0 概述
文中以某82 mm单兵筒式武器为例,通过构建其在有限空间内发射后喷流场数值仿真模型,利用ANSYS Fluent软件对后喷流场进行数值模拟。研究了后喷火药燃气冲击波与壁面相互作用引起的流场变化,并探讨了在不同发射环境内发射近、远场流场压强变化规律。该研究对实现有限空间发射技术以及预测冲击波对炮手的危害有一定的指导意义。
1 计算模型及网格划分
1.1 基本假设
筒式武器后喷流场存在复杂的火药燃气与挡板碎片耦合过程,为了方便计算模型的建立以及减少计算量,作出以下假设:
1)将火药燃气后喷过程,由实际三维问题简化成便于建模计算的二维仿真模型。
2)高温高压火药燃气作为理想气体考虑,忽略其化学反应过程。
3)不考虑火药燃气和喷管壁面的热量交换。
4)忽略火药燃气压破药室挡板的过程以及挡板碎片对后喷流场的影响。
1.2 计算模型
如图1所示,在数值计算模型中将喷管入口端设置为压力入口边界条件,窗户设置为压力出口边界条件,喷管内外壁面、发射筒外壁面、地面、墙顶、后壁面设置为壁面边界条件。
为分析筒式武器后喷流场变化规律,设立监测点如图2所示。其中, 、 、 为远场监测点,设于发射筒轴线上,分别距离喷管尾端1.2 m、2.4 m、3.8 m,主要用于监测空间内远场压力变化。 、 、 为近场监测点,设于以喷管入口为中心,半径为0.5 m的圆弧上,其与喷管入口中心的连线与发射筒轴线的夹角分别为90°、60°、30°,主要用于检测空间内近场压力变化。
1.3 网格划分
本模型全网格采用结构化网格。由于尾喷管内部涉及超高速流动,为保证计算准确,对喷管喉部和其出口区域网格进行加密处理。在计算后期,冲击波会与墙壁面存在碰撞反射现象,因此对墙壁面附近的网格也进行加密处理。局部网格如图3所示。
1.4 边界条件及算法
2 仿真分析
2.1 后喷流场分析
根据流场仿真结果,筒式武器后喷流场可分为3个阶段:初始波系形成阶段、冲击波反射阶段、紊乱阶段。
2.2 近、远场压强变化规律
图12描述了近场监测点压强随时间变化规律。在0~3 ms之间,球形火药燃气冲击波经过监测点,3个监测点分别出现压强峰值并迅速跌落,并且越靠近轴线,其压强峰值越大。在5~10 ms之间,由于冲击波与地面、顶面碰撞形成弓形反射波,导致近场监测点压强升高并产生锯齿状波动。但由于与地面、墙顶产生碰撞的冲击波波面强度较弱,因此产生的弓形反射波也较弱。在16 ms左右,冲击波与地面、墙顶碰撞形成的弓形反射波和与后壁面碰撞形成的反射波相互叠加形成的高压紊乱气流团逐渐向窗外移动,经过近场监测点从而引起高压峰值。随着紊乱气流团从窗口逐渐消散,近场监测点压强逐渐趋于一个大气压。
图13描述了远场监测点压强随时间变化规律。在0~7 ms之间,火药燃气冲击波依次经过监测点,出现高压峰值, 随着冲击波运动,能量消耗,峰值逐渐减小。7~12 ms之间,冲击波与后壁面碰撞,导致远场监测点压强峰值回升,产生齿型波动,监测点越靠近后壁面,回升越高,波动越剧烈。之后,远场压强逐渐稳定到一个大气压。
2.3 不同发射条件下流场压强变化规律比较
为更好探究筒式武器在有限射场发射后喷流场特性,对其在自由射场发射的后喷流场进行仿真分析。图14、图15描述了筒式武器在有限射场与在自由射场发射时相同位置监测点压强变化规律。其中, 、 为有限射场内监测点, 、 为同位置自由射场内监测点。 、 为炮手点, 、 为近壁点。由图14可知,0~3 ms内,由于后喷流场处于初始波系形成阶段,两种发射条件下炮手点压强变化一致。 在7 ms左右,由于燃气射流对周围空气的卷吸作用, 曲线出现低压峰值,之后炮手点压强开始回升并逐渐稳定在一个大气压。在有限射场内,5~10 ms阶段,由于冲击波与地面、墙顶碰撞形成的弓形反射波经过炮手点,使压强升高,其峰值为1.5个大气压左右。在16 ms左右,由反射波引起的高压紊乱气流团经过炮手点,出现高压峰值,值为4个大气压左右,为自由射场峰值的2.5倍。
3 结论
通过对单兵筒式武器有限空间发射后喷流场进行分析,得出以下结论:
1)筒式武器有限空间内发射后喷流场可以分成3个阶段:初始波系形成阶段、冲击波反射阶段、紊乱阶段。第一阶段:火药燃气从喷管高速喷出,形成球形火药燃气冲击波,并在喷管尾部形成两个低压漩涡;第二阶段:冲击波首先与地面、墙顶碰撞形成弓形反射波,然后与后壁面碰撞反射形成较强反射波;第三阶段:弓形反射波与强反射波相互作用形成高压紊乱气流团逐渐向窗外移动。
2)筒式武器在有限射场内发射时,冲击波与地面、墙顶碰撞产生的弓形反射波对近场影响较小,幅值在1.5个大气压左右;冲击波与后壁面碰撞产生的反射波对远场监测点影响较大,幅值在2.5~6.5个大气压左右;高压紊乱气流团对近场影响较大,幅值在4个大气压左右。
3)筒式武器在有限射场与在自由射场相比,炮手点压强峰值出现在发射结束之后,是由高压紊乱气流团经过引起的,峰值是自由射场的2.5倍左右,近壁点高压峰值提升较小。