筒式武器有限空間內(nèi)發(fā)射流場(chǎng)特性研究*

丁 寧，郭保全，黃 通，欒成龍，李鑫波

(1 中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，太原 030051； 2 中北大學(xué)火炮技術(shù)研究中心，太原 030051)

0 概述

單兵筒式武器作為一種步兵肩射武器，具有質(zhì)量輕、機(jī)動(dòng)性高、隱蔽性強(qiáng)、 低后坐或無后坐等優(yōu)點(diǎn)， 可以進(jìn)行防空反導(dǎo)、反裝甲和摧毀敵方防御工事等作戰(zhàn)任務(wù),有利于在戰(zhàn)壕、巷子、居所等狹隘作戰(zhàn)環(huán)境內(nèi)實(shí)施作戰(zhàn)[1-2]。在我國(guó)單兵器發(fā)展規(guī)劃中，單兵筒式武器因具有“有限空間發(fā)射”的能力被著重強(qiáng)調(diào)[3]。

探究筒式武器在有限空間內(nèi)發(fā)射的流場(chǎng)特性對(duì)進(jìn)行有限空間發(fā)射技術(shù)的研究有重要的指導(dǎo)意義。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)單兵筒式武器“有限空間內(nèi)發(fā)射”技術(shù)開展了大量研究，主要集中在如何減少后噴流場(chǎng)的沖擊波、噪聲、火焰等，例如通過在發(fā)射筒尾部放置液體、塑料碎塊等，來達(dá)到降沖擊、消焰降噪的目的[4-6]；且對(duì)于筒式武器后噴流場(chǎng)的研究主要是針對(duì)自由射場(chǎng)開展的[7-10]。而針對(duì)筒式武器在有限空間內(nèi)發(fā)射后噴流場(chǎng)特性研究較少，未能探究后噴火藥燃?xì)鉀_擊波經(jīng)過墻壁面反射后空間內(nèi)流場(chǎng)的變化特性。

文中以某82 mm單兵筒式武器為例，通過構(gòu)建其在有限空間內(nèi)發(fā)射后噴流場(chǎng)數(shù)值仿真模型，利用ANSYS Fluent軟件對(duì)后噴流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬。研究了后噴火藥燃?xì)鉀_擊波與壁面相互作用引起的流場(chǎng)變化，并探討了在不同發(fā)射環(huán)境內(nèi)發(fā)射近、遠(yuǎn)場(chǎng)流場(chǎng)壓強(qiáng)變化規(guī)律。該研究對(duì)實(shí)現(xiàn)有限空間發(fā)射技術(shù)以及預(yù)測(cè)沖擊波對(duì)炮手的危害有一定的指導(dǎo)意義。

1 計(jì)算模型及網(wǎng)格劃分

1.1 基本假設(shè)

筒式武器后噴流場(chǎng)存在復(fù)雜的火藥燃?xì)馀c擋板碎片耦合過程，為了方便計(jì)算模型的建立以及減少計(jì)算量，作出以下假設(shè)：

1)將火藥燃?xì)夂髧娺^程，由實(shí)際三維問題簡(jiǎn)化成便于建模計(jì)算的二維仿真模型。

2)高溫高壓火藥燃?xì)庾鳛槔硐霘怏w考慮，忽略其化學(xué)反應(yīng)過程。

3)不考慮火藥燃?xì)夂蛧姽鼙诿娴臒崃拷粨Q。

4)忽略火藥燃?xì)鈮浩扑幨覔醢宓倪^程以及擋板碎片對(duì)后噴流場(chǎng)的影響。

1.2 計(jì)算模型

如圖1所示，在數(shù)值計(jì)算模型中將噴管入口端設(shè)置為壓力入口邊界條件，窗戶設(shè)置為壓力出口邊界條件，噴管內(nèi)外壁面、發(fā)射筒外壁面、地面、墻頂、后壁面設(shè)置為壁面邊界條件。

