气体的总比，假设气体为理想气体，满足气体状态方程p＝ρRT，R为理想气体常数，T为体系温度。

2.2 流场计算模型

为分析安装锥形消焰器前、后流场结构的变化以及消焰器的使用对后坐力数值的影响，建立不带消焰器与带消焰器两种流场计算模型。已知有、无消焰器模型均为轴对称的结构，为降低网格划分难度以及节省仿真计算的时间，流场模型均使用二维轴对称模型。有、无消焰器流场模型炮口附近网格划分如图2所示。本文选择应用于超音速流动的耦合求解器、隐算法式、非定常求解器以及适合求解有壁面限制的流动模型的Spalart-Allmaras模型。边界条件及初始条件设置如下：身管和消焰器采用固壁边界条件，对称轴采用轴对称边界条件，流域边界采用压力出口边界条件。根据内弹道计算公式求解内弹道结束时刻膛内气体的压力、温度及速度沿轴线的分布规律，以此为初始条件在流体仿真软件中对膛内气体状态进行赋值［8］。根据内弹道计算可得该火炮的后效期时长约为20ms，因此设置0.01ms为一个时间步，共2 000个时间步。

图2 有、无消焰器炮口附近网格划分

3 仿真结果分析

3.1 膛口温度场对比分析

图3、图4为有、无消焰器时炮口附近在1.5ms、2ms、2.5ms和3ms四个不同时刻的温度云图。对比图3、图4分析可知，安装锥形消焰器后，膛口气流的轴向发展速度变快，马赫盘外形和强度变小，呈现出细长形瓶壮激波的结构；在2.5ms同一时刻，不带消焰器和带消焰器膛口附近最高温度降低约170K。可以得出结论，锥形消焰器的使用，可有效降低膛口火药气体温度，增加燃气速度，减少点火时间，可以抑制膛口附近二次焰的产生。

图3 无消焰器时炮口附近不同时刻的温度云图

图4 有消焰器时炮口附近不同时刻的温度云图

3.2 炮后监测点压力对比分析

为分析锥形消焰器的使用对炮口后方超压值的影响，在不带消焰器与带消焰器仿真模型中均建立一个压力监测点，监测位置如图5所示。有、无消焰器在监测点位置的超压值变化曲线如图6所示。由图6可以看出，加装消焰器的火炮后方位置超压值明显减小，说明锥形消焰器可减小武器后方的冲击波。3.3 后坐力影响分析

消焰器的使用带来的唯一负面效应是其助退功能，使得火炮的后坐力增大。为分析该款锥形消焰器使用带来的炮膛合力值变化，流场计算时在仿真软件内监测身管、膛底和消焰器沿膛线方向的受力（取后坐方向为正方向），仿真计算结束后可得到有、无消焰器炮膛合力随时间变化曲线，如图7所示。由图7可知，加装消焰器后炮膛合力在0.09ms时间内快速增大到101kN附近，而同时刻不带消焰器的炮膛合力约为65kN。仿真数据表明，锥形消焰器的使用带来的问题是炮膛合力明显增大，因此需要重新核算该火炮的反后坐装置能否承受有消焰器情况下的炮膛合力。

图5 压力监测点位置

图6 有、无消焰器监测点超压值变化曲线

4 结论

针对某小口径火炮加装的锥形消焰器，利用流场仿真技术对其性能进行了研究，可得到如下结论：

（1）锥形消焰器可有效降低膛口火药气体温度，从物理角度抑制了炮口焰的形成。

（2）锥形消焰器可减小炮后区域的冲击波。

（3）锥形消焰器带来火炮后坐力的明显增大，需要重新考虑反后坐装置能否满足要求。

以上结论全面分析了锥形消焰器的性能，可为加装消焰器的小口径火炮提供理论指导。

图7 有、无消焰器炮膛合力变化曲线