双管火炮异步发射时膛口流场分析

律 ， ４为 弹丸 穿越 膛 口流场 过 程 中侧 向偏 移 速 度 随 图 时间 的变化 规 律 。仿 真 计 算 结 果 表 明 ， 管火 炮 异 步 双
（ ）当弹丸 受到射 流作 用并 穿越 非对 称 膛 口流 场 １ 时 ， 受到 一个 附加 的横 向力 ， 丸 在此 力 作 用 下 ， 将 弹 不 仅 初 始扰动 将会增 大 ， 而且 其 质 心将 偏 向膛 口射 流 的 方向， 从而 使随机 的 弹道散 布发 生变化 ， 散布 中心也 会 在 射流方 向产 生有规 律 的偏 移 。 （ ）双 管火炮 异步发 射 时的膛 口流场 明显 减小 了 ２ 先 发射 弹丸 的偏 移程 度 ， 对第 二发 弹 的影 响却 不大 。 但
流体 ｚ、 Ｙ方 向的运动速 度 ； 、 分 别 为动 网 格 的运 叫 砒 动速 度 ； 为黏性 力 ； ｒ
１ ２ 建 立分析 模 型 ．
：个 、
、 为 热流量 。 Ｏ １
本文 针对 一种 双管 火炮 在 异步发 射时耦 合高 速运 动 弹丸 的膛 口流场 建立 模 型并 进 行 仿 真 ， 场计 算 区 流
（ 一 叫－ ＋ （ “ ） — ｗ２ ｒ ＋ ａ ）ｘ ， Ｔ
部 网格 重构法 。这 ３种 网格 重新 生成方 法可 以任意组 合， 表达 非常复 杂 的动网格 问题［ 。 ６ ］
３ 模 拟 结果与 分析
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图 ２为双管 火炮异 步发 射不 同时刻 的炮 口流场压
（ ） Ｕ ＝ ｔ ，
・ ６ ３ ・
机 械 工 程 与 自 动 化
２１ ０ ２年 第 ２ 期
Ｏ
平 动及 边界变 形 的问题 。动 网格 模 型中最关键 的技 术
是 网格重 新生 成 的方 法 ， ｌｅ ｔ Ｆ ｕ ｎ 提供 了 ３种 网格 重新
（ ， ： 【）
生 成方法 ： ①基 于弹 簧 的光 顺 法 ； 动态 层铺 法 ； 局 ② ③
一
火炮 发射时膛 口流 场的相关 问题 ， 国外 已进 行 了大
量的实验与模 拟计 算工作［ 。Ｓｈ ｄ 等人 。 １ ｅｍｉ ］ ｔ 研究 了膛 口流场的特征 和机理 ， 提出 了流场 的结构构成 ， 并给 出了
膛 口冲击波、 马赫盘 位置等随时间变 化的曲线 ， 同时建立
ａ （， ． （ 【） ａ Ｕ）
场 核心 区域 的压 力要 比同时发射 时形 成 的膛 口流场 的 压 力要 低 ， 故其 对弹 丸的影 响 比较小 ； 随着 时间 的增 ② 加 ， 扰 流场 的核心 区域逐 渐增 大并 影响 到 弹丸 ， 干 弹丸 之间 的侧 向压力 随之增 大 ， 在大 约 ０ ３ｍｓ ． 左右 侧 向力
由于本 文研究 双管 火炮 异步 发射 时耦 合 高速 运动
弹丸 的膛 口流 场 ， 如果 要建立整个发 射过 程的数 学模型
将存在 很大 的困难 ， 对膛 口流场 的模拟 分析作 了 以下 故 简化 ： 忽略火 药气体 的 多组 分 和化 学反 应 的影 响 ， ① 将
火药气体看为理想气体介 质 ， 完全 服从气体状 态方程 ； ②
与 在相 同炮管 距离下 相 比 ， 步 发 射对 弹丸 的 影 响 比 异 同时发 射时 的影响要 小很 多 。
发射 时膛 口流 场及 其对 弹丸 运 动 姿态 的影 响 主要 为 ：
