考虑空化效应的制退机流场数值模拟

谢立峰,郑建国,陈朝君,丁传俊

(南京理工大学机械工程学院,江苏南京210094)

0 引言

制退机是火炮反后坐装置的重要部分,它在火炮发射过程中产生给定规律的阻力来消耗火炮后坐运动的能量,控制后坐运动的规律[1]。制退机性能直接影响着射击的稳定性和可靠性。利用多相流模型对等直径节制杆式制退机内部流场进行了空化现象研究,得到了制退机流场的速度、压力和流线图等,通过对数据分析,根据制退机流场速度分布图可以看出制退液在非工作腔的射流情况。

1 制退机中空化效应介绍

制退机通常以制退液作为工作介质,火炮后坐时,制退机工作腔内的液体受到挤压,经过节制环流液孔高速流出形成高雷诺数的湍流,从而为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。制退机在工作时,制退机流场中的流动情况极其复杂。由于随着制退杆的不断抽出,非工作腔内抽出的体积始终大于入射射流的体积,所以导致其内部容易出现真空,称为流体的空化现象。又由于制退液经过环形流液孔时,流道突然缩小流速急剧升高,因此流液孔处压力下降,在节制环附近和非工作腔内易出现空化现象。制退机在后坐过程时环形流液孔处制退液的速度可达170 m/s左右,制退机非工作腔中的低压状态甚至低于该时刻制退液的饱和蒸汽压[2]。射流在流液孔下方速度达到了最大,同时压降也最大,一些地方出现了负压,这是因为制退机内部出现了一定的真空,但真空区域很快被泡沫化的制退液填充,区域内的压力变化不大。当液流进入非工作腔后,由于其速度很高,当它和腔内的液体迅速混合后,在活塞附近立刻形成湍动能很高的漩涡。通过这一过程制退液压力、速度下降,温度升高,火炮动能由此转化为液体的内能,最终达到耗能制动的目的。

2 制退机流场空化机理分析

所谓的空化现象是指在低于相应温度下的饱和蒸汽压使得液体快速蒸发而引起的微气泡出现急剧性生长的现象[3]。通常情况下流体机械内部如果要产生空化现象需要满足以下条件:流场中流体内部存在气核,流场中的压力要低于相应温度下液体的饱和蒸汽压。火炮制退机由于存在特殊的结构,火炮后坐时制退机非工作腔内流场情况满足这种要求,所以制退机流场往往会发生空化现象[5]。

3 空化效应的火炮制退机内部流场数值仿真

针对制退机流动空化效应这一复杂问题,采用商用CFD软件FLUENT建立了简化计算模型[4]。考虑了流动的动态特性,采用了全封闭的计算区域和MIXTURE气液两相流模型,对制退机内部流动情况进行了较为完整的仿真,仿真结果定性地反应了制退机内部的空化效应,同时也证明了在后坐结束时刻,非工作腔的确充满着泡沫状的制退液。

3.1 几何建模

制退机内的流动是具有运动边界的三维非定常高雷诺数湍流流动,并且存在真空中的射流,本次数值模拟为降低计算中的难度,故而对制退机的物理模型进行必要的简化:

1)将三维流动简化为二维轴对称流动,计算时取其一半。

2)简化调速筒活瓣装置,使其在后坐过程中始终处于打开状态。

3)将制退活塞上的流液通道简化为环形流液孔,但倾角为实际尺寸。

4)将变直径的节制杆简化为等直径尺寸。

根据上述要求简化后的制退机模型如图1和图2所示。处理后的模型基本保持了制退机结构的主要特征和实际形状尺寸。

图1 制退机三维示意图

使用FLUENT前处理软件GAMBIT建立二维模型,如图2所示。

图2 简化后的计算模型

3.2 网格划分

1)制退机的运动边界采用导入profile文件的方法驱动边界运动,使得制退杆和制退活塞按照实测炮管后坐速度抽出。在抽出的过程中,运动区域的网格采用动态层变方法自动更新。例如,当工作腔内的网格受到压缩时,网格会压缩变形继而和邻近层的网格合并;非工作腔内的网格则受到拉伸时,网格会拉伸然后分裂生成新的网格。

2)通过对模型内部区域进行分区来划分网格,静区域内采用规则的四边形网格,并且控制网格的疏密程度,使贴近壁面的网格更加精细,以此来代替流动的边界层。对于不规则形状的动区域则采用三角形非结构网格,并严格控制网格品质。动区域和静区域之间采用interface进行数据交换。

3)除了对称轴为对称边界条件外,其他内部边界均作为壁面边界条件处理。壁面有动壁面和静壁面之分。

最后整个计算区域共生成89 184个网格,网格划分足够细密,可以使求解结果不存在网格依赖性。

将制退机的计算模型采用二维轴对称模型的一半,制退机划分的网格模型如图3所示。为了数值模拟的有效性,必须保证网格的品质,因此采用以下原则:

图3 制退机网格模型

1)划分计算模型的网格采用分区划分网格;

2)根据制退机结构的复杂情况,对网格进行加密处理;

3)布置网格时,结构规则的地方采用四边形网格,结构不规则的地方采用三角形网格;

4)计算过程中各子区域数据通过滑移网格界面进行数据交换。

3.3 求解过程

仿真是在15℃的气温下进行,采用标准装药,0°射角。制退液设定为不可压缩粘性流体,密度为1 160 kg