圖1 有限空間發(fā)射后噴流場(chǎng)計(jì)算模型

為分析筒式武器后噴流場(chǎng)變化規(guī)律，設(shè)立監(jiān)測(cè)點(diǎn)如圖2所示。其中，p1、p2、p3為遠(yuǎn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，設(shè)于發(fā)射筒軸線上，分別距離噴管尾端1.2 m、2.4 m、3.8 m，主要用于監(jiān)測(cè)空間內(nèi)遠(yuǎn)場(chǎng)壓力變化。r1、r2、r3為近場(chǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，設(shè)于以噴管入口為中心，半徑為0.5 m的圓弧上，其與噴管入口中心的連線與發(fā)射筒軸線的夾角分別為90°、60°、30°，主要用于檢測(cè)空間內(nèi)近場(chǎng)壓力變化。

圖2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置示意圖

1.3 網(wǎng)格劃分

本模型全網(wǎng)格采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。由于尾噴管內(nèi)部涉及超高速流動(dòng)，為保證計(jì)算準(zhǔn)確，對(duì)噴管喉部和其出口區(qū)域網(wǎng)格進(jìn)行加密處理。在計(jì)算后期，沖擊波會(huì)與墻壁面存在碰撞反射現(xiàn)象，因此對(duì)墻壁面附近的網(wǎng)格也進(jìn)行加密處理。局部網(wǎng)格如圖3所示。

圖3 計(jì)算模型局部網(wǎng)格

1.4 邊界條件及算法

文中以某筒式武器內(nèi)彈道數(shù)據(jù)為入口邊界條件，入口壓力取內(nèi)彈道膛壓曲線，入口溫度取內(nèi)彈道膛溫曲線，如圖4、圖5所示。

圖4 入口壓力曲線

圖5 入口溫度曲線

出口壓力取一個(gè)大氣壓，出口溫度取300 K;壁面函數(shù)采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，壁面不考慮熱量交換；對(duì)計(jì)算域進(jìn)行初始化時(shí)，計(jì)算域壓力取一個(gè)大氣壓，溫度取300 K。求解方法采用基于密度的耦合求解方法，對(duì)二維控制方程的離散采用有限容積法，對(duì)導(dǎo)數(shù)項(xiàng)采用二階迎風(fēng)格式，控制方程中的湍流模型采用Realizablek-epsilon模型。

2 仿真分析

2.1 后噴流場(chǎng)分析

根據(jù)流場(chǎng)仿真結(jié)果，筒式武器后噴流場(chǎng)可分為3個(gè)階段：初始波系形成階段、沖擊波反射階段、紊亂階段。

第一階段：發(fā)射藥點(diǎn)燃后，燃?xì)馍淞鲏嚎s藥室空氣，生成一系列壓縮波，壓縮波不斷疊加逐漸形成為一道強(qiáng)激波，從噴管噴出。如圖6所示，火藥氣體從噴管迅速釋放，形成非定常欠膨脹射流結(jié)構(gòu)，強(qiáng)激波不再受到噴管限制作用迅速膨脹形成球形的火藥燃?xì)鉀_擊波，同時(shí)由于高速火藥燃?xì)馍淞鞯膹膰姽芪膊繃姵鰧?duì)周圍空氣的卷吸作用，在噴管出口周圍形成兩個(gè)低壓漩渦。如圖7所示，0.7～3 ms之間，沖擊波不受空間約束自由膨脹，呈球形不斷往后運(yùn)動(dòng)，直到?jīng)_擊波與墻頂、地面碰撞，第一階段結(jié)束。該階段后噴流場(chǎng)與在自由射場(chǎng)發(fā)射后噴流場(chǎng)規(guī)律相同。

