基于流場仿真的錐形消焰器性能分析

殷鵬賢

（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

武器在射擊時，燃燒不完全的火藥燃氣在炮口產生的可見火焰稱為炮口焰。炮口焰產生的負面影響非常大，如暴露陣地目標、影響射手夜間瞄準、引發二次沖擊波等［1］。因此減小或消除炮口焰一直是火炮設計人員追求的目標。炮口焰的形成有物理因素和化學因素的雙重原因。從物理角度來看，火藥氣體因有足夠的熱而發光；從化學角度來看，它經歷了火藥氣體燃燒的過程。因此針對膛口焰的抑制方法相應的有物理方法（加裝炮口消焰器）和化學方法（改變裝藥、加消焰劑）［2］。

某小口徑火炮為了抑制炮口焰研制了一款錐形消焰器，其不但可以明顯抑制炮口焰，還可以減小炮后位置的沖擊波壓力［3］。但是，消焰器的使用會帶來后坐力增大的弊端，對武器總體的輕量化不利。

近年來，隨著CFD技術的發展，國內對膛口裝置的流場進行了大量實驗和數值研究，如王楊等基于流場仿真分析了膛口沖擊波的物理特性［4］；張輝等對帶制退器的膛口流場進行了三維數值模擬［5］。為分析某小口徑火炮加裝錐形消焰器后帶來的變化，本文利用流場數值仿真技術對錐形消焰器進行性能分析，從膛口溫度場（物理抑制炮口焰）、炮后監測點壓力、后坐力數值變化三個方面進行研究。

1 錐形消焰器工作原理及模型

按照形成時間順序，炮口焰分為前期焰、初期焰、炮口輝光、中間焰和二次焰。本文從炮口焰形成角度來分析錐形消焰器的工作原理。錐形消焰器一方面可以屏蔽前期焰和初期焰產生的火光，另一方面從炮口噴出的火藥燃氣射流在消焰器中經過了膨脹，得到一定程度的降溫，失去了產生火焰的條件，同時火藥氣體壓力下降，出炮口后膨脹度較小，膨脹產生的正激波強度降低，抑制了二次焰的產生［6］。

為獲取較好的流場計算模型，便于劃分網格，在流場仿真之前對身管和消焰器外形進行簡化，忽略其實際物模型上的倒角、凸臺、安裝螺紋和膛線等對流場分布影響不大的特征。某火炮身管和消焰器的三維模型如圖1所示。

圖1 某火炮身管與消焰器的三維模型

2 數值方法及流場計算模型

2.1 控制方程

炮口焰屬于多維、兩相流的非定常湍流燃燒以及湍流加速爆燃轉暴轟問題，到目前為止，還沒有成熟的理論和方法來研究。本文將從抑制炮口焰的物理途徑來研究消焰器，在消焰器流場仿真方面，考慮到炮口焰的復雜性，對火藥氣體進行合理的簡化。目前膛口流場的數值模型多基于以下假設：

（1）將空氣和火藥氣體當作同一介質，采用理想氣體的材料特性來計算。

（2）忽略火藥氣體的化學反應。

（3）忽略彈丸運動對膛口氣流的影響。

根據上述假設，采用無黏三維Euler方程來描述炮口氣流［7］，控制方程為：

其中：ρ為火藥氣體密度；p為火藥氣體壓強；u、v、w分別為3個方向的速度分量；e為單位質量氣體的總比，假設氣體為理想氣體，滿足氣體狀態方程p＝ρRT，R為理想氣體常數，T為體系溫度。

2.2 流場計算模型

為分析安裝錐形消焰器前、后流場結構的變化以及消焰器的使用對后坐力數值的影響，建立不帶消焰器與帶消焰器兩種流場計算模型。已知有、無消焰器模型均為軸對稱的結構，為降低網格劃分難度以及節省仿真計算的時間，流場模型均使用二維軸對稱模型。有、無消焰器流場模型炮口附近網格劃分如圖2所示。本文選擇應用于超音速流動的耦合求解器、隱算法式、非定常求解器以及適合求解有壁面限制的流動模型的Spalart-Allmaras模型。邊界條件及初始條件設置如下：身管和消焰器采用固壁邊界條件，對稱軸采用軸對稱邊界條件，流域邊界采用壓力出口邊界條件。根據內彈道計算公式求解內彈道結束時刻膛內氣體的壓力、溫度及速度沿軸線的分布規律，以此為初始條件在流體仿真軟件中對膛內氣體狀態進行賦值［8］。根據內彈道計算可得該火炮的后效期時長約為20ms，因此設置0.01ms為一個時間步，共2 000個時間步。

圖2 有、無消焰器炮口附近網格劃分

3 仿真結果分析

3.1 膛口溫度場對比分析

圖3、圖4為有、無消焰器時炮口附近在1.5ms、2ms、2.5ms和3ms四個不同時刻的溫度云圖。對比圖3、圖4分析可知，安裝錐形消焰器后，膛口氣流的軸向發展速度變快，馬赫盤外形和強度變小，呈現出細長形瓶壯激波的結構；在2.5ms同一時刻，不帶消焰器和帶消焰器膛口附近最高溫度降低約170K。可以得出結論，錐形消焰器的使用，可有效降低膛口火藥氣體溫度，增加燃氣速度，減少點火時間，可以抑制膛口附近二次焰的產生。

圖3 無消焰器時炮口附近不同時刻的溫度云圖

圖4 有消焰器時炮口附近不同時刻的溫度云圖

3.2 炮后監測點壓力對比分析

為分析錐形消焰器的使用對炮口后方超壓值的影響，在不帶消焰器與帶消焰器仿真模型中均建立一個壓力監測點，監測位置如圖5所示。有、無消焰器在監測點位置的超壓值變化曲線如圖6所示。由圖6可以看出，加裝消焰器的火炮后方位置超壓值明顯減小，說明錐形消焰器可減小武器后方的沖擊波。3.3 后坐力影響分析

消焰器的使用帶來的唯一負面效應是其助退功能，使得火炮的后坐力增大。為分析該款錐形消焰器使用帶來的炮膛合力值變化，流場計算時在仿真軟件內監測身管、膛底和消焰器沿膛線方向的受力（取后坐方向為正方向），仿真計算結束后可得到有、無消焰器炮膛合力隨時間變化曲線，如圖7所示。由圖7可知，加裝消焰器后炮膛合力在0.09ms時間內快速增大到101kN附近，而同時刻不帶消焰器的炮膛合力約為65kN。仿真數據表明，錐形消焰器的使用帶來的問題是炮膛合力明顯增大，因此需要重新核算該火炮的反后坐裝置能否承受有消焰器情況下的炮膛合力。

圖5 壓力監測點位置

圖6 有、無消焰器監測點超壓值變化曲線

4 結論

針對某小口徑火炮加裝的錐形消焰器，利用流場仿真技術對其性能進行了研究，可得到如下結論：

（1）錐形消焰器可有效降低膛口火藥氣體溫度，從物理角度抑制了炮口焰的形成。

（2）錐形消焰器可減小炮后區域的沖擊波。

（3）錐形消焰器帶來火炮后坐力的明顯增大，需要重新考慮反后坐裝置能否滿足要求。

以上結論全面分析了錐形消焰器的性能，可為加裝消焰器的小口徑火炮提供理論指導。

圖7 有、無消焰器炮膛合力變化曲線