①第 一发 弹 出炮 口 ０ １ｍｓ 第二 发弹离 开膛 口 ， 时 ． 后 这
两个 流 场开始 相互 干扰 ， 并产 生高 压扰 动 区域 ， 发 弹 两 都存 在侧 向的偏移 速度 ， 是其速 度增 加量 较小 ， 但 由于 间隔发 射 时两炮 管 的膛 口流 场形 成 存 在 时 间差 ， 流 其
一 十 — 一 。
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了这些 曲线 的经验表达式 ； ａｉ ｅ ｒ Ｄ ｎ ｌ ｌ 等用 Ｆｕｎ 模拟 ｅ Ｌ ｅ ｌｅｔ
了 ７６ ｌｌ ．２ｎｌ 步枪 的膛 口流 场， 出 的结果 与实验 照片基 Ｔ 得
ｕ ＝ ＝
』‘ Ｄ ｚ
本 吻合 。国内学者马大为采用 ＭＵＳ Ｌ格式分别 计算 了 Ｃ
双管火 炮 间隔发 射 弹 丸 时 ， 身 管 内 的高 温 高 速 两
欠 膨胀 火药 气体 间 隔喷 出而产 生 相 互 干 扰 ， 形 成 的 所 膛 口流场 与同步 发射 时 有 很 大 的不 同 ， 即该 流 场 呈 现 出不对 称性 ， 而且 该 不 对 称性 有 一 定 的指 向性 。一 方
波系结构 的形 成 、发 展与相互 干扰 的过 程 ， 以及 该流场
对 弹丸后效期 内飞行姿态 的影响情况 。
收 稿 日期 ：２ １ — １２ Ｉ修 回 日期 ：２ １－ ２ ２ ０ １ １— ９ ０ ｌ１ — ０
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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作 者 简 介 ｔ许 桎 樟 ・１８ 一 ，男 ，湖 南 邵 阳 人 ， 在 读 硕士 研 究 生 ， 主要 研 究 方 向为 系 统 动 力 学 及仿 真 技 术 。 （ ９６ ）
流场 采用 结构 性 网格 ， 对该 区域 网格尺 寸加 以放大 ， 并
网格总数 ３ ００ ０ ２ ０ 。
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图 ｌ 流 场计 算 区域 网 格 示 意 图
１ ３ 边 界 条 件 ．
本文 在该模 拟 流场 的区域上 结合 软件 给 出 ３种边 界条 件 ， 即入 口条件 、出 口条件 和压力 远 场边界条 件 。
步发射 时对弹丸飞 出膛 口后 的飞行姿 态影 响较 大。从而弹丸偏移速度 会影响双管火炮的射击精度 。
关 键 词 ：双 管 火 炮 ；异 步 发 射 ；膛 口 ；数 值 模 拟 中图 分 类 号 ：Ｔ ３ ３ ． Ｊ０ ＋ ２ 文 献 标识 码 ：Ａ
０ 引 言
１ 计算 模 型
１ １ 控 制 方 程 ．
力 等值线 图 。发射 瞬 间 ， 管 火炮 之 间 的火 药 气 体 由 双
） ＋
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于存 在 时间间 隔而产 生 相 互干 扰 ， 向身 管周 围膨胀 的 火药气 体 在两管 之间相 互扰 动叠加 。火药 气体膨 胀 的 径 向速度 相同 ， 向相反 ， 而火药气 体混 合后产 生一 方 从 个 只有轴 向速度 的高 压核心 区域 。 由于两 身管相 距较 近 ， 一发 弹飞 离炮 口后 身 管膛 口气 流独 立 发展 ， ． 第 ０Ｚ
