考慮空化效應的制退機流場數值模擬

謝立峰,鄭建國,陳朝君,丁傳俊

(南京理工大學機械工程學院,江蘇南京210094)

0 引言

制退機是火炮反后坐裝置的重要部分,它在火炮發射過程中產生給定規律的阻力來消耗火炮后坐運動的能量,控制后坐運動的規律[1]。制退機性能直接影響著射擊的穩定性和可靠性。利用多相流模型對等直徑節制桿式制退機內部流場進行了空化現象研究,得到了制退機流場的速度、壓力和流線圖等,通過對數據分析,根據制退機流場速度分布圖可以看出制退液在非工作腔的射流情況。

1 制退機中空化效應介紹

制退機通常以制退液作為工作介質,火炮后坐時,制退機工作腔內的液體受到擠壓,經過節制環流液孔高速流出形成高雷諾數的湍流,從而為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。制退機在工作時,制退機流場中的流動情況極其復雜。由于隨著制退桿的不斷抽出,非工作腔內抽出的體積始終大于入射射流的體積,所以導致其內部容易出現真空,稱為流體的空化現象。又由于制退液經過環形流液孔時,流道突然縮小流速急劇升高,因此流液孔處壓力下降,在節制環附近和非工作腔內易出現空化現象。制退機在后坐過程時環形流液孔處制退液的速度可達170 m/s左右,制退機非工作腔中的低壓狀態甚至低于該時刻制退液的飽和蒸汽壓[2]。射流在流液孔下方速度達到了最大,同時壓降也最大,一些地方出現了負壓,這是因為制退機內部出現了一定的真空,但真空區域很快被泡沫化的制退液填充,區域內的壓力變化不大。當液流進入非工作腔后,由于其速度很高,當它和腔內的液體迅速混合后,在活塞附近立刻形成湍動能很高的漩渦。通過這一過程制退液壓力、速度下降,溫度升高,火炮動能由此轉化為液體的內能,最終達到耗能制動的目的。

2 制退機流場空化機理分析

所謂的空化現象是指在低于相應溫度下的飽和蒸汽壓使得液體快速蒸發而引起的微氣泡出現急劇性生長的現象[3]。通常情況下流體機械內部如果要產生空化現象需要滿足以下條件:流場中流體內部存在氣核,流場中的壓力要低于相應溫度下液體的飽和蒸汽壓?；鹋谥仆藱C由于存在特殊的結構,火炮后坐時制退機非工作腔內流場情況滿足這種要求,所以制退機流場往往會發生空化現象[5]。

3 空化效應的火炮制退機內部流場數值仿真

針對制退機流動空化效應這一復雜問題,采用商用CFD軟件FLUENT建立了簡化計算模型[4]。考慮了流動的動態特性,采用了全封閉的計算區域和MIXTURE氣液兩相流模型,對制退機內部流動情況進行了較為完整的仿真,仿真結果定性地反應了制退機內部的空化效應,同時也證明了在后坐結束時刻,非工作腔的確充滿著泡沫狀的制退液。

3.1 幾何建模

制退機內的流動是具有運動邊界的三維非定常高雷諾數湍流流動,并且存在真空中的射流,本次數值模擬為降低計算中的難度,故而對制退機的物理模型進行必要的簡化:

1)將三維流動簡化為二維軸對稱流動,計算時取其一半。

2)簡化調速筒活瓣裝置,使其在后坐過程中始終處于打開狀態。

3)將制退活塞上的流液通道簡化為環形流液孔,但傾角為實際尺寸。

4)將變直徑的節制桿簡化為等直徑尺寸。

根據上述要求簡化后的制退機模型如圖1和圖2所示。處理后的模型基本保持了制退機結構的主要特征和實際形狀尺寸。

圖1 制退機三維示意圖

使用FLUENT前處理軟件GAMBIT建立二維模型,如圖2所示。

圖2 簡化后的計算模型

3.2 網格劃分

1)制退機的運動邊界采用導入profile文件的方法驅動邊界運動,使得制退桿和制退活塞按照實測炮管后坐速度抽出。在抽出的過程中,運動區域的網格采用動態層變方法自動更新。例如,當工作腔內的網格受到壓縮時,網格會壓縮變形繼而和鄰近層的網格合并;非工作腔內的網格則受到拉伸時,網格會拉伸然后分裂生成新的網格。

2)通過對模型內部區域進行分區來劃分網格,靜區域內采用規則的四邊形網格,并且控制網格的疏密程度,使貼近壁面的網格更加精細,以此來代替流動的邊界層。對于不規則形狀的動區域則采用三角形非結構網格,并嚴格控制網格品質。動區域和靜區域之間采用interface進行數據交換。

3)除了對稱軸為對稱邊界條件外,其他內部邊界均作為壁面邊界條件處理。壁面有動壁面和靜壁面之分。

最后整個計算區域共生成89 184個網格,網格劃分足夠細密,可以使求解結果不存在網格依賴性。

將制退機的計算模型采用二維軸對稱模型的一半,制退機劃分的網格模型如圖3所示。為了數值模擬的有效性,必須保證網格的品質,因此采用以下原則:

圖3 制退機網格模型

1)劃分計算模型的網格采用分區劃分網格;

2)根據制退機結構的復雜情況,對網格進行加密處理;

3)布置網格時,結構規則的地方采用四邊形網格,結構不規則的地方采用三角形網格;

4)計算過程中各子區域數據通過滑移網格界面進行數據交換。

3.3 求解過程

仿真是在15℃的氣溫下進行,采用標準裝藥,0°射角。制退液設定為不可壓縮粘性流體,密度為1 160 kg