活塞式高低压发射系统的膛内流场仿真分析与实验

黏度.
2.3 活塞运动方程
本文利用动网格技术计算并模拟火药气体推动
活 塞 运 动 的 过 程 ,活 塞 运 动 的 方 程 为
∑ a=
pisi -mtgcos(90°-θ), mt
(5)
式中:a 为活塞 的 加 速 度;pi 为 划 分 网 格 后,作 用 在
活塞底部网格 面 上 的 压 强;si 为 活 塞 底 部 网 格 面 的
Abstract:Basedonthecoupledequationofclassicalinteriorballistictheoryandcomputational fluiddynamicstheory,thegasflowinboreofpistonhigh-lowpressurelauncherismodeledusing Fluentandanalysesthegasflowinthelaunchprocesstooptimizethestructureofpistonhigh-low pressurelauncherinthispaper.Experimentsarecarriedontovalidatetheanalyses.Theresults ofsimulationandexperimentsshowthedetailsofinteriorflowfieldaccordingtoits3-D model, whichprovidesthetheoreticalbasisforthedesignofpistonhigh-lowpressurelauncher. Keywords:high-lowpressurelauncher;interiorflowfield;coupledanalysisofinteriorballistic
面积;mt 为活 塞 和 抛 投 式 机 器 人 的 总 质 量;g 为 重
第 10 期
郝 鑫 等 :活 塞 式 高 低 压 发 射 系 统 的 膛 内 流 场 仿 真 分 析 与 实 验
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力 加 速 度 ;θ 为 发 射 的 俯 仰 角 度 .
3 网格与边界条件
活塞式高低压发射系统的膛内空间网格如图 2所示.
活塞 机 构 可 以 将 高 温 气 体 和 弹 体 隔 离,防 止 高 温气体对弹体造成 损 伤,同 时 活 塞 可 以 将 气 体 封 闭 在发射筒内部,实 现 无 光、无 声 和 无 烟 发 射,提 高 战 场上的生存几率.
收稿日期:2012 09 03 基金项目:国家部委基础科研 计 划 资 助 项 目 (B2220110013);爆 炸 科 学 与 技 术 国 家 重 点 实 验 室 (北 京 理 工 大 学 )自 主 课 题 资 助 项 目
为
1 2
火
药
药
粒
起
始
厚
度
;p1
为高
压室压强 . [3]
高压室压强为
p1
= V01
-m ρp
fm (φ-η) (1-ψ)-αm
, (φ-η)
(2)
式中:f 为火药 力;m 为 装 药 量;φ 为 火 药 燃 烧 过 程
中已 燃 部 分 的 体 积 分 数;V01为 高 压 室 容 积;ρp 为 火
药密度;α 为火药余容;η 为相对流量.
火 药 气 体 流 场 的 细 节 ,为 高 低 压 发 射 系 统 的 设 计 提 供 理 论 依 据 .
关 键 词 :高 低 压 发 射 系 统 ; 膛 内 流 场 ; 耦 合 内 弹 道 分 析
中 图 分 类 号 :TJ012.1
文 献 标 志 码 :A
文 章 编 号 :1001-0645(2013)10-1005-05
(QNKT10-03) 作 者 简 介 :郝 鑫 (1983— ),男 ,博 士 生 ,E-mail:goodstar1024@qq.com. 通 信 作 者 :施 家 栋 (1982— ),男 ,博 士 ,讲 师 ,E-mail:sjd215@bit.edu.cn.
