谷云慶，趙 剛，劉 浩，王彥明，李照遠(yuǎn)，劉文博，趙健英，李 芳

（1.哈爾濱工程大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，哈爾濱 150001；2.昆明理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，昆明 650500；3.齊重?cái)?shù)控裝備股份有限公司，黑龍江 齊齊哈爾 161005）

0 引 言

氣動(dòng)滅火炮［1］是一種利用高壓氣體將滅火彈從炮管發(fā)射到消防人員無(wú)法接近的、較遠(yuǎn)或較高著火區(qū)域的滅火裝置。滅火彈發(fā)射時(shí)，炮彈帶動(dòng)橡膠密封圈在炮管內(nèi)運(yùn)動(dòng)，橡膠密封圈與炮管內(nèi)壁之間存在著滑動(dòng)摩擦，摩擦阻力不但很大程度上增大了炮彈運(yùn)行的阻力，降低了炮彈發(fā)射速度，而且會(huì)導(dǎo)致溫度升高、壽命縮短，造成能源浪費(fèi)。因此，減小彈體橡膠密封圈與炮管之間摩擦阻力對(duì)于增加炮彈發(fā)射射程，提高氣動(dòng)滅火炮的滅火能力極其重要。

仿生減阻技術(shù)對(duì)于節(jié)約能源、緩解能源危機(jī)極為重要。Fish和Battle［2］對(duì)座頭鯨鰭狀肢表面形貌結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)鰭狀肢上的球形結(jié)節(jié)可以提高其流體力學(xué)性能。Lim和Lee［3］在特定雷諾數(shù)下發(fā)現(xiàn)，凹坑表面可以減小圓柱體的阻力。Viswanath［4］通過(guò)在機(jī)翼上粘貼具有溝槽結(jié)構(gòu)的薄膜來(lái)研究溝槽結(jié)構(gòu)的減阻作用，結(jié)果顯示運(yùn)行阻力減小了2%～3%左右。Lee等［5］通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究證實(shí)了溝槽結(jié)構(gòu)確實(shí)具有一定的減阻效果。Bechert等［6］設(shè)計(jì)了不同形式的溝槽截面結(jié)構(gòu)。符永宏等［7］通過(guò)研究證實(shí)了表面微凹腔結(jié)構(gòu)有一定的減阻效果。叢茜等［8］通過(guò)對(duì)三種溝槽的流場(chǎng)進(jìn)行仿真，認(rèn)為刀刃形溝槽能夠取得較好的減阻效果。張成春等［9－10］通過(guò)對(duì)仿生凹坑以及凹環(huán)表面進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)仿生凹坑表面減小了旋成體壁面剪應(yīng)力及雷諾應(yīng)力。楊卓娟等［11］對(duì)內(nèi)燃機(jī)活塞和缸套進(jìn)行了研究，驗(yàn)證非光滑表面具有很好的減阻和耐磨性能。Ren等［12－15］對(duì)生活在土壤中動(dòng)物減阻機(jī)理進(jìn)行研究，證實(shí)了非光滑效應(yīng)是阻力減小的主要原因，同時(shí)非光滑表面減少了動(dòng)物體表與土壤的實(shí)際接觸面積。蚯蚓長(zhǎng)年生活在土壤中，身體呈圓柱狀，細(xì)長(zhǎng)，整個(gè)身體由若干個(gè)體節(jié)組成，每個(gè)體節(jié)相似，節(jié)和節(jié)之間為節(jié)間溝，在各節(jié)背部背線處有背孔，蚯蚓體表的非光滑形態(tài)背孔可以分泌潤(rùn)滑液，有利于呼吸和保持身體濕潤(rùn)以及減小運(yùn)動(dòng)阻力［16－17］。以氣動(dòng)滅火炮為載體，考慮到溝槽等仿生形態(tài)會(huì)影響彈體橡膠密封圈的密封效果，基于蚯蚓體表非光滑形態(tài)減阻特性，將仿生凹坑表面減阻技術(shù)應(yīng)用于滅火炮彈體橡膠密封圈上，研究仿生凹坑表面在非線性彈性材料上的減阻特性。

