快開閥裝置階躍壓力上升時間影響因素研究

張逸飛，孔德仁 ，施宇成

(南京理工大學，江蘇 南京 210002)

0 引 言

彈藥爆炸過程中會產生諸多毀傷元[1]，如沖擊波、 破片、 地震波、 熱輻射等都會對目標產生較大的毀傷作用，其中爆炸沖擊波是其主要的毀傷參量之一[2]. 在沖擊波反射壓試驗中，傳感器在現場使用環境與實驗室中的檢定環境有很大不同，壓力測量系統在現場環境下將受到溫度、 濕度等環境因素影響[3]. 因此，有必要對沖擊波反射壓測量系統進行現場校準. 目前主要的階躍型動態壓力校準裝置有激波管裝置與快開閥裝置. 快開閥裝置所能達到的幅值高于激波管，平臺壓力持續時間也遠遠高于激波管，適用于大幅值壓力傳感器的動態特性研究[4]. 此外，相對于激波管裝置，快開閥裝置體積小，易于攜帶，更適用于現場校準方案. 階躍壓力上升時間是快開閥裝置最重要的技術指標，階躍壓力上升時間越短，可校準的頻率范圍就越寬[5]. 在實際試驗過程中發現快開閥裝置產生壓力的上升時間受到低壓腔尺寸及傳感器布設位置影響，故需要對其展開仿真研究，從而找出合適的設計尺寸與傳感器布設位置，使得壓力上升時間盡可能短.

快開閥裝置階躍壓力上升時間對壓力動態校準結果具有很大的影響. 目前國內外對壓力動態校準裝置研究較多，但都主要集中在構造裝置的方案設計，對于其壓力上升時間的研究較少. 如： 張力等人利用長城計量測試技術研究所研制的高壓快開閥裝置對低壓腔的管腔效應展開實驗研究，證明了管腔短時，共振頻率高，壓力上升時間也短[6]； 張大友通過分析響應信號探究了激波管動態校準實驗中被校傳感器能否安裝在激波管的側壁，實驗結果表明傳感器安裝在激波管側壁時，測得的壓力上升時間與已知結果相差很大[7]； 王丹、 姬建榮利用激波管校準裝置，使同一個傳感器分別安裝不同尺寸的安裝結構進行動態校準，實驗數據表明： 不同尺寸的安裝結構會影響裝置產生階躍壓力的上升時間與諧振頻率[8]. 根據上述眾人的研究成果，我們有理由提出假設： 快開閥裝置產生壓力的上升時間與低壓腔尺寸及傳感器布設位置有關，并對其進行系統的建模仿真.

本文采用FLUENT軟件對快開閥裝置產生壓力的過程進行三維建模，仿真過程中設置高壓室壓強為1 500 kPa，低壓室壓強為1 500 Pa. 高壓腔長度為1 000 mm，半徑為150 mm. 建立多種不同的低壓腔尺寸模型： 長度分別為60 mm，80 mm，100 mm，120 mm，140 mm，160 mm半徑分別為30 mm，40 mm，50 mm，60 mm，70 mm，80 mm. 在低壓腔側壁上，距離底端面5 mm，10 mm，15 mm，20 mm，25 mm，30 mm，35 mm，40 mm，45 mm以及50 mm處，分別布設一個傳感器，再布置一個傳感器于低壓室的端面中心處，共11個測點，獲取上述傳感器在不同條件下測得的壓力數據，并對壓力上升時間及壓力演化云圖進行分析.