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北京理工大学学报
第 33 卷
2 数学方程
传统的经典内弹道理论主要以一维模型为基础
对内弹道过程进行 分 析,忽 略 了 膛 内 气 体 的 分 布 和
流 动 .而 计 算 流 体 力 学 则 可 以 建 立 流 场 的 二 维 和 三
维模型,对气体 流 动 过 程 进 行 仿 真 计 算.将 经 典 内
弹道理论与计算流 体 力 学 相 结 合,就 可 以 分 析 发 射
第33卷 第10期 2013 年 10 月
北京理工大学学报 TransactionsofBeijingInstituteofTechnology
Vol.33 No.10 Oct.2013
活塞式高低压发射系统的膛内流场仿真分析与实验
郝鑫1, 王建中1, 施家栋1, 王立明2, 姜涛1
(1. 北京理工大学 爆炸科学与技术国家重点实验室,北京 100081;2. 西安北方秦川集团有限公司,陕西,西安 710043)
适用于管道内流动、边 界 层 流 动 和 带 有 分 离 的 流 动
等情 况[4].所 以 本 文 采 用 改 进 的 Realizablek-ε 模
型 ,建 立 高 低 压 发 射 系 统 的 火 药 气 体 三 维 流 场 模 型 .
包括连续性方程、动量 方 程、能 量 方 程、k 方 程、
ε方程和湍动 黏 度 方 程.Realizablek-ε 模 型 的 连 续
装置内部气流的流 动 变 化 情 况,更 有 效 地 指 导 生 产
和实践.
2.1 经典内弹道方程
基于经典内弹道理论计算点火后火药的燃速和
高 压 室 压 强 .火 药 的 燃 速 为
dZ dt
=Uδ11pn1,
(1)
式中:Z 为 火 药 药 粒 的 相 对 燃 烧 厚 度;t 为 时 间;
U1
为 燃 速 常 数 ;δ1
图2 膛内空间的网格和边界面示意图 Fig.2 Meshandboundaryinbore
膛内空 间 的 总 长 度 为 56.3 mm,最 大 直 径 为 18mm.采用四 面 体 网 格 进 行 网 格 划 分,网 格 最 大 尺 寸 为0.5mm,最 小 尺 寸 为0.02mm.网 格 划 分 完 毕 后 ,模 型 中 共 有301393个 单 元 ,37550个 节 点 .
抛投式侦察机 器 人 具 有 体 积 小、方 便 携 带 的 特 点,可以较隐蔽地进 入 目 标 区 域 实 施 侦 察 或 信 息 采 集,在现代 军 事 和 侦 查 领 域 具 有 较 大 的 应 用 价 值. 但是抛投 式 侦 察 机 器 人 又 具 有 抗 过 载 能 力 差 的 缺 点,所以采用活塞式 高 低 压 发 射 机 构 进 行 抛 投 式 机 器人的发射作业,为 了 量 化 分 析 高 低 压 发 射 机 构 内 的 气 体 流 动 ,优 化 发 射 系 统 的 结 构 参 数 ,从 而 进 一 步 降低抛投 式 机 器 人 在 发 射 弹 射 过 程 中 所 受 到 的 冲 击,本文针对活塞式 高 低 压 室 发 射 系 统 进 行 膛 内 流 场仿真分析与实验研究.
均速度梯度引起的湍动能k 的产生项. Realizablek-ε 模型的ε 方程为[5]
췍(췍ρtk)+췍(췍ρεxuii)=
췍 췍xj
éëêê
æèçμ+σμεt
ö
÷
ø
췍췍xεjùûúú
+ρC1Eε-ρC2 ε2 k+
νε
,
(4)
式中:σε 也是与湍动能k 和 耗 散 率ε 对 应 的 Prandtl 数,通 常 为 1.2,C1 和 C2 为 经 验 常 数;ν 为 运 动
摘 要:为了优化活塞式高低压发射系统的结构,基于经典内弹 道 方 程 和 计 算 流 体 动 力 学 方 程 建 立 内 弹 道 耦 合 方
程,利用 Fluent软件建立活塞式高低压发射系统膛内空间的 三 维 气 流 模 型,对 发 射 过 程 中 的 膛 内 流 场 进 行 仿 真 分
析 ,并 进 行 发 射 实 验 验 证 仿 真 分 析 结 果 .仿 真 与 实 验 结 果 表 明 ,基 于 发 射 筒 内 气 流 的 三 维 模 型 可 以 得 到 高 低 压 内 部
活塞 式 高 低 压 发 射 系 统 主 要 包 括 发 射 筒、高 压
室、低 压 室、破 孔、活 塞 等 几 部 分.发 射 药 安 装 在 高 压 室 内 部 ,在 点 燃 发 射 药 后 ,发 射 药 在 高 压 室 内 部 燃 烧 ,生 成 高 温 高 压 气 体 ,其 中 部 分 气 体 通 过 破 孔 进 入 低压室,形成压 力 较 低 的 火 药 气 体.从 而 利 用 高 压 室的高压使火药充 分 燃 烧,同 时 利 用 低 压 室 的 低 压 推 动 弹 体 运 动 [1],降 低 发 射 系 统 的 筒 内 压 强 峰 值 ,实 现低过载发射.