1 氣動(dòng)滅火炮計(jì)算模型

1.1 氣動(dòng)滅火炮彈體運(yùn)動(dòng)模型

氣動(dòng)滅火炮的主體由高壓氣室、炮管和滅火炮彈組成，三者構(gòu)成一個(gè)封閉空間，為氣動(dòng)滅火炮彈的發(fā)射提供動(dòng)力。氣動(dòng)滅火炮結(jié)構(gòu)模型如圖1所示，該氣動(dòng)滅火炮為一級(jí)氣動(dòng)滅火炮，其滅火炮彈的速度v可用牛頓運(yùn)動(dòng)方程表示為

式（1）整理得:

式中:t為滅火炮彈運(yùn)行時(shí)間；L為炮管長(zhǎng)度；S為滅火炮彈當(dāng)量截面積；m為滅火炮彈質(zhì)量；P0為高壓氣室壓強(qiáng)；x為滅火炮彈離開(kāi)初始位置的距離。

圖1 氣動(dòng)滅火炮示意圖Fig.1 Schematic diagram of aerodynamic extinguishing cannon

滅火炮彈所受摩擦力f主要來(lái)自彈體橡膠密封圈與炮管內(nèi)壁之間的滑動(dòng)摩擦，其數(shù)學(xué)模型為:

式中:μ0為橡膠密封圈與炮管內(nèi)壁之間的滑動(dòng)摩擦因數(shù)；k0為橡膠密封圈彈性系數(shù)；xx0為橡膠密封圈離開(kāi)初始位置x處的形變量，即xx0＝x0－xtanθ；其中x0為橡膠密封圈在初始位置時(shí)的形變量，θ為炮管內(nèi)壁錐角。

1.2 氣動(dòng)滅火炮彈體運(yùn)動(dòng)過(guò)程

氣動(dòng)滅火炮發(fā)射裝置釋放炮彈后，炮彈在高壓氣室內(nèi)氣體的作用下，由靜止向前加速運(yùn)動(dòng)，使得彈體橡膠密封圈與炮管內(nèi)壁之間存在滑動(dòng)摩擦，在炮彈尚未加速到發(fā)射速度時(shí)，橡膠密封圈仍然起到一定的密封作用，以便炮彈彈體尾部高壓氣體不會(huì)瞬間降為正常氣壓狀態(tài)，保證滅火炮彈在炮管內(nèi)持續(xù)加速。由于氣動(dòng)滅火炮的炮管存在一定錐度，當(dāng)氣動(dòng)滅火炮彈在炮管內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)，在最初的一段時(shí)間內(nèi)，彈體橡膠密封圈與炮管內(nèi)壁接觸緊密，橡膠密封圈的壓縮量也保持在初始安裝位置，表面壓應(yīng)力很大，故摩擦阻力較大，此時(shí)彈體速度從靜止開(kāi)始加速，彈速較低，摩擦作用時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)；當(dāng)氣動(dòng)滅火炮彈在炮管內(nèi)運(yùn)動(dòng)到一定位置后，因炮管錐度的原因，彈體橡膠密封圈開(kāi)始恢復(fù)，彈尾氣體出現(xiàn)泄漏，加上運(yùn)動(dòng)后密閉空間體積增大，氣體壓力逐漸下降，橡膠密封圈與炮管壁之間間隙增大，出現(xiàn)間歇接觸，摩擦阻力波動(dòng)較大，且作用時(shí)間很短，彈體速度逐漸增加到發(fā)射速度，最終被發(fā)射出去。

1.3 仿生減阻運(yùn)動(dòng)模型參數(shù)