1 快開閥裝置工作原理介紹

快開閥裝置結構如圖1 所示，具有較高壓力的稱為高壓腔，具有較低壓力的稱為低壓腔. 高壓腔容積遠大于低壓腔，被校傳感器安裝在低壓腔內，通過高壓供氣裝置向高壓腔內施加壓力. 該裝置采用預應力桿式閥門，高壓腔加壓之前在閥桿上加一預緊力，此力可使得閥桿頭部頂緊高低壓腔之間連通孔的密封面，使高低壓腔處于隔離狀態. 進行校準時快速撤掉閥桿上的預緊力，此時閥桿尾部會產生一個張力波，從閥桿尾部傳至頭部使得其離開閥孔，低壓腔內壓強快速增大，加載到被校壓力傳感器上，形成階躍壓力，高低壓腔內的壓力平衡后傳感器檢測到的穩態壓力具有足夠長的穩定時間，可以實現準確測量，是快開閥裝置在壓力動態校準方面的優勢所在. 圖1 中的錳銅壓力計用于監測開閥前后的穩態壓力，由于快開閥裝置產生階躍壓力的平臺保持時間足夠長，錳銅壓力計檢測開閥后的壓力波形相當于靜態測試.

該裝置設計的難點在于如何快速撤掉閥桿上的預緊力，經過多次實驗對比，采用壓斷簡支梁的方法，為了盡可能縮短該過程時間，選用材質較為脆弱的的高速鋼材料.

階躍壓力上升時間是快開閥裝置最重要的技術指標. 其產生階躍壓力的上升時間越短，可校準的頻率范圍就越寬. 圖1 所設計裝置中低壓腔為一直管，由1/4波長理論，低壓腔管道近似存在共振頻率

式中：f為共振頻率；C為音速；L為低壓腔管腔長度，由上述公式可見，當低壓腔管道尺寸變化時，其共振頻率就會發生改變，當阻尼很小時，共振頻率與系統固有頻率相等，而固有頻率越小，上升時間越大. 故推測出壓力上升時間與低壓腔設計尺寸有關.

圖1 快開閥裝置結構圖

如圖2 所示： 被校壓力傳感器在低壓腔內有兩種布設位置. 第一種布設在低壓腔端面上，低壓腔容積可以做到盡可能小. 第二種是將被校傳感器對稱安裝在低壓腔側壁上，可一次性布設多個傳感器，進行標準壓力傳感器和被校壓力傳感器的比較法校準，但低壓腔所需容積較大. 當被校傳感器安裝在低壓腔端面時，壓力入射方向為垂直方向，當被校傳感器安裝在低壓腔側壁時，壓力入射方向為掠入方向. 由于被校傳感器在上述兩種安裝位置下接收到的激勵信號不同[9]，故我們在仿真過程中也將傳感器布設于低壓腔端面與側壁不同位置處，檢驗其是否會影響階躍壓力上升時間.

圖2 兩種被校壓力傳感器布設位置Fig.2 Two types of calibrated pressure sensor layout positions

在沖擊波反射壓現場校準實驗中，需要對所使用傳感器的動態靈敏度、 自振頻率等進行測量，故需要足夠長的壓力平臺保持時間. 本裝置產生階躍壓力的平臺保持時間大于10 s，錳銅壓力計能夠精準測量裝置內部的壓強，符合現場校準試驗需求[10]. 階躍壓力上升時間越短，可校準的頻率范圍就越寬，更有利于傳感器的動態校準. 經過對快開閥裝置工作原理的分析，推測其階躍壓力上升時間與低壓腔的尺寸及被校傳感器在低壓腔內的布設位置有關，下面就對其進行仿真分析.

2 建模仿真分析

2.1 不同低壓腔尺寸對階躍壓力上升時間的影響

利用FLUENT模型對快開閥裝置產生壓力過程進行1∶1三維建模，傳壓介質選擇空氣，默認其在高低壓腔內滿足理想氣體方程. 設置低壓室初始壓強為1 500 Pa； 高壓室初始壓強為1 500 kPa； 初始溫度都為300 K(管腔內的壓強與溫度均可變). 開始時兩區域的氣體都靜止，初始壓力和溫度通過PATCH命令賦值； 邊界類型設置為壁面(WALL)； 時間步長設置為10-5s. 由于高低壓腔的壓強是直接用patch命令賦予壓力值的，兩邊的網格在接觸面上共用一部分節點，這種情況就等同于閥門瞬間打開，是一種理想型的快開閥開閥情形.