图1 活塞式高低压发射系统原理图 Fig.1 Schematicdiagramofpistonhigh-lowpressurelauncher
高压 室 内 的 发 射 药 点 燃 后 产 生 高 压 燃 气,达 到 一 定 压 强 后 冲 破 破 孔 覆 片 ,进 入 低 压 室 ,使 低 压 室 压 强 升 高 ,达 到 启 动 压 力 后 推 动 活 塞 向 前 运 动 ,发 射 侦 察机器人.
性方程、动 量 方 程、能 量 方 程 与 标 准 模 型 的 方 程 一
样,本文不再重复.Realizablek-ε 模型的k 方程为
췍(췍ρtk)+
췍(ρ췍kxuii)=췍췍xj
éëêê
æèçμ+σΒιβλιοθήκη Baidukt
ö
÷
ø
췍췍xkjùûúú
+Gk
-ρε,
(3)
式中:ρ 为 密 度;k 为 湍 动 能;ui 为 时 均 速 度;μ 为 液 体的动力黏度;μt 为 湍 动 黏 度;σk 为 与 湍 动 能k 和 耗散率ε 对应的 Prandtl数,通 常 为 1;Gk 为 由 于 平
SimulationandExperimentofInteriorFlowFieldin PistonHigh-LowPressureLauncher
HAO Xin1, WANGJian-zhong1, SHIJia-dong1, WANG Li-ming2, JIANG Tao1
(1.StateKeyLaboratoryofExplosionScienceandTechnology,BeijingInstituteofTechnology,Beijing100081,China; 2.Xi’an North QinchuanGroupCo.Ltd,Xi’an,Shaanxi710043,China)
积发射系统和大容积发射系统的膛内压强等值线图 分 别 如 图 3 和 图 4 所 示 ,为 方 便 观 察 ,仅 显 示 三 维 模 型中xOy 平面上的仿真结果.
图3 小容积发射系统的膛内压强等值线图 Fig.3 Pressurecontourinboreoflauncherwithsmallvolume
现有的高低压室发射系统的内弹道研究成果主 要是基于经典内弹道理论对发射的膛压曲线和发射 初速进行一维计算 和 分 析,计 算 过 程 中 没 有 考 虑 发 射筒内部流场的径向差异,对实际情况简化较 多 . [2] 而且一维模型也无 法 反 映 筒 内 流 场 的 细 节,不 利 于 对高低压 室 发 射 系 统 的 内 弹 道 过 程 进 行 更 深 入 的 分析.
2.2 计算流体动力学方程
k-ε 模型是当前 使 用 最 广 泛 的 湍 流 模 型,k-ε 模
型又分为标准k-ε 模 型、RNGk-ε 模 型 和 Realizable
k-ε 模型.对于 时 均 应 变 率 特 别 大 的 情 形,标 准k-ε
模型有可能导致负的正应力,而 Realizablek-ε 模型
本文用经典内弹道方程和流体力学方程进行耦 合 计 算 ,对 膛 内 空 间 的 三 维 流 体 模 型 进 行 仿 真 计 算 , 得到了不同低压室容积条件下发射筒内部的火药气 体压强和流速,并通 过 实 验 数 据 验 证 了 仿 真 分 析 的 结果.
1 物理模型
活塞式 高 低 压 发 射 系 统 的 工 作 原 理 图 如 图 1所示.