根據(jù)氣動(dòng)滅火炮結(jié)構(gòu)參數(shù)，橡膠密封圈采用內(nèi)徑為100mm、外徑為125mm的結(jié)構(gòu)形式。對(duì)蚯蚓表面形貌進(jìn)行觀察、研究發(fā)現(xiàn)，其體表節(jié)間溝近背中線處均有一背孔，背孔呈半球形凹坑形狀，體液可以從背孔向外射出。通過(guò)對(duì)蚯蚓背孔凹坑尺寸、節(jié)與節(jié)之間距離進(jìn)行提取及優(yōu)化，并綜合滅火炮彈體密封圈的結(jié)構(gòu)形狀和激光加工彈性橡膠圈凹坑表面的精度，最終確定仿生凹坑表面橡膠密封圈的外表面上均勻分布著45個(gè)仿生凹坑結(jié)構(gòu)，即每個(gè)凹坑特征間相隔8°；仿生凹坑形狀為半球形，計(jì)算中取五組凹坑特征直徑D分別為1、2、3、4、5mm。將無(wú)仿生凹坑表面結(jié)構(gòu)橡膠密封圈的光滑外表面作為對(duì)照表面。仿生減阻運(yùn)動(dòng)模型取滅火炮彈剛發(fā)射的一段時(shí)間為研究對(duì)象，數(shù)值計(jì)算取彈體速度v分別為5、10、15、20、25m／s，氣動(dòng)滅火炮仿生減阻運(yùn)動(dòng)模型如圖2所示。

在前期工作中［18］，對(duì)彈體橡膠密封圈安裝過(guò)程進(jìn)行的研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)橡膠密封圈的安裝壓縮量達(dá)到2.5mm時(shí)，橡膠密封圈表面接觸有效壓應(yīng)力大于滅火炮發(fā)射的工作氣壓3MPa，因此，在彈體橡膠圈壓縮量達(dá)到2.5mm時(shí)，可以滿足發(fā)射密封要求。以下針對(duì)橡膠密封圈壓縮量為2.5 mm的情況，對(duì)仿生凹坑橡膠密封圈的減阻特性進(jìn)行研究。

圖2 氣動(dòng)滅火炮仿生減阻運(yùn)動(dòng)模型Fig.2 Movement model of drag reduction for aerodynamic extinguishing cannon structure

1.4 計(jì)算域建立

對(duì)氣動(dòng)滅火炮彈體橡膠密封圈仿生凹坑表面的減阻研究，主要分析橡膠密封圈仿生凹坑表面對(duì)滅火炮彈速度的影響，為了減小LS－DYNA非線性有限元數(shù)值計(jì)算量，提高仿真效率，選取計(jì)算域?yàn)檎麄€(gè)滅火炮彈體模型的1／45進(jìn)行數(shù)值分析，建立如圖3所示的模型。

圖3 計(jì)算域模型Fig.3 Model of calculation domain

圖4 模擬運(yùn)動(dòng)過(guò)程Fig.4 Simulation movement process

分析具有仿生凹坑表面的橡膠密封圈減阻過(guò)程最主要的就是模擬炮彈在炮管中的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，如圖4所示，其中T表示滅火彈發(fā)射周期。因此所建立的計(jì)算模型要使彈體、橡膠密封圈以及炮管三者之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)。在圖2中，炮管與彈體橡膠密封圈已處于發(fā)射狀態(tài)，密封圈有2.5mm的壓縮量，為了模擬炮彈在炮管中的運(yùn)動(dòng)，減少不相干因素的干擾以及提高數(shù)值計(jì)算效率，現(xiàn)給定炮管一定的初始速度v，彈體和橡膠密封圈保持靜止，以此來(lái)模擬炮彈以及橡膠密封圈與炮管的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。

2 計(jì)算方法

研究仿生凹坑表面減阻的最終目的是為了減小相對(duì)運(yùn)動(dòng)物體之間的摩擦阻力，繼而提高物體的運(yùn)動(dòng)速度、減小磨損、減少摩擦生熱及能量損耗等。因此，評(píng)估仿生凹坑表面減阻效果最直接的方法就是通過(guò)物體的運(yùn)動(dòng)速度來(lái)實(shí)現(xiàn)。給定炮管一個(gè)初始速度，使炮管與橡膠密封圈在接觸狀態(tài)下相對(duì)運(yùn)動(dòng)一定的時(shí)間后，得到炮管和彈體相對(duì)速度的變化，通過(guò)相對(duì)速度的變化來(lái)評(píng)價(jià)減阻效果。在此，提出相對(duì)速度和等效面積兩種減阻評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

