某迫击炮装弹下滑过程流场仿真分析

【装备理论与装备技术】

某迫击炮装弹下滑过程流场仿真分析

马杰，周中佳，卜华涛，何永

(南京理工大学 机械工程学院，南京210094)

摘要：迫击炮采用炮口装填，装填过程中迫弹在重力作用下下滑，使基本药管与膛底的击针相撞而发火。迫弹下滑的速度与炮弹定心部和膛内壁的间隙大小相关，间隙过大，火药燃烧的一致性变差，炮弹出炮口的初始扰动增大，因此弹丸散度将加大；间隙过小，一方面不能保证在小发射角时的击发动能，另一方面无法保证发射射速。采用Fluent流场分析软件研究了迫击炮弹、炮间隙对装弹中下滑过程的影响，对几种不同间隙和射角状况下弹丸下滑过程的流场和弹丸运动规律进行了仿真分析，并开展了相关的讨论。

关键词：迫击炮；流场；迫弹；间隙；耦合

收稿日期：2014-09-20

作者简介：马杰(1989—)，男，硕士研究生，主要从事计算流体力学研究。

doi:10.11809/scbgxb2015.01.019

中图分类号：TJ31

文章编号：1006-0707(2015)01-0068-04

本文引用格式：马杰，周中佳，卜华涛，等.某迫击炮装弹下滑过程流场仿真分析[J].四川兵工学报，2015(1):68-71.

Citationformat:MAJie,ZHOUZhong-jia,BUHua-tao,etal.NumericalSimulationandAnalysisofMortar’sInsideFlowFieldDuringLoading[J].JournalofSichuanOrdnance,2015(1):68-71.

NumericalSimulationandAnalysisofMortar’s

InsideFlowFieldDuringLoading

MAJie,ZHOUZhong-jia,BUHua-tao,HEYong

(MechanicalEngineeringCollege,NanjingUniversityofScienceandTechnology,Nanjing210094,China)

Abstract:The mortar uses the muzzle loading. During the loading, the mortar ammunition will speed down under the effect of gravity, during which the basic medicine impacts hammer needle at innersole to produce fire. The speed at innersole is related to the space between the mortar ammunition with gun barrel. The excessive gap seriously hampers the consistency of gunpowder combustion which increases the initial disturbance in muzzle, so the projectile dispersion will increase. At the same time, the space is too small to guarantee the firing kinetic energy and the firing rate. In order to study the influence of gap and structure to the loading process, the flow field around the pill ,the loading process in different gap and angle of departure were simulated with fluent, and related analyses were discussed at the same time.

Keywords:mortar;flowfield;mortarammunition;space;coupling

迫击炮以其体积小、质量轻、使用和携带方便等优点，在未来战争中仍将发挥重要的作用。如何保证迫击炮装填时的状态稳定和安全、可靠性一直是研究人员迫切需要解决的问题，本文将从流场分析的角度对炮膛间隙对迫弹装填的影响开展研究，并进行相关的讨论。本文考虑炮膛与定心部间隙造成的气体流失以及弹丸附近湍流对装弹过程的影响。对迫击炮膛内气体建立二维雷诺平均方程，使用k-ε二方程标准湍流模型，采用Roe的FirstOrderUpwind,应用动网格技术模拟了整个弹丸的下滑过程。

1迫击炮装填过程分析

装填时，迫击炮弹在下滑的过程中受到重力、膛内气体阻力和炮弹与身管之间的摩擦力作用。其下滑运动方程为

(1)

式中：m为弹丸质量；f为摩擦系数；po为大气压力；px为弹丸下滑中膛内气体压力；θ0迫击炮的发射角；S为迫击炮弹的横截面积。近似地，在迫击炮设计理论中提出了一种假定的下滑速度与时间关系，如图1所示。

图1　迫弹假定下滑速度-时间曲线

如图1所示，假定迫弹开始为匀加速运动，当运动至0.3 s时，速度到最大值，此后迫弹在膛内以近似匀速运动，因而可得假定下滑速度

(2)

μ=αβ

(3)

