艦炮駐退機流場研究

劉大慶，李 翔，邱群先

(中國船舶重工集團公司第七一三研究所，河南 鄭州 450015)

0 引 言

反后坐裝置是艦炮發射系統的關鍵部位之一，某型大口徑艦炮的駐退機為帶溝槽的節制桿式駐退機，按照傳統計算方法進行校核，艦炮的連發性能、駐退機腔內壓力都沒問題，但在射擊試驗中，當艦炮進行長連發射擊時，出現后坐復進時間長的問題。在該問題上出現理論計算與射擊試驗結果不符現象，顯示出傳統設計方法在計算大口徑艦炮長連發時存在不足，需要對駐退機流場重新進行計算分析。本文采用計算流體力學方法，通過CFD 分析軟件，重新研究駐退機內部流場的變化規律，分析駐退機出現該問題的原因，利用流體力學相關理論解決工程實際問題。

1 駐退機模型建立

駐退機的主要功能是提供后坐阻力，控制火炮后坐部分按預先設定的力和運動規律運動，保證火炮射擊時的穩定性。火炮使用駐退機大都是不可壓縮液體的駐退機，節制桿式駐退機在火炮上有著廣泛應用。圖1 為某型艦炮所采用的駐退機三維模型，這是一種典型的帶溝槽的節制桿式駐退機。該制退機同時存在液量補償器，可以防止液體因為溫升膨脹影響駐退機正常工作[1]。

后坐過程駐退機的運動規律為：后坐部分帶動駐退桿從駐退機筒中拉出來，液壓油經過駐退桿活塞上的流液孔流出，一部分液體經節制環與節制桿間的環形間隙流到駐退桿的前腔，另一部分液體經駐退桿與節制桿間的環形間隙進入活門后內腔。液體經小孔高速流動時產生的阻尼抵消了部分后坐能量。節制環與節制桿間的環形間隙不斷減小，液壓油阻力逐漸增大，最終實現后坐部分的制動直至停止。

圖 1 駐退機結構模型Fig. 1 Structural diagram of recoil mechanism

復進過程駐退機的運動規律為：在復進機的作用下后坐部分復進，帶動駐退桿進入駐退機筒中。駐退桿前腔的液體經節制環與節制桿間的環形間隙以及駐退桿活塞上的流液孔流到駐退桿的后腔；駐退桿內腔的液壓油經駐退桿內表面的可變深度的溝槽被擠向前，通過合理設計溝槽，可以確保駐退桿按照指定的規律復進[2]。

在實際仿真計算中，駐退機的結構過于復雜，需要進行簡化處理，去掉一些無關的部件，帶補償器的主推機模型簡化后劃分網格如圖2 所示。

圖 2 駐退機網格圖Fig. 2 Meshing diagram of recoil mechanism

2 駐退機內部流場運動規律

簡化后的駐退機模型流場為三維對稱不可壓縮湍流，采用下面的數學模型：

駐退機內部液體在非常短的時間內加速到最大速度，其速度變化非常劇烈，屬于典型的非定常流動，駐退機節制桿流液孔處液體雷諾數高達上百萬，形成高雷諾數湍流。湍流模型采用標準方程，為湍動能，為耗散率：

該模型考慮到補償器的作用，需要使用多相流模型，在補償器連接空氣部分使用壓力邊界入口，補償器位置流體采用多相流模型，即VOF 模型[4]。在后坐復進過程中，駐退桿往復運動，其內部運動邊界不斷變化，分析過程中使用動網格。其運動規律使用內彈道的計算數據，采用邊界型函數（Profile 文件）指定。在本模型中，運動變形區域為結構化網格，采用動態層技術可以快速實現動網格的實時更新[5][6]。

3 駐退機流場數值模擬分析

本文分3 步進行流場仿真，首先是不帶補償器單發后坐復進流場分析，之后是帶補償器單發后坐復進過程分析，最后是帶補償器連發后坐復進過程分析。不帶補償器的時候需要對模型進行處理，將補償器去掉之后的模型如圖3 所示。此時駐退機內部全是液壓油，在計算過程中認為是單相流運動，不必考慮空氣的影響，從一定程度上可以對駐退機內部的流場進行簡單的分析。