2.1 相對(duì)速度減阻率

在給定炮管一定初始速度后，使其在與彈體橡膠密封圈接觸的情況下滑動(dòng)一段距離，因橡膠密封圈與炮管內(nèi)壁之間滑動(dòng)摩擦阻力的存在，炮管速度必然降低，通過(guò)對(duì)比分析不同條件下炮管速度變化，可以得出減阻效果與條件參數(shù)的相互關(guān)系。相對(duì)速度減阻率可以反映炮管在不同的初始速度下仿生凹坑表面對(duì)彈體速度的影響。

相對(duì)速度減阻率ηv可表示為

式中:v為炮管與彈體的初始相對(duì)速度；vF為具有仿生凹坑表面橡膠密封圈在炮管與彈體接觸摩擦結(jié)束后的相對(duì)速度；vG為具有光滑表面橡膠密封圈在炮管與彈體接觸摩擦結(jié)束后的相對(duì)速度。

2.2 等效面積減阻率

因計(jì)算模型是選取整個(gè)滅火炮彈體模型的1／45，使得仿生凹坑表面對(duì)滅火炮彈體速度的影響有一定的局限性，使不同尺寸的仿生凹坑表面面積對(duì)減阻性能的影響也不盡相同。

等效面積減阻率反映的是:當(dāng)特定的有效接觸面積上存在仿生凹坑表面時(shí)，在存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)和摩擦的情況下，仿生凹坑表面的減阻效果在單位等效面積上的體現(xiàn)，這樣就從單位面積上分析了仿生凹坑表面對(duì)于減阻、增速的影響，擺脫了數(shù)值計(jì)算模型的影響，更貼近工程實(shí)際應(yīng)用。

橡膠密封圈處于壓縮狀態(tài)時(shí)，其上表面與炮管內(nèi)壁之間的有效接觸面積S0為

式中:d1為滅火炮彈體凹槽外徑；b為滅火炮彈體凹槽寬度。

仿生凹坑表面在接觸面上的有效面積為:

式中:Sx為x組仿生凹坑表面模型的有效面積；dx為x組仿生凹坑表面模型的特征直徑。

等效面積減阻率ηS可表示為:

整理式（7）得等效面積減阻率ηS的計(jì)算方程:

式中:δvF為具有仿生凹坑表面橡膠密封圈模型的速度增量；δvG為具有光滑表面橡膠密封圈模型的速度增量。

3 橡膠密封圈仿生凹坑表面的減阻特性

由于密封圈與炮管內(nèi)壁之間存在摩擦阻力，使炮彈和炮管之間的相對(duì)速度在初始速度的基礎(chǔ)上發(fā)生了改變，而且不同的炮彈彈體速度和仿生凹坑大小對(duì)相對(duì)速度的改變都有影響，炮彈速度以及仿生凹坑特征大小與減阻效果之間有著一定的關(guān)系。

3.1 仿生凹坑表面參數(shù)對(duì)減阻性能的影響

計(jì)算模型通過(guò)給定炮管一個(gè)初始相對(duì)速度，之后分析仿真結(jié)束時(shí)最終相對(duì)速度的變化來(lái)評(píng)價(jià)減阻效果。在數(shù)值模擬后，對(duì)獲取數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，得到如圖5所示的相對(duì)速度增量圖。