式中：f为摩擦系数取0.2；Δ为炮弹与膛壁之间直径上的间隙；a为消耗系数，表示缝隙出口处气体密度为大气密度的倍数；β为气体流出的速度系数[1-2]。μ约在0.6～0.8范围内，式(2)表明间隙的大小直接影响下滑速度，一般来说间隙增大，膛内气体容易排出，加速度较大，当间隙足够大是不出现近似等速运动，间隙减小时，气体不容易排出，气体受压缩后，下滑运动出现较为明显的振动现象，如图2所示。

图2　不同间隙大小情况下的迫弹下滑曲线

根据迫击炮设计理论计算可得，120 mm迫击炮的最佳间隙为0.6～0.8。

2迫弹装填过程气动数学模型

2.1控制方程

考虑到整个装填过程，膛内间隙处的气体马赫数从0增长到1，同时弹带前部的气体经过加速，气体马赫数>1,所以气体视为可压缩气体。根据以上假设建立迫弹流场二维轴对称守恒形式的(N-S)方程

(4)

(5)

F=[ρμ ρμ2+p-τxxρυμ-τxy

(6)

G=[ρv ρυμ-τyxρμ2+p-τyy

(7)

(8)

气体状态方程

Pv=nRT

(9)

量热状态方程

e=cvT

(10)

式中：ρ为大气密度；μ为膛内气体的径向流速；υ为膛内气体的轴向流速；e为气体单位比内能；p为压强；f为作用在单位质量流体微团的体积力[3]。

Gk+Gb-ρε-YM+Sk

(11)

(12)

式中:Gk表示由层流速度梯度产生的湍流动能；Gb是由浮力产生的湍流动能；YM由于在可压缩湍流中，过度的扩散产生的波动C1,C2,C3是常量；σk和σε是k方程和ε方程的湍流prandtl数；Sk,Se是用户定义的[4]。

2.2计算区域网格划分方法

计算区域网格的划分，考虑到气体和迫弹的流固耦合作用，采用结构化动态层模型：

Hmin>(1+as)*h0

(13)

Hmin

(14)

式中：ac为合并因子，取0.04；as为分割因子，取0.4；h0为理想单元高度，取0.005 m；Hmin为单元的最小高度。在网格运动条件下，流场内控制体发生变化，采用有限容积法来表示守恒方程[5]。

以下为计算区域分块网格的划分方法。炮口和膛底为静态区域，弹丸和流体区域为刚体运动区域，刚体运动区域的运动通过编程定义，运用牛顿第二定律计算膛内气体对弹丸的阻力。为了能够捕捉到间隙的流场，对定心部与身管之间的间隙进行加密处理，如图3所示。

3迫弹装弹下滑过程流场模拟结果与分析

本文分别模拟和分析了发射角为45°,间隙为0.6mm、0.8mm、0.4mm的3种装填下滑过程工况，通过fluent流体分析软件计算并获取了弹丸下滑过程的流场等运动状态，图4为流场速度等值线图。

图3　迫弹下滑模型示意图

图4　弹丸在5.939 9 e-1( s)时膛内的速度等值线

可以看出整个流场除了间隙处速度比较大，其他区域速度都接近0。为了进一步分析流场分布规律，对区域一、二进行放大处理，如图5、图6所示。

图5　区域一的速度等值线

图6　区域二的速度等值线

可以看出，膛内气体在密封圈之前间隙逐渐减小的区域，压力逐渐减小，速度逐渐增大，在进入密封圈区域之后，截面积增大，此时气流马赫数仍小于1，速度有略微的减小。之后气体通过等效缩扩管的密封圈之后的区域，气体加速为超音速气体。

为了能够清晰了解弹丸在下滑过程中，主要流场区域的流动特性，从fluent流体软件中提取了0.539s的速度流线图，如图7所示。

图7　0.539 s时弹丸附近的速度流线

如图7所示，弹丸在整个下滑的过程中，除间隙附近外，整个流体区域的气体流速较小，根据雷诺数计算公式可得此流体区域内雷诺数远小于2 320，因此流动可视为层流运动。

从速度等值线图得知，间隙处在t=0.4之后，弹丸间隙末端的气体加速为超音速气体，雷诺数在3e4左右远大于湍流临界值，通过图8发现，在密封圈处的湍流动能急速增加。在出密封圈的附近湍流达到最大值约为3.25e3(m2/s2)。