將傳感器布設測點置于低壓腔端面中心處，高壓腔長度設置為1 000 mm不變，改變低壓腔長度分別為60 mm，80 mm，100 mm，120 mm，140 mm 和160 mm. 改變低壓管腔半徑分別為30 mm，40 mm，50 mm，60 mm，70 mm和80 mm. 一共36種尺寸模型，在Fluent軟件上分別對其進行仿真，獲取上述不同情況下測點上的壓力時程曲線. 本文選擇下述6種情況下的壓力時程曲線進行展示，具體曲線如圖3 所示.

(a) 低壓腔半徑為30 mm，長度為60 mm

(b) 低壓腔半徑為40 mm，長度為80 mm

(c) 低壓腔半徑為為50 mm，長度為100 mm

(d) 低壓腔半徑為60 mm，長度為120 mm

(e) 低壓腔半徑為為70 mm，長度為140 mm

(f) 低壓腔半徑為為80 mm，長度為160 mm圖3 不同尺寸低壓腔下的壓力時程曲線Fig.3 Pressure time history curve under different sizes of low pressure chambers

圖3 壓力時程曲線可以看出形成階躍壓力的上升時間隨快開閥裝置低壓腔尺寸變化的大致規律，但無法獲取確切的壓力上升時間，不能進行量化分析，故對上述壓力時程曲線進行數值提取，得到的具體數值如表1 所示.

為了研究快開閥裝置產生階躍壓力的上升時間與低壓腔管腔長度及半徑二者之間的關系，將上述數據采用三維曲面的形式進行繪制，得到如圖4 所示的上升時間值曲面.

表1 不同低壓腔尺寸時壓力上升時間(μs)

通過對三維曲面進行分析，可以得出：

當傳感器布設在低壓腔端面，高壓腔尺寸保持不變時，快開閥裝置產生階躍壓力的上升時間值隨著低壓腔管腔長度及半徑都具有正相關性的變化，且增長的程度并不均等. 隨著低壓腔管腔長度的增加，壓力上升時間增長的速度逐漸緩慢. 如管腔半徑為30 mm時，當管腔長度為60 mm時，壓力上升時間值為79 μs，當管腔長度為80 mm時，上升時間值為103 μs，其在低壓腔長度60 mm～80 mm處的增長率為1.2 μs/mm； 當管腔長度為140 mm時，壓力上升時間值為124 μs，當管腔腔長度為160 mm時，壓力上升時間值為130 μs，其在低壓腔長度140 mm～160 mm 處的增長率為0.3 μs/mm. 故可得出： 隨著低壓腔長度的增加，階躍壓力的上升時間值不斷增長且增長的速率逐漸趨于緩慢.

圖4 階躍壓力上升時間曲面1Fig.4 Curved surface of step pressure rise time 1

2.2 不同傳感器布設位置對階躍壓力上升時間的影響

設置高壓腔長度為1 000 mm； 半徑為150 mm, 低壓腔長度為100 mm； 半徑為50 mm. 不同時間下快開閥裝置內部的壓力流動云圖如圖5 所示.

t=0.6 ms

t=1.2 ms

t=1.8 ms

t=2.4 ms

t=3 ms

t=3.6 ms

t=4.8 ms圖5 不同時刻下快開閥裝置內部壓力流動過程Fig.5 The internal pressure flow process of the quick-openvalve device at different times

其中，紅色部分為高壓區，藍色部分為低壓區，綠色部分為打開閥門之后的中壓區. 由圖5 中可以看出，當閥門打開后，低壓腔端面處很快達到高壓狀態，隨后管腔側壁各處才逐步進入高壓狀態，故在端面處布設傳感器測得壓力的上升時間應小于在管腔側壁上布設傳感器測得壓力的上升時間，下面對其進行仿真驗證.