圖 3 不帶補償器的駐退機網格模型Fig. 3 Meshing diagram of recoil mechanism without compensator

3.1 不帶補償器的駐退機單發后坐復進模擬分析

駐退機后坐復進過程共計0.6 s，其中后坐過程0.132 s，復進過程0.468 s，此處選取后坐過程中0.016 s，0.128 s；復進過程中0.16 s，0.32 s 等4 個時刻的駐退機內部流場壓力數據，讀取其對稱面上的壓力云圖，如圖4～圖7 所示。

圖 4 0.016 s 時壓力云圖Fig. 4 Contours of dynamic pressure at 0.016 s

圖 5 0.128 s 時壓力云圖Fig. 5 Contours of dynamic pressure at 0.128 s

圖 6 0.16 s 時壓力云圖Fig. 6 Contours of dynamic pressure at 0.16 s

圖 7 0.32 s 時壓力云圖Fig. 7 Contours of dynamic pressure at 0.32 s

從圖中可知，不同時刻駐退機內流場壓力有很大差別，基本規律大致相似，活塞前部出現很大壓力，活塞后部壓力很小并出現負壓，分析認為是液體局部壓力下降到飽和蒸汽壓或空氣分離壓以下，導致液體內部產生了氣穴現象[7]。液壓油中的空泡潰滅時間極短，局部會出現非常大的壓強，不斷潰滅的空泡產生極高的壓強反復沖擊碰撞駐退機壁面以至造成破壞，形成氣蝕[8-9]。為避免該現象發生，駐退機前部添加了補償器，補償器與大氣相連，可避免這種現象。

3.2 帶補償器的駐退機單發后坐復進模擬分析

帶補償器的模型見圖2。補償器內上部為空氣，仿真模型變為兩相流，設置空氣入口為壓力入口，即press-inlet 邊界條件，并設置一個很小的湍流參數，保證計算后不會有較大誤差。運動過程0.6 s，后坐0.132 s，復進0.468 s，選取流場體積分數、壓力場兩個角度進行分析。

1）駐退機內部流場體積分數

某一相的體積分數表示了該相在兩相流中所占的比例[7]，對單發運動，選擇0.08 s 時的體積分數云圖，如圖8 所示。可以看出，駐退機前部區域空氣體積分數都位于0.05 以下，可以認為活塞環運動前部區域全部是液壓油，活塞環運動后側，氣相體積分數開始逐漸增大，特別是駐退機內壁上部彎管入口處在到駐退機節制環周圍，氣體積分分數比較大，可以認為此處進入了空氣，補償器底部有體積分數小于0.05 的區域，說明在補償器中液壓油并沒有全部被抽入駐退機內。

圖 8 0.08 s 時體積分數云圖Fig. 8 Contours of volume fraction at 0.08 s

作為對比，可以參照0.12 s 時的氣體體積分數，此時后坐運動基本結束，補償器內腔中有液壓油沒有被抽入到內腔中，駐退機內空氣所占比重有所上升，認為有空氣通過彎管進入駐退機內。

圖 9 0.12 s 時體積分數云圖Fig. 9 Contours of volume fraction at 0.12 s

復進過程選取0.5 s 時進行分析，如圖10 所示。此刻復進基本到位，駐退機內部液壓油所占比例明顯增多，液壓油逐步占據了空氣的空間，氣體也逐漸返回補償器，補償器內底部有部分液壓油。全過程中節制桿內腔沒有空氣進入，空氣的影響區域主要是活塞運動方向前部。

圖 10 0.5 s 時體積分數云圖Fig. 10 Contours of volume fraction at 0.5 s

2）駐退機內部流場壓力分析

后坐過程選取0.08 s 時壓力分析，由于兩相流的作用，帶補償器的駐退機流場負壓力已經消失（見圖11），最大壓力位于管道壁面處，壓力值為0.28 MPa。

對于復進過程，選取0.5 s 時分析壓力變化規律，此時接近復進尾聲，最大壓力值為3.97 MPa，位于補償器底部接近彎管處，其余部位壓力位于0.2 Mpa 以下。

3.3 帶補償器的駐退機連發后坐復進模擬分析

圖 11 0.08 s 時壓力云圖Fig. 11 Contours of dynamic pressure at 0.08 s

圖 12 0.5 s 時壓力云圖Fig. 12 Contours of dynamic pressure at 0.5 s

本文選擇了4 次連發進行仿真計算，其中單發運動的后坐時間0.132 s，復進過程0.468 s，4 次連發時間總計2.3 s。文中選取流場體積分數、有效粘度、壓力場3 個角度來進行分析。

