岳明凯,邱 浩,焦志刚,张 骢

(沈阳理工大学装备工程学院,沈阳 110159)



含尾翼张开运动的膛口流场三维数值模拟

岳明凯,邱 浩,焦志刚,张 骢

(沈阳理工大学装备工程学院,沈阳 110159)

带尾翼稳定装置的弹丸,尾翼在张开过程中会受到膛口流场的强烈扰动,导致尾翼结构变形甚至损坏,致使弹丸不能正常飞行。因此有必要对含尾翼弹丸的膛口流场进行数值模拟分析。运用三维N-S方程结合FLUENT局部重构法,对弹丸飞出制退器以及尾翼张开过程的膛口流场进行数值模拟和分析;根据数值仿真结果分析了膛口流场对尾翼受力状况和运动状态的影响;所得结论对研究膛口气流流动,尾翼的结构设计及后效期有效张开具有一定参考意义。

尾翼;膛口流场;局部重构法;数值模拟

0 引言

弹丸飞出炮口后,炮膛中高温高压的火药气体被突然释放,在膛口外急剧膨胀,形成波系结构异常复杂的膛口流场[1]。流场区域内由于火药燃气冲击波的影响而产生有害扰动,如强激波、电磁辐射和膛口焰等。这些扰动非常强烈,会对人员、设备及射击精度等产生危害。带尾翼稳定装置的弹丸,其尾翼在后效期张开过程中会受到膛口流场的强烈扰动,会严重影响尾翼结构,导致其变形甚至损坏,致使弹丸不能正常飞行。因此,对含尾翼张开运动的膛口流场进行数值模拟,对尾翼的结构设计及后效期张开的研究具有重要意义。目前,随着计算机运算能力的提升以及动网格技术的发展,膛口流场数值模拟有了很大的进步,对膛口流场的研究逐步向三维、高精度格式、包含运动弹丸等趋势发展。文献[2]对膛口装置三维流场进行了数值模拟并对其制退器效率进行了计算[2]。文献[3]对带炮口制退器的火炮膛口流场进行了三维数值模拟。文献[4]对三管并联发射产生的含高速运动弹丸的膛口射流进行了数值模拟。然而,上述研究尽管对膛口流场进行了三维数值计算,但其包含的弹丸运动一般是简单的平动,对于尾翼装置在后效期张开这样包含平动和转动的复杂运动却很少有研究。文中运用FLUENT软件结合其独特的局部重构法动网格技术对含尾翼张开运动的膛口流场进行三维仿真模拟,应用动网格技术对弹丸和尾翼张开运动进行处理,得到尾翼弹飞出炮口后尾翼张开过程中的膛口流场分布。

1 数值计算方法

膛口流场是非定常、多相、湍流并有方向性和化学反应的复杂流场,因此建立一个全面的膛口流场数学模型是很困难的,对于计算模型一般要进行适当简化,文中进行如下假设[5]:

1)忽略火药气体多组分和化学反应的影响,将其与外界大气看为同一理想气体介质,且完全服从气体状态方程;

2)弹丸出膛口到完全飞离膛口流场的后效期时间内为完整的模拟过程;

3)对膛口装置及弹丸进行一定程度的模型简化。

采用三维N-S方程[3]:

(1)

式中:

其中:ρ为气体密度;u、v、w分别为x、y、z方向上的速度分量;E为总能量,其表达式为:

(2)

式中γ为理想气体绝热指数。理想气体的状态方程为:

p=ρRT

(3)

式中R为通用气体常数。

2 仿真计算模型及网格划分

建立一个高为4 m,直径为3 m的圆柱作为计算域。网格划分如图1所示,其中①和③为结构化网格,②是非结构化网络,计算域外界采用压力出口边界,弹丸、制退器及身管均采用固壁边界。弹体及尾翼的运动规律由自定义函数来确定,①和③为静止域,②为变形域,动网格算法采用局部重构法。局部重构法是FLUENT所特有的,对于移动边界的运动幅度相对较大,或运动方式是平动和转动相结合,使用局部重构的方法较好[6-7]。

图1 模型网格划分图

3 仿真结果及分析

经三维仿真计算,得到了弹丸离开膛口及翼片张开膛口流场的发展变化过程。由于炮口制退器对火药气体的分流作用,火药气体喷出炮口后,会在制退器内部形成极其复杂的流场结构。图2所示为仿真得到的弹丸离开膛口后膛口流场在不同时刻发展变化过程的压力云图以及弹丸的运动情况。

图2 不同时刻膛口流场的压力云图

弹丸离开膛口后,膛内高温高压的火药气体迅速膨胀流出,进入制退器后继续膨胀,在制退器中,火药气体与弹底、制退器内壁发生碰撞,部分火药气体从制退器内进入侧孔,并在侧孔处急剧膨胀,另一部分火药气体推动弹丸继续向前运动,制退器附近形成了复杂的波系结构,主要包括弹底激波、相交激波、瓶状激波等,随着膛口流场不断发展,瓶状激波区沿径向和轴向扩大,制退器后方产生低压区;弹丸及翼片底部由于火药气体的推动作用,一直承受较高压力。

尾翼稳定装置在进入制退器时各翼片间的压力分布是不均匀的,图3所示为制退腔径向剖面和尾翼装置压力云图,靠近侧孔的一面火药气体经侧孔流出,压力下降比较快,靠近制退腔腔壁的一面由于尾翼片对火药气体的阻挡,压力下降相对较慢,靠近制退腔腔壁的4片尾翼在径向的压力是不均衡的,单个翼片,一侧压力达到10 MPa左右,另一侧压力为3 MPa左右,压力差达7 MPa左右,从尾翼装置压力云图也可看出,翼片的压力分布在轴向也是不均衡的,靠近弹底附近压力较小,尾翼片尾部压力比较大。这为优化尾翼装置设计,研究降低翼片载荷提供了参考。

