考慮空化效應(yīng)的制退機(jī)流場數(shù)值模擬

謝立峰,鄭建國,陳朝君,丁傳俊

(南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,江蘇南京210094)

0 引言

制退機(jī)是火炮反后坐裝置的重要部分,它在火炮發(fā)射過程中產(chǎn)生給定規(guī)律的阻力來消耗火炮后坐運(yùn)動(dòng)的能量,控制后坐運(yùn)動(dòng)的規(guī)律[1]。制退機(jī)性能直接影響著射擊的穩(wěn)定性和可靠性。利用多相流模型對等直徑節(jié)制桿式制退機(jī)內(nèi)部流場進(jìn)行了空化現(xiàn)象研究,得到了制退機(jī)流場的速度、壓力和流線圖等,通過對數(shù)據(jù)分析,根據(jù)制退機(jī)流場速度分布圖可以看出制退液在非工作腔的射流情況。

1 制退機(jī)中空化效應(yīng)介紹

制退機(jī)通常以制退液作為工作介質(zhì),火炮后坐時(shí),制退機(jī)工作腔內(nèi)的液體受到擠壓,經(jīng)過節(jié)制環(huán)流液孔高速流出形成高雷諾數(shù)的湍流,從而為火炮的后坐部分提供阻力不可逆地消耗掉火炮的大部分能量。制退機(jī)在工作時(shí),制退機(jī)流場中的流動(dòng)情況極其復(fù)雜。由于隨著制退桿的不斷抽出,非工作腔內(nèi)抽出的體積始終大于入射射流的體積,所以導(dǎo)致其內(nèi)部容易出現(xiàn)真空,稱為流體的空化現(xiàn)象。又由于制退液經(jīng)過環(huán)形流液孔時(shí),流道突然縮小流速急劇升高,因此流液孔處壓力下降,在節(jié)制環(huán)附近和非工作腔內(nèi)易出現(xiàn)空化現(xiàn)象。制退機(jī)在后坐過程時(shí)環(huán)形流液孔處制退液的速度可達(dá)170 m/s左右,制退機(jī)非工作腔中的低壓狀態(tài)甚至低于該時(shí)刻制退液的飽和蒸汽壓[2]。射流在流液孔下方速度達(dá)到了最大,同時(shí)壓降也最大,一些地方出現(xiàn)了負(fù)壓,這是因?yàn)橹仆藱C(jī)內(nèi)部出現(xiàn)了一定的真空,但真空區(qū)域很快被泡沫化的制退液填充,區(qū)域內(nèi)的壓力變化不大。當(dāng)液流進(jìn)入非工作腔后,由于其速度很高,當(dāng)它和腔內(nèi)的液體迅速混合后,在活塞附近立刻形成湍動(dòng)能很高的漩渦。通過這一過程制退液壓力、速度下降,溫度升高,火炮動(dòng)能由此轉(zhuǎn)化為液體的內(nèi)能,最終達(dá)到耗能制動(dòng)的目的。

2 制退機(jī)流場空化機(jī)理分析

所謂的空化現(xiàn)象是指在低于相應(yīng)溫度下的飽和蒸汽壓使得液體快速蒸發(fā)而引起的微氣泡出現(xiàn)急劇性生長的現(xiàn)象[3]。通常情況下流體機(jī)械內(nèi)部如果要產(chǎn)生空化現(xiàn)象需要滿足以下條件:流場中流體內(nèi)部存在氣核,流場中的壓力要低于相應(yīng)溫度下液體的飽和蒸汽壓。火炮制退機(jī)由于存在特殊的結(jié)構(gòu),火炮后坐時(shí)制退機(jī)非工作腔內(nèi)流場情況滿足這種要求,所以制退機(jī)流場往往會(huì)發(fā)生空化現(xiàn)象[5]。

3 空化效應(yīng)的火炮制退機(jī)內(nèi)部流場數(shù)值仿真

針對制退機(jī)流動(dòng)空化效應(yīng)這一復(fù)雜問題,采用商用CFD軟件FLUENT建立了簡化計(jì)算模型[4]。考慮了流動(dòng)的動(dòng)態(tài)特性,采用了全封閉的計(jì)算區(qū)域和MIXTURE氣液兩相流模型,對制退機(jī)內(nèi)部流動(dòng)情況進(jìn)行了較為完整的仿真,仿真結(jié)果定性地反應(yīng)了制退機(jī)內(nèi)部的空化效應(yīng),同時(shí)也證明了在后坐結(jié)束時(shí)刻,非工作腔的確充滿著泡沫狀的制退液。