域 网格示 意 图 如 图 Ｚ所 示 。 网格 划 分 采 用 Ｆ ｕ ｎ 前 ｌｅ ｔ
在 的身管 喷 出的气流 压 力要 大 ， 成 的 相互 干扰 的膛 形
口气 流是 呈非对 称地 向外 膨胀 ， 流 偏 向第 一 发 弹所 气 ■●繇 登■疆誓Ｉ 比较 大 。 ●■ 登■露鐾■ 在 的身 管 ， 流所形成 马赫 盘直径 气
』 一 ２ Ｄ （ ） ｌ （ Ｄ 一 叫２ ＋ 夕 “ ） Ｆｙ Ｕ） （ ＝
了完整 的炮 ｒ流场［ 。本 文采用计算 流体力学方法 结合 Ｃ ｌ ５ ］ 动网格技术 ， 立双管 火炮异 步发 射时膛 口流场 的二 维 建
数值模 拟模 型 ， 确描述 双管 异步发 射时炮 口流 场 的激 正
通 常偏 向 自由空 间的一 面 。
火炮发射的后效期 内为完 整 的模 拟过 程 ； 弹丸 出膛 口 ③
后， 火药气体射流呈现 出以炮 口轴线为轴 的对称流动。
根据 以上 简化 ， 立 如下 包 含 动 网 格 的膛 口流 场 建 的二维 非定 常 黏性可 压缩 方程组 ：
ａ ． Ｆ＝ Ｕ ） ． Ｆｙ Ｕ ） Ｕ ａ （ ａ （
双 管 火炮 异 步发 射 时膛 口流 场 分 析
许 桎 樟 ， 李 强 ，方 举 鹏
（ 中北 大 学 机 电 工 程 学 院 。 山西 太 原 ００５） ３ ０ １
摘 要 ：采 用 计 算 流 体 力 学 方 法 结 合 动 网格 技 术 建 立 了双 管 火 炮 异 步发 射 时 膛 口流场 的 二 维数 值 模 拟 模 型 ， 正 确 描 述 了双 管 不 同步 发 射 时炮 口流 场 的激 波 系 结构 的形 成 、 发 展 与 相 互 干 扰 的 过 程 。模 拟 结 果 得 出双 营 不 同
２ 动 网格 模型
Ｆｕ ｎ 动 网格 技 术 主要 用 于 模 拟 由于 流 域 边 界 ｌｅ ｔ
运 动 引起 流域形 状 随时 间变化 的流动 情况 。根据 边界 或 物 体 的移动 自动 进行 计 算 域 内 的 网格 重 建 ， 而求 从
解 非定 常 问题 。运 动边 界 可 以是 刚性 运 动 、 动 或者 转
（） ｔ １ ８ ｍ ｅ ＝． ｓ
图 ２ 双管 炮 口流 场 压 力 等值 线 图
２ １ 年 第 ２期 ０２
许 桎 樟 ， ： 管 火炮 异 步 发 射 时膛 口流 场 分 析 等 双 ４ 结 论
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图 ３为弹 丸 飞 离 膛 口后 侧 向 合 力 随 时 间 变 化 规
有无膛 口装置情 况下 的二维轴 对称膛 口流场 ， 到了两 得
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种情况下各 自的膛 口流场的参数 分布Ⅲ ； 姜孝 海、 李鸿志
等用基于
方程及 嵌入 网格法 的数值 模拟手 段得 出
（ 一 １ ） 』 ｚ 叫１ Ｅ＋ （ 一 叫１ Ｐ Ｄ‘ （一 ） “ ）
第 ２期 （ 第 １ １ ） 总 ７期
２１ ０ ２年 ４月
机 械 工 程 与 自 动 化
Ｍ ＥＣＨ ＡＮＩ ＣＡＬ ＥＮＧＩ ＮＥＥ ＮＧ ＲＩ ＆ ＡＵＴＯＭ ＡＴＩ ＯＮ