图8　0.539 s时弹丸密封圈附近的湍流动能等值线

膛内压力是影响弹丸运动轨迹的主要因素之一，通过fluent流体计算软件，得到了膛内靠近膛底某一点压力-时间曲线，如图9所示。

图9　Δ=0.6靠近膛底部位的压力-时间的变化曲线

可以看出，在整个装填过程中，堂内压力变化同样经历了缓慢-快速-缓慢的一个升压过程。利用fluent软件，得到了弹丸在不同间隙的情况下，发射角为45°的速度-时间曲线和弹丸受力-时间曲线图，如图10、图11所示。

图10　不同间隙下的v-t曲线

图11　不同间隙下迫弹周围整体的p-t曲线

从v-t曲线可以看出迫弹在经过近似匀加速后减速运动，通过流体分析的结果与理论分析的结果大体吻合。从p-t曲线可以看出，迫弹周围整体压力在经过一段时间缓慢增加后到0.4s左右进入了一个快速增加的阶段。此时弹丸整体压力与摩擦的合力仍小于重力，所以弹丸会进入一个加速度减小的加速阶段。从速度曲线看出在t=0.5s左右速度达到最大值，此时膛内压力达到临界值，弹丸周围整体压力与摩擦力的合力与重力平衡，之后，重力小于阻力，弹丸进入加速度逐渐增大的减速阶段。 通过对模型和计算结果的分析，得出弹丸间隙附近的流体区域可以简化为一个给定面积比的缩扩管，管后气体压力基本保持不变，进口气体总压从p0开始逐渐提高，流体区域从过度膨胀工作状态的第三类开始，然后随着膛内压力的升高，依次出现第二类、第一类和完全膨胀工作状态、不完全膨胀的工作状态的流动情形。仿真结果表明间隙0.6mm，t=0.4s左右流体区域进入不完全膨胀的工作状态，最小界面处为马赫数为1的临界状态，根据缩扩管的气体流量公式

(15)

可以得到迫弹装填过程中任意时刻的气体流量，膛内压力越高，最小截面处气流的压力越高，气流的密度越大，故气体的流量越大[6]。

4结论

本文采用计算流体力学方法，考虑了弹丸在装填下滑过程中膛内压力与弹丸的耦合作用，对某迫击炮装填过程开展了数值仿真分析，分析计算结果表明：

1) 弹丸在装填过程中，不同间隙大小对弹丸在膛内的运动过程有明显的影响。

2) 弹丸在装填过程中，在弹丸运动到0.4s左右弹丸周围的气体经过两次等效缩扩管加速，马赫数达到最大值1，然后继续加速为超音速气体。

3) 本文从流体分析的角度，更加精确的分析了弹丸下滑过程的运动规律。得到装填过程中，膛内气体的流线图以及间隙处和密封圈处的气体流动特性。

4) 通过fluent流体分析软件仿真分析得到了各个时刻，各个位置的气流参数，可为弹丸、炮身相关结构的进一步精细设计提供理论依据和参考。

参考文献：

[1]唐治.迫击炮设计[M].北京：兵器工业出版社,1994:47-50.

[2]魏惠之，朱鹤松，汪东晖，等.弹丸设计理论[M].北京：国防工业出版社,1985:177-187.

[3]JohnDAnderson.计算流体力学基础及其应用[M].北京：机械工业出版社,2007:51-55,195-255.

[4]张德良.计算流体力学教程[M].北京：高等教育出版社,2010:62-67.

[5]黄欢，何永，蔺月敬.某迫击炮炮口流场数值模拟分析[J].火炮发射与控制学报，2012(4)：63-67.

[6]何立明,赵罡,程邦勤.气体动力学[M].北京：国防工业出版社,2009:134 -144.

(责任编辑周江川)