為了探究不同布設位置對階躍壓力上升時間的影響，本次仿真將測點放置于低壓腔側壁上分別距離底端面5 mm，10 mm，15 mm，20 mm，25 mm，30 mm，35 mm，40 mm，45 mm以及50 mm處，在低壓腔長度為60 mm，80 mm，100 mm，120 mm，140 mm以及160 mm時分別進行仿真，低壓腔管腔半徑保持50 mm不變，其余設置條件均與上述仿真一致，得到的階躍壓力上升時間如表2 所示.

表2 不同測點距離、 不同低壓腔長度下階躍壓力上升時間(μs)

從表2 中可以看出，快開閥裝置的階躍壓力上升時間是與傳感器布設位置相關的，當傳感器布設在低壓腔側壁時，測得階躍壓力的上升時間大于將傳感器布設于低壓腔端面上測得壓力的上升時間，驗證了之前的猜想，測點距離、 管腔長度以及壓力上升時間三維曲面圖如圖6 所示.

圖6 階躍壓力上升時間曲面2Fig.6 Curved surface of step pressure rise time 2

通過觀察圖2 可以得到： 當傳感器布設在低壓腔側壁時，① 當低壓腔管腔長度遠大于所布設的最大測點距離時，隨著布設測點到低壓腔底端面距離的增加，傳感器測得階躍壓力的上升時間逐漸增大. 且增長的速率并不均等，而是距離底端面近的地方增長速率慢，距離底端面較遠的地方增長速率快. 如低壓腔管腔長度為100 mm時，當測點距離為5 mm時，階躍壓力上升時間為130 μs, 當測點距離為10 mm時，階躍壓力上升時間為137 μs. 階躍壓力上升時間在5 mm～10 mm處的增長率為1.4 μs/mm;當測點距離為45 mm時，階躍壓力上升時間為323 μs, 當測點距離為50 mm時，階躍壓力上升時間為351 μs. 階躍壓力上升時間在45 mm～50 mm處的增長率為5.6 μs/mm. ② 當低壓腔管腔長度略大于所布設的最大測點距離時，隨著布設測點到低壓腔底端面距離的增加，傳感器測得的階躍壓力的上升時間先逐漸增大，當測點位置靠近閥門位置時，傳感器測得的階躍壓力的上升時間逐漸變小.

3 結 論

本文利用FLUENT軟件對不同低壓腔尺寸的快開閥裝置進行模擬仿真，獲得了不同測點位置處產生階躍壓力的上升時間值，并對其分析得到如下結論：

1) 快開閥裝置產生階躍壓力的上升時間值與低壓腔尺寸以及傳感器布設位置有關.

2) 當傳感器布設在低壓腔端面時，快開閥裝置產生階躍壓力的上升時間值隨著低壓腔管腔長度及半徑都具有正相關性的變化. 為優化快開閥裝置性能及設計參數提供了數據支持.

3) 當傳感器布設于低壓腔側壁時，所測得壓力的上升時間值一般大于將傳感器布設于低壓腔端面上測得壓力的上升時間值，且隨著低壓腔長度的增大，其差值也會逐漸減小.

4) 當傳感器布設在低壓腔側壁時，隨著測點到底端面距離的增加，產生階躍壓力的上升時間值逐漸增大，其增長的速率比較快. 對比上述仿真數據，快開閥裝置低壓腔尺寸與低壓腔內傳感器布設位置雖然都對裝置產生階躍壓力的上升時間有一定的影響，但后者對其的影響明顯大于前者，故在設計適用于動態校準的快開閥裝置時，要優先考慮傳感器的布設位置，同時也要合理地設計低壓腔尺寸.

5) 本文通過FLUENT建立適用于動態校準的快開閥裝置模型，針對不同低壓腔尺寸以及不同傳感器布設位置進行模擬仿真研究，可以為快開閥裝置設計方案提供一定的數據支撐和理論依據.