制退器膛口流场数值模拟

制退器膛口流场数值模拟

刘宇豪,李宇柔

中北大学 机电工程学院，山西太原 030015

摘要：为研究不同尺寸腔室的膛口制退器情况下对弹丸以及膛口流场产生的影响，运用动网格技术，对弹丸在不同腔室尺寸的膛口制退器下发射时产生的对称流场进行了数值模拟。展示了制退器膛口流场的发展规律，冲击波、瓶装激波、射流等典型的膛口流场特征随不同腔室尺寸的变化。探明了不同尺寸腔室的膛口制退器情况下对弹丸以及膛口流场产生的影响。

关键词：炮膛合力；膛口流场；数值模拟；制退器

一．研究意义

火炮发射时，后效期高温高压的火药气体从膛口瞬时流出，对火炮主体形成很强的后坐力，对炮架产生强冲击作用，影响火炮射击精度和机动性能，制约高性能火炮的发展。炮口制退器作为一种安装在炮口部位的排气装置，通过控制后效期火药气体的流量分配和气流速度，减小射击时火药气体作用于后坐部分的冲量，并为炮身提供制退力，减小火炮后坐动能和炮架的射击载荷，因而成为一种广泛应用的反后坐技术。

二．研究现状

按照结构形式的不同，传统的炮口制退器分为冲击式、反作用式及冲击反作用式。由于工艺、重量的限制，高效率与低负面效应往往难以兼顾。近年来，增材制造技术的发展为复杂异型结构的加工 制造以及钛合金等难加工轻金属材料的成型制备提供了有力支撑。也为传统装置结构的优化与创新设计提供了更大的自由空间。随着计算机技术和计算流体力学的发展，数值模拟已成为低成本研究膛口流场及膛口装置的重要手段，例如：张焕好等、代淑兰等利用数值模拟方法，对不同类型炮口制退器的膛口流场波系、膛口激波及二次焰特征进行了详细研究，得到了制退器装置效率；Lei等、 Chaturvedi 等通过将流场仿真与流固耦合相结合，实现了炮口制退器结构应力与变形响应研究及性能评价。本研究利用增材制造技术优势，针对机载火炮小口径炮口制退器综合性能的设计需求，提出一种叠加冲击式与反作用式传统制退器结构特征与优点的钛合金新型炮口制退器结构方案，对膛口流场发展过程及特征进行数值模拟分析，并以传统的高效率冲击式炮口制退器为参照，对新型结构制退器的综合性能予以评价。

三．数值模拟

3.1 基本假设

为了计算需要，做如下假设：

①将火药气体和外界空气看成同一介质，假设气体是无化学反应的完全气体，状态方程服从完全气体状态方程；

②气体中的传热现象，实际上热传导所进行的热量输运比起能量的机械输运要小得多；③炮膛无膛线，弹丸膛内运动时，火药燃气无泄露；

④弹丸出炮口后，仍沿轴线运动。

3.2初始条件

入口边界为膛口端面，火药燃气流动的参数由内弹道程序解算而得到．作为压力入口由UDF编程而赋值．出口边界为流场的外边界，赋予压力远场边界类型．其余的赋予固壁边界。

3.3 制退器模型

图3.1所示为制退器方案一模型。制退器方案中央单孔直径为22mm，共2个腔室2排边孔道，边孔道壁面与膛轴夹角72°。制退器宽度为85mm，高度为60mm。总长度166mm。

图3.1制退器模型

3.4数值模拟

图3.2 膛底合力与制退器壁面合力对比

如图3.2所示为膛底受力与后效期制退器受力对比。由曲线可知，由于火药气体的作用，后效期制退器各壁面合力沿膛轴向前，起到减小后坐力的作用。制退器壁面合力最大值可达50000N左右，然后随着制退器内部气体压力的降低而逐渐减小。后效期武器受到向后的力主要是膛底受力，后效期武器炮膛合力即为膛底受力和制退器受力之差。

图3.3 炮膛合力曲线

如图3.3所示为后效期炮膛合力曲线。由曲线可知，后效期炮膛合力沿膛轴向前，最大值为36000N左右，然后随着膛口压力的降低而迅速减小。

四.结果分析

通过对制退器膛口流场进行数值模拟，得到了各种制退器膛口流场的膛底受力，制退器壁面合力以及炮膛合力，得到了后效期制退器受力规律，在此基础上，后续可采用动量法计算了方案膛口制退器效率。分析结果可为以后制退器的改进和优化提供理论依据。

参考文献

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