图3 制退器腔径向剖面和尾翼装置压力云图

图4为尾翼在膛口流场中张开过程不同时刻的压力云图,在尾翼微微张开时,翼片上靠近弹轴和弹底的一侧受到的压力较大,为10 MPa左右,随着弹丸向前移动,尾翼继续张开,翼片上压力降低到5 MPa左右,翼片上压力较大的区域仍是靠近弹轴的一侧;尾翼快张开到位时,翼片上压力已经大幅降低,同时翼片上远离弹轴的一侧压力较大,为0.8 MPa左右;尾翼张开到位时,翼片尾部压力较大,为0.8 MPa左右,这是由于弹丸逐渐远离膛口,火药气体对弹体和尾翼的作用减弱。

图4 尾翼张开过程不同时刻压力云图

图5 单个翼片所受火药气体作用力对其转动轴的力矩

图5为仿真得到的单个翼片在张开过程中火药气体作用力对其转动轴的力矩,当尾翼还在制退器中时,力矩为负,阻碍翼片张开;当尾翼离开制退器后,力矩为正,有利于尾翼张开。随着翼片张开,翼片的轴向面积增大,火药气体对翼片的作用力变大,力矩急剧增大,最大值达到700 N·m左右,之后弹丸远离膛口,火药气体对翼片的作用力减弱,力矩开始缓慢减小。这为研究尾翼后效期有效张开提供了参考。

图6为尾翼张开到位后弹丸在膛口流场中的速度等值线图,由于尾翼的存在,翼片在膛口流场中形成了一个锥角约为翼片张开度数2倍的锥形激波,图中速度等值线图可以清晰的观察到弹尾激波,以及制退器附近的马赫盘。

图6 尾翼张开到位的速度等值线图

图7为尾翼张开到位时的三维视图,可以更加直观的了解整个膛口流场区域的压力分布情况。

图7 t=1.8 ms时刻压力等值线三维分布

4 结论

运用FLUENT软件和动网格局部重构法,对含尾翼张开运动的膛口流场进行了三维数值模拟,得出以下结论:局部重构法处理复杂边界运动情况是可行的,对于处理弹丸运动,尾翼张开等包含平动和转动相结合的情况可以很好的适应。尾翼装置在经过制退器时,由于侧孔的分流作用,会导致翼片径向受力不均衡,容易导致尾翼发生变形。尾翼在张开过程中受到膛口流场的强烈作用,翼片上受到的压力也是不均匀,尾翼微微张开时靠近弹轴及弹底的地方受到的压力最大,随着弹丸运动及尾翼继续张开,翼片上远离弹轴的一侧受到的压力最大;尾翼张开到位时,翼片上的最大压力在翼片尾部,根据后效期翼片受到火药气体的作用力对其转动轴的力矩,可知后效期时火药气体对尾翼的作用力是有利于其张开的。数值模拟结果对研究膛口气流流动,尾翼装置设计及其后效期有效张开具有参考意义。

[1] 张辉, 谭俊杰, 崔东明. 带膛口装置的流场数值模拟 [J]. 火炮发射与控制学报, 2007(2): 48-51.

[2] 张焕好, 陈志华, 姜孝海, 等. 膛口装置三维流场的数值模拟及制退效率计算 [J]. 兵工学报, 2011, 32(5): 513-519.

[3] 刘欣宁, 岳明凯. 带炮口制退器的火炮膛口流场三维数值模拟 [J]. 四川兵工学报, 2015(7): 56-59.

[4] 曲普, 薄玉成, 方举鹏. 含运动边界的并联发射膛口流场数值模拟预测 [J]. 弹箭与制导学报, 2012, 32(4): 158-160.

[5] 方举鹏, 李强, 茹占勇. 一种新型炮口装置的膛口流场数值模拟 [J]. 弹箭与制导学报, 2011, 31(6): 152-154.

[6] 唐家鹏. FLUENT14.0超级学习手册 [M]. 北京: 人民邮电出版社, 2013: 402-408.

[7] 隋洪涛, 李鹏飞, 马世虎, 等. 精通CFD动网格工程仿真与案例实战 [M]. 北京: 人民邮电出版社, 2013: 64-65.

3D Numerical Simulation of Muzzle Flow Field with Opening Empennage

YUE Mingkai,QIU Hao,JIAO Zhigang,ZHANG Cong

(School of Equipment Engineering, Shenyang Ligong University, Shenyang 110159, China)

As for projectile with empennage stabilizing device, its empennage will bear strong disturbance from muzzle flow field during its opening process, cause the empennage structure deformation and damage, resulting in failure of projectile flight, so, numerical simulation analysis on projectile with empennage muzzle flow field is necessary. Three-dimensional N-S equations were used, combined with FLUENT local remeshing, numerical simulation of muzzle flow field for projectile flying out muzzle device and empennage opening were carried out. According to the numerical simulation, the effects of muzzle flow field on stress on empennage and motion state were analyzed. The conclusion can be referred for study on flow of muzzle flow, structure design and effective opening in aftereffect period of empennage.

empennage; muzzle flow field; local remeshing; numerical simulation

2015-10-16

岳明凯(1971-),男,辽宁沈阳人,教授,硕士,研究方向:目标探测与识别。

TJ012.2

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