3.1 幾何建模

制退機(jī)內(nèi)的流動(dòng)是具有運(yùn)動(dòng)邊界的三維非定常高雷諾數(shù)湍流流動(dòng),并且存在真空中的射流,本次數(shù)值模擬為降低計(jì)算中的難度,故而對制退機(jī)的物理模型進(jìn)行必要的簡化:

1)將三維流動(dòng)簡化為二維軸對稱流動(dòng),計(jì)算時(shí)取其一半。

2)簡化調(diào)速筒活瓣裝置,使其在后坐過程中始終處于打開狀態(tài)。

3)將制退活塞上的流液通道簡化為環(huán)形流液孔,但傾角為實(shí)際尺寸。

4)將變直徑的節(jié)制桿簡化為等直徑尺寸。

根據(jù)上述要求簡化后的制退機(jī)模型如圖1和圖2所示。處理后的模型基本保持了制退機(jī)結(jié)構(gòu)的主要特征和實(shí)際形狀尺寸。

圖1 制退機(jī)三維示意圖

使用FLUENT前處理軟件GAMBIT建立二維模型,如圖2所示。

圖2 簡化后的計(jì)算模型

3.2 網(wǎng)格劃分

1)制退機(jī)的運(yùn)動(dòng)邊界采用導(dǎo)入profile文件的方法驅(qū)動(dòng)邊界運(yùn)動(dòng),使得制退桿和制退活塞按照實(shí)測炮管后坐速度抽出。在抽出的過程中,運(yùn)動(dòng)區(qū)域的網(wǎng)格采用動(dòng)態(tài)層變方法自動(dòng)更新。例如,當(dāng)工作腔內(nèi)的網(wǎng)格受到壓縮時(shí),網(wǎng)格會(huì)壓縮變形繼而和鄰近層的網(wǎng)格合并;非工作腔內(nèi)的網(wǎng)格則受到拉伸時(shí),網(wǎng)格會(huì)拉伸然后分裂生成新的網(wǎng)格。

2)通過對模型內(nèi)部區(qū)域進(jìn)行分區(qū)來劃分網(wǎng)格,靜區(qū)域內(nèi)采用規(guī)則的四邊形網(wǎng)格,并且控制網(wǎng)格的疏密程度,使貼近壁面的網(wǎng)格更加精細(xì),以此來代替流動(dòng)的邊界層。對于不規(guī)則形狀的動(dòng)區(qū)域則采用三角形非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格,并嚴(yán)格控制網(wǎng)格品質(zhì)。動(dòng)區(qū)域和靜區(qū)域之間采用interface進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

3)除了對稱軸為對稱邊界條件外,其他內(nèi)部邊界均作為壁面邊界條件處理。壁面有動(dòng)壁面和靜壁面之分。

最后整個(gè)計(jì)算區(qū)域共生成89 184個(gè)網(wǎng)格,網(wǎng)格劃分足夠細(xì)密,可以使求解結(jié)果不存在網(wǎng)格依賴性。

將制退機(jī)的計(jì)算模型采用二維軸對稱模型的一半,制退機(jī)劃分的網(wǎng)格模型如圖3所示。為了數(shù)值模擬的有效性,必須保證網(wǎng)格的品質(zhì),因此采用以下原則:

圖3 制退機(jī)網(wǎng)格模型

1)劃分計(jì)算模型的網(wǎng)格采用分區(qū)劃分網(wǎng)格;

2)根據(jù)制退機(jī)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜情況,對網(wǎng)格進(jìn)行加密處理;

3)布置網(wǎng)格時(shí),結(jié)構(gòu)規(guī)則的地方采用四邊形網(wǎng)格,結(jié)構(gòu)不規(guī)則的地方采用三角形網(wǎng)格;

4)計(jì)算過程中各子區(qū)域數(shù)據(jù)通過滑移網(wǎng)格界面進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

3.3 求解過程

仿真是在15℃的氣溫下進(jìn)行,采用標(biāo)準(zhǔn)裝藥,0°射角。制退液設(shè)定為不可壓縮粘性流體,密度為1 160 kg