圖6 0.7 ms后噴流場(chǎng)壓力云圖

圖7 3 ms后噴流場(chǎng)壓力云圖

圖8 4 ms后噴流場(chǎng)壓力云圖

第二階段：如圖8所示，隨著沖擊波的不斷膨脹，球形沖擊波直徑大小超過3 m，波面與地面、墻頂發(fā)生碰撞，形成弓形反射波。弓形反射波波與原沖擊波相碰撞疊加。如圖9所示，在6.5 ms左右，沖擊波與后壁面碰撞反射，由于后壁面與沖擊波運(yùn)動(dòng)方向垂直，后壁面出現(xiàn)較高壓強(qiáng)峰值。

圖9 6.5 ms后噴流場(chǎng)壓力云圖

第三階段：如圖10、圖11所示，7 ms左右，沖擊波與墻頂、地面碰撞形成的弓形反射波和沖擊波與后壁面碰撞形成的強(qiáng)反射波交匯，逐漸形成一高壓紊亂氣流團(tuán)。紊亂氣流團(tuán)逐漸向窗外移動(dòng)，在16 ms左右，紊亂氣流作用于近場(chǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

圖10 7 ms后噴流場(chǎng)壓力云圖

圖11 16 ms后噴流場(chǎng)壓力云圖

2.2 近、遠(yuǎn)場(chǎng)壓強(qiáng)變化規(guī)律

圖12描述了近場(chǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓強(qiáng)隨時(shí)間變化規(guī)律。在0～3 ms之間，球形火藥燃?xì)鉀_擊波經(jīng)過監(jiān)測(cè)點(diǎn)，3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)分別出現(xiàn)壓強(qiáng)峰值并迅速跌落，并且越靠近軸線，其壓強(qiáng)峰值越大。在5～10 ms之間，由于沖擊波與地面、頂面碰撞形成弓形反射波，導(dǎo)致近場(chǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓強(qiáng)升高并產(chǎn)生鋸齒狀波動(dòng)。但由于與地面、墻頂產(chǎn)生碰撞的沖擊波波面強(qiáng)度較弱，因此產(chǎn)生的弓形反射波也較弱。在16 ms左右，沖擊波與地面、墻頂碰撞形成的弓形反射波和與后壁面碰撞形成的反射波相互疊加形成的高壓紊亂氣流團(tuán)逐漸向窗外移動(dòng)，經(jīng)過近場(chǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)從而引起高壓峰值。隨著紊亂氣流團(tuán)從窗口逐漸消散，近場(chǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓強(qiáng)逐漸趨于一個(gè)大氣壓。

圖13描述了遠(yuǎn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓強(qiáng)隨時(shí)間變化規(guī)律。在0～7 ms之間，火藥燃?xì)鉀_擊波依次經(jīng)過監(jiān)測(cè)點(diǎn)，出現(xiàn)高壓峰值， 隨著沖擊波運(yùn)動(dòng)，能量消耗，峰值逐漸減小。7～12 ms之間，沖擊波與后壁面碰撞，導(dǎo)致遠(yuǎn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓強(qiáng)峰值回升，產(chǎn)生齒型波動(dòng)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)越靠近后壁面，回升越高，波動(dòng)越劇烈。之后，遠(yuǎn)場(chǎng)壓強(qiáng)逐漸穩(wěn)定到一個(gè)大氣壓。

圖13 遠(yuǎn)場(chǎng)不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓強(qiáng)變化曲線