1）駐退機內部流場體積分數和有效粘度分析

在長連發運動過程中，0.7 s 時體積分數如圖13 所示。活塞環運動前部區域空氣體積分數小于0.13，運動區域后部體積分數較大，在與彎管相連的上部區域，甚至達到0.6～0.75 之間，說明通過彎管有相當數量的空氣進入了駐退機內部。圖14 為1.9 s 時駐退機內流場空氣體積分數云圖，此時活塞環運動位置和0.7 s時大致相同，在活塞環前部區域，空氣體積分數有了很大提高，大致范圍為0.4～0.45，節制桿內腔中空氣體積分數也有一定提高，此時空氣的影響已經到了節制桿內腔。在節制環后部流體區域從連接彎管處到活塞后部位置，空氣體積分數比較高。

圖 13 0.7 s 時體積分數云圖Fig. 13 Contours of volume fraction at 0.7 s

圖 14 1.9 s 時體積分數云圖Fig. 14 Contours of volume fraction at 1.9 s

空氣從彎管進入駐退機內后沿著上部壁面擴散，碰到活塞尾部后向活塞周圍擴散，隨著連發后坐復進運動的積累，后坐復進過程中空氣的體積分數逐漸變大，而且擴散的區域也逐漸擴大，甚至進入到節制桿內腔中，大量空氣會形成直徑為0.05～0.5 mm 的小氣泡狀態懸浮在液體中，這種氣泡對液壓油的體積彈性模量和液壓油的粘度產生嚴重影響。

如果混入的空氣繼續增加，受到影響的液壓油彈性模量急劇下降，液壓油中的壓力波傳播速度減慢，動力粘度開始呈線性增高，對駐退機內的復進運動會造成嚴重影響，這里給出1.1 s，1.9 s 時和2.26 s 時的有效粘度云圖（見圖15～圖17）。從1.9 s 時和2.26 s時云圖上分析，在1.9 s 時最大粘度值為8.92 kg/m·s，2.26 s 時最大粘度值為10.1 kg/m·s，粘度的整體分布情況也有了一些提高，在1.9 s 時，大部分區域粘度數值集中在0.2～0.35 kg/m·s 之間，而到了2.26 s 時，大部分區域粘度數值集中在0.40～0.5 kg/m·s 之間。粘度的增加有可能會造成復進不到位的現象。

2）駐退機內部流場壓力分析

圖 15 1.1 s 時有效粘度云圖Fig. 15 Contours of effective viscosity at 1.1 s

圖 16 1.9 s 時有效粘度云圖Fig. 16 Contours of effective viscosity at 1.9 s

圖 17 2.26 s 時有效粘度云圖Fig. 17 Contours of effective viscosity at 2.26 s

隨著后坐復進運動的增加，壓力分布也出現了變化，這里選取1.3 s 時和1.9 s 時的壓力場來進行分析，1.3 s 時的壓力云圖如圖18 所示，最大壓力為0.782 MPa，位于彎管與駐退機連接處，其中節制環處的最大壓力為0.0392 MPa。1.9 s 時的壓力云圖如圖19 所示，相比較而言，最大值減小為0.334 MPa，分析認為壓力的減小是空氣進入的緣故，隨著后坐復進的繼續進行，壓力會繼續減小。壓力的減小對液壓油沒有顯著的影響。

圖 18 1.3 s 時壓力云圖（頂視圖）Fig. 18 Contours of dynamic pressure at 1.3 s（top view）

圖 19 1.9 s 時壓力云圖（頂視圖）Fig. 19 Contours of dynamic pressure at 1.9 s（top view）

4 結 語

不帶補償器的駐退機單發后坐復進過程主要從一般的計算角度對流場進行了分析，目前大部分對駐退機流場的仿真都不考慮補償器的作用，文中對其進行計算主要便于之后同帶補償器的駐退機流場仿真結果進行對比。

帶補償器的后坐復進過程，不論單發還是連發，都需要考慮空氣的作用，將問題擴展到多相流。由于補償器直接與空氣相連，導致空氣從彎管處進入駐退機內腔，這一點對于駐退機長連發工作不利，會在駐退桿復進過程中增大粘度，粘度的增大對復進過程不利，解決方法可以從減小空氣進入量，減小復進阻力等角度出發，具體措施有增大補償器內部液壓油的體積，增大駐退桿內表面溝槽尺寸等。本文對含補償器的駐退機連發運動流場數值模擬為駐退機設計改進提供了一定的參考和借鑒作用。