圖5 彈體相對(duì)速度增量Fig.5 Incremental of relative velocity for shell body

根據(jù)相對(duì)速度減阻率評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，由式（4）計(jì)算不同仿生凹坑特征直徑下相對(duì)速度的減阻率，結(jié)果如圖6所示。由圖6可知，仿生凹坑表面橡膠密封圈在不同的彈體速度下，均存在著一定的減阻效果。在v＝5m／s時(shí)，因?yàn)榉律伎犹卣髦睆酱笮〔煌?，相?duì)速度減阻率呈現(xiàn)出一定的變化趨勢(shì)；當(dāng)仿生凹坑特征直徑D從1mm增至5mm時(shí)，相對(duì)速度減阻率呈先增大后減小、又增大的變化趨勢(shì)；在D＝2mm時(shí)，相對(duì)速度減阻率最大，為17.191%；在D＝4mm時(shí)，相對(duì)速度減阻率最小，為15.280%。在v＝10m／s的情況下，同樣在D＝2mm時(shí)相對(duì)速度減阻率最大，為8.776%；當(dāng)D＝4mm時(shí)，相對(duì)速度減阻率最小，為7.538%。在v＝15m／s的情況下，當(dāng)D＝2 mm時(shí)，相對(duì)速度減阻率最大，為5.853%；當(dāng)D＝4mm時(shí)，相對(duì)速度減阻率最小，為5.112%。在v＝20m／s的情況下，當(dāng)D＝2mm時(shí)，相對(duì)速度減阻率最大，為4.381%；當(dāng)D＝4mm時(shí)，相對(duì)速度減阻率最小，為3.919%。在v＝25m／s的情況下，當(dāng)D＝2mm時(shí)，相對(duì)速度減阻率最大，為3.505%；當(dāng)D＝4mm時(shí)，相對(duì)速度減阻率最小，為3.158%。

圖6 不同仿生凹坑特征直徑下的相對(duì)速度減阻率Fig.6 Relative velocity drag reduction rate in different bionic dimpled characteristic diameters

對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在v＝5、10、15m／s情況下，仿生凹坑特征直徑的增大使得相對(duì)速度減阻率出現(xiàn)較大的突變，特別是凹坑直徑從2mm增到4mm時(shí)，相對(duì)速度減阻率下降趨勢(shì)明顯。v＝20、25 m／s時(shí)，仿生凹坑的相對(duì)速度減阻率變化不斷趨于平滑，變化梯度較小。由圖6可以看到，在不同彈體速度下，不同仿生凹坑特征直徑下相對(duì)速度減阻率的變化規(guī)律基本一致，都是在D＝2mm時(shí)獲得最佳的減阻效果，在D＝4mm時(shí)減阻效果最差；D＝1、2、5mm時(shí)減阻效果相對(duì)較好，在D＝3、4mm時(shí)減阻效果較差。在炮彈彈體高速狀態(tài)下，仿生凹坑特征直徑的大小對(duì)減阻效果影響不大；在炮彈彈體速度較低時(shí)，仿生凹坑特征直徑大小才會(huì)對(duì)減阻效果產(chǎn)生較大影響。

對(duì)彈體橡膠密封圈壓縮變形的分析可知，不同尺寸仿生凹坑表面對(duì)減阻率的影響與橡膠密封圈在壓縮狀態(tài)時(shí)的變形有一定的關(guān)系。因仿生凹坑的存在，使橡膠密封圈在受壓時(shí)，其表面的有效應(yīng)力被凹坑表面吸收而集中在凹坑附近，導(dǎo)致了接觸表面上的有效壓應(yīng)力降低，加上凹坑表面的存在使炮管內(nèi)壁與橡膠密封圈的有效接觸面積減小，這樣就使得仿生凹坑表面橡膠密封圈具有一定的減阻效果。但是，當(dāng)D＝3、4mm時(shí)，由于接觸面應(yīng)力集中達(dá)到了一定的程度，導(dǎo)致摩擦阻力上升，使得D＝3、4mm時(shí)減阻率出現(xiàn)降低的現(xiàn)象；當(dāng)仿生凹坑特征直徑繼續(xù)增大至5mm時(shí)，接觸面應(yīng)力集中情況與D＝3、4mm時(shí)大致相同，但因?yàn)榘伎拥脑龃笫沟糜行Ы佑|面積減小，致使摩擦阻力降低，所以在D＝5mm時(shí)，減阻效果又有所增加。