2.3 不同發(fā)射條件下流場(chǎng)壓強(qiáng)變化規(guī)律比較

為更好探究筒式武器在有限射場(chǎng)發(fā)射后噴流場(chǎng)特性，對(duì)其在自由射場(chǎng)發(fā)射的后噴流場(chǎng)進(jìn)行仿真分析。圖14、圖15描述了筒式武器在有限射場(chǎng)與在自由射場(chǎng)發(fā)射時(shí)相同位置監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓強(qiáng)變化規(guī)律。其中，r1、p3為有限射場(chǎng)內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，r′1、p′3為同位置自由射場(chǎng)內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。r1、r′1為炮手點(diǎn)，p3、p′3為近壁點(diǎn)。由圖14可知，0～3 ms內(nèi)，由于后噴流場(chǎng)處于初始波系形成階段，兩種發(fā)射條件下炮手點(diǎn)壓強(qiáng)變化一致。 在7 ms左右，由于燃?xì)馍淞鲗?duì)周圍空氣的卷吸作用，r1曲線出現(xiàn)低壓峰值，之后炮手點(diǎn)壓強(qiáng)開始回升并逐漸穩(wěn)定在一個(gè)大氣壓。在有限射場(chǎng)內(nèi)，5～10 ms階段，由于沖擊波與地面、墻頂碰撞形成的弓形反射波經(jīng)過炮手點(diǎn)，使壓強(qiáng)升高，其峰值為1.5個(gè)大氣壓左右。在16 ms左右，由反射波引起的高壓紊亂氣流團(tuán)經(jīng)過炮手點(diǎn)，出現(xiàn)高壓峰值，值為4個(gè)大氣壓左右，為自由射場(chǎng)峰值的2.5倍。

圖14 不同發(fā)射環(huán)境下炮手點(diǎn)壓強(qiáng)變化曲線

由圖15可知，在0～7 ms之間，不同發(fā)射條件下近壁點(diǎn)壓強(qiáng)變化規(guī)律基本相同。在有限射場(chǎng)內(nèi)，7 ms左右，沖擊波與后壁面垂直碰撞形成的較強(qiáng)反射波經(jīng)過近壁點(diǎn)，該點(diǎn)壓強(qiáng)回升并出現(xiàn)齒形波動(dòng)。當(dāng)較強(qiáng)反射波完全通過該點(diǎn)，該點(diǎn)壓強(qiáng)迅速回落。有限射場(chǎng)與自由射場(chǎng)的流場(chǎng)相比，近壁點(diǎn)壓強(qiáng)峰值提升較小，是因?yàn)槿肷錄_擊波本身強(qiáng)度越低，反射波強(qiáng)度提升就越小[11-12]。

圖15 不同發(fā)射環(huán)境下近壁點(diǎn)壓強(qiáng)變化曲線

3 結(jié)論

通過對(duì)單兵筒式武器有限空間發(fā)射后噴流場(chǎng)進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：

1)筒式武器有限空間內(nèi)發(fā)射后噴流場(chǎng)可以分成3個(gè)階段：初始波系形成階段、沖擊波反射階段、紊亂階段。第一階段：火藥燃?xì)鈴膰姽芨咚賴姵觯纬汕蛐位鹚幦細(xì)鉀_擊波，并在噴管尾部形成兩個(gè)低壓漩渦；第二階段：沖擊波首先與地面、墻頂碰撞形成弓形反射波，然后與后壁面碰撞反射形成較強(qiáng)反射波；第三階段：弓形反射波與強(qiáng)反射波相互作用形成高壓紊亂氣流團(tuán)逐漸向窗外移動(dòng)。

2)筒式武器在有限射場(chǎng)內(nèi)發(fā)射時(shí)，沖擊波與地面、墻頂碰撞產(chǎn)生的弓形反射波對(duì)近場(chǎng)影響較小，幅值在1.5個(gè)大氣壓左右；沖擊波與后壁面碰撞產(chǎn)生的反射波對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)影響較大，幅值在2.5～6.5個(gè)大氣壓左右；高壓紊亂氣流團(tuán)對(duì)近場(chǎng)影響較大，幅值在4個(gè)大氣壓左右。

3)筒式武器在有限射場(chǎng)與在自由射場(chǎng)相比，炮手點(diǎn)壓強(qiáng)峰值出現(xiàn)在發(fā)射結(jié)束之后，是由高壓紊亂氣流團(tuán)經(jīng)過引起的，峰值是自由射場(chǎng)的2.5倍左右，近壁點(diǎn)高壓峰值提升較小。