3.2 滅火炮彈體速度對(duì)減阻性能的影響

根據(jù)等效面積減阻率的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，由式（8）可以得到在不同彈體速度下橡膠密封圈仿生凹坑表面等效面積減阻率，如圖7所示。

圖7 不同彈體速度下等效面積減阻率Fig.7 Equivalent area drag reduction rate at different velocities of shell body

由圖7可知，D＝1mm時(shí)，隨著彈體速度的增加，減阻率的變化梯度較小，等效面積減阻率呈先增大后減小的變化趨勢(shì)，在v＝15m／s時(shí)，減阻效果最好，等效面積減阻率為0.539%；在D＝2、3mm時(shí)，等效面積減阻率的變化規(guī)律與D＝1 mm時(shí)的情況大致相同，在v＝15m／s時(shí)減阻效果最好。在D＝4、5mm時(shí)，等效面積減阻率與彈體速度的變化規(guī)律不同于上述三種仿生凹坑特征直徑的情況，除D＝4mm、v＝10m／s時(shí)發(fā)生突變外，等效面積減阻率大體呈現(xiàn)出增加的變化趨勢(shì)，變化梯度較大。

在D＝1、2、3mm、v＝15m／s時(shí)均出現(xiàn)減阻率降低情況的原因是:由于仿生凹坑特征直徑相對(duì)較小，當(dāng)炮彈彈體速度過(guò)大時(shí)，由于摩擦阻力的原因，凹坑結(jié)構(gòu)被拖拽而發(fā)生變形，導(dǎo)致減阻率開(kāi)始降低。在D＝4、5mm時(shí)，凹坑尺寸相對(duì)于橡膠密封圈的表面積較大，隨著炮彈速度的增加，凹坑結(jié)構(gòu)因?yàn)樗俣茸兓l(fā)生的變形相對(duì)較小，所以減阻率呈不斷增大的變化趨勢(shì)。而在D＝4 mm、v＝10m／s時(shí)相對(duì)面積減阻率降低，變化梯度較大，其原因與非線性彈性材料仿生凹坑結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性密切相關(guān)。在D＝5mm時(shí)，減阻率隨彈體速度增加呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，這與橡膠密封圈在不同相對(duì)速度下摩擦力拖拽變形有關(guān)。

4 仿生凹坑內(nèi)潤(rùn)滑油形態(tài)有限元分析

4.1 仿生凹坑結(jié)構(gòu)潤(rùn)滑模型

彈體橡膠密封圈與炮管內(nèi)壁之間的接觸面被涂抹潤(rùn)滑油，會(huì)有部分潤(rùn)滑油流到橡膠密封圈上的凹坑中而被存儲(chǔ)下來(lái)。當(dāng)炮彈發(fā)射時(shí)，滅火彈高速運(yùn)動(dòng)，凹坑中的潤(rùn)滑油在這種狀態(tài)下隨彈體的運(yùn)動(dòng)呈現(xiàn)出不同變化形態(tài)。

4.1.1 模型計(jì)算域

通過(guò)以上分析可知，在D＝2mm時(shí)減阻效果最佳，故取D＝2mm時(shí)的橡膠密封圈模型為研究對(duì)象。建立如圖8所示的模型。

圖8 潤(rùn)滑條件下仿生凹坑表面儲(chǔ)油模型Fig.8 Oil storage model of bionic dimpled surface under lubricating conditions

儲(chǔ)油模型由炮管、空氣、潤(rùn)滑油和橡膠密封圈四部分組成。當(dāng)炮彈發(fā)射時(shí)，彈體帶動(dòng)橡膠密封圈開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，潤(rùn)滑油受凹坑作用使自身在凹坑內(nèi)晃動(dòng)。由于凹坑結(jié)構(gòu)中間剖面位置潤(rùn)滑油的運(yùn)動(dòng)形態(tài)最為復(fù)雜，包含區(qū)域最廣，對(duì)炮管內(nèi)壁的潤(rùn)滑作用相對(duì)較好，同時(shí)為了提高計(jì)算的效率，取仿生凹坑結(jié)構(gòu)中間剖面為計(jì)算域。數(shù)值模擬中，橡膠密封圈和炮管相對(duì)于潤(rùn)滑油和空氣都是大密度固體材質(zhì)，為了提高數(shù)值計(jì)算效率，在運(yùn)動(dòng)分析中將其視為一體，來(lái)研究此部分與潤(rùn)滑油以及空氣的耦合運(yùn)動(dòng)形態(tài)，儲(chǔ)油模型計(jì)算域參數(shù)如下:仿生凹坑直徑為2mm；炮管及密封圈寬度為3mm；炮管及密封圈高度為1.5mm；儲(chǔ)油高度為0.5 mm；模型切片厚度為0.1mm。

4.1.2 網(wǎng)格劃分

仿生凹坑、空氣以及潤(rùn)滑油接觸面上，采用了共節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)格劃分方法，便于模型運(yùn)動(dòng)仿真時(shí)流固耦合的計(jì)算?？刂苾蓚€(gè)相互接觸面上的單元形態(tài)與單元數(shù)量，保證兩個(gè)面上相互結(jié)合部位的單元形式選擇一致，單元密度相同，而且節(jié)點(diǎn)數(shù)一致，使其單元網(wǎng)格處于共節(jié)點(diǎn)狀態(tài)，省去對(duì)兩個(gè)接觸面的定義以及流固耦合控制。單元厚度僅取整個(gè)仿生凹坑模型的中間截面，以便減小模型的歐拉域，降低計(jì)算量，提高計(jì)算效率。故計(jì)算域網(wǎng)格劃分時(shí)采用單層網(wǎng)格來(lái)實(shí)現(xiàn)，即單元厚度為選取的模型厚度。計(jì)算域網(wǎng)格具體劃分情況為:最小單元尺寸為0.05mm、最大單元尺寸為0.1mm，單元厚度為0.1mm，單元類型為六面體網(wǎng)格，弧面節(jié)點(diǎn)數(shù)為60，如圖9所示。

圖9 儲(chǔ)油模型計(jì)算域網(wǎng)格Fig.9 Calculation domain mesh of oil storage model

4.1.3 環(huán)境參數(shù)

在單元算法上，仿生凹坑單元選擇SOLID單元算法；空氣和潤(rùn)滑油選用SOLID＿ALE且ELFORM＝12，即單點(diǎn)積分的單物質(zhì)加空白材料單元算法，分別通過(guò)關(guān)鍵字＊SECTION＿SOLID和＊SECTION＿SOLID＿ALE來(lái)實(shí)現(xiàn)。

對(duì)于模型的材料屬性，為了便于潤(rùn)滑油和空氣流體介質(zhì)快速與仿生凹坑發(fā)生相互作用，將炮管與密封圈視為大密度的剛性材料，因?yàn)樗鼈兊淖冃蜗鄬?duì)于空氣及潤(rùn)滑油兩種材料幾乎無(wú)影響，所以炮管和橡膠密封圈可以采用＊MAT＿RIGID剛性材料來(lái)模擬；潤(rùn)滑油和空氣采用空白材料模型與狀態(tài)方程聯(lián)用來(lái)模擬，空白材料模型可以有效模擬流體等水動(dòng)力介質(zhì)，且不需要計(jì)算偏應(yīng)力，大大提高了計(jì)算的效率，通過(guò)關(guān)鍵字＊MAT＿NULL實(shí)現(xiàn)。儲(chǔ)油模型材料的具體參數(shù)為:仿生凹坑密度為7.9×10－9t／mm3；彈性模量為2.1×105MPa；泊松比為0.3；空氣密度為1.18×10－12t／mm3；動(dòng)力黏性系數(shù)為 1.75×10－11t／（s·mm）；潤(rùn)滑油密度為9.98×10－10t／mm3；動(dòng)力黏性系數(shù)為0.87×10－8t／（s·mm）。

4.2 彈體運(yùn)動(dòng)時(shí)潤(rùn)滑油形態(tài)分析

滅火炮彈發(fā)射后，炮彈在高壓氣體的作用下開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，彈體橡膠密封圈凹坑中存儲(chǔ)的潤(rùn)滑油形態(tài)隨彈體的運(yùn)動(dòng)而發(fā)生變化，通過(guò)數(shù)值計(jì)算結(jié)果來(lái)分析凹坑中潤(rùn)滑油的運(yùn)動(dòng)對(duì)炮管內(nèi)壁和橡膠密封圈接觸表面的潤(rùn)滑效果，繼而說(shuō)明凹坑中存儲(chǔ)的潤(rùn)滑油對(duì)減阻效果的影響。圖10為彈體橡膠密封圈凹坑結(jié)構(gòu)中的潤(rùn)滑油在彈體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的形態(tài)變化。

圖10 凹坑結(jié)構(gòu)中潤(rùn)滑油運(yùn)動(dòng)形態(tài)Fig.10 Motion modality of lubricating oil in dimpled structure

由圖10可知，氣動(dòng)滅火炮彈體發(fā)射過(guò)程中，潤(rùn)滑油在凹坑的拖拽下，因?yàn)閼T性的作用向后運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)時(shí)的最高點(diǎn)已經(jīng)接觸到上面的炮管內(nèi)壁，所以隨著彈體的不斷運(yùn)動(dòng)，凹坑中的潤(rùn)滑油會(huì)溢流到炮管內(nèi)壁上，從而被帶到炮管內(nèi)壁和橡膠密封圈的接觸面上，并不斷供給潤(rùn)滑油，使得接觸面充分潤(rùn)滑，減小炮彈運(yùn)動(dòng)時(shí)的摩擦阻力，實(shí)現(xiàn)提高炮彈發(fā)射速度的目的。從潤(rùn)滑油運(yùn)動(dòng)形態(tài)分析可知，在彈體運(yùn)動(dòng)的整個(gè)過(guò)程中，潤(rùn)滑油不斷流向炮管與橡膠密封圈接觸壁面，并在炮管與橡膠圈之間形成油膜，該油膜不但有利于減小接觸界面之間的摩擦阻力，同時(shí)可以提高橡膠圈與炮管之間的密封特性，以便炮彈彈體尾部高壓氣體不會(huì)瞬間降為正常氣壓狀態(tài)，保證滅火炮彈在炮管內(nèi)持續(xù)加速?？梢园l(fā)現(xiàn)，潤(rùn)滑油在橡膠密封圈仿生凹坑中所起的作用，與蚯蚓背孔向外射出體液保持身體濕潤(rùn)和減小自身體表的摩擦阻力這一功能類似。

5 結(jié) 論

（1）在相同的彈體速度下，滅火炮彈體橡膠密封圈仿生凹坑特征直徑D＝2mm時(shí)，減阻效果最佳，D＝4mm時(shí)，減阻效果最差；在D＝2mm、彈體速度v＝5m／s時(shí)，相對(duì)速度減阻率最大，其值為17.191%；在D＝4mm、v＝25m／s時(shí)，相對(duì)速度減阻率最小，其值為3.158%。

（2）在仿生凹坑特征直徑一定的情況下，即當(dāng)仿生凹坑特征直徑分別為1、2、3mm時(shí)，隨著彈體速度的增大，等效面積減阻率呈先升高后降低的變化趨勢(shì)，在v＝15m／s時(shí)獲得最佳的減阻效果；當(dāng)D＝4mm時(shí)，隨著彈體速度的增大，等效面積減阻率呈現(xiàn)先降低后升高的變化趨勢(shì)，在v＝15m／s時(shí)，減阻效果最差；當(dāng)D＝5mm時(shí)，隨著彈體速度的增大，等效面積減阻率呈現(xiàn)上升變化趨勢(shì)。

（3）仿生凹坑結(jié)構(gòu)中填充的潤(rùn)滑油隨著炮彈彈體的運(yùn)動(dòng)出現(xiàn)拖拽潑灑效果，使?jié)櫥蛷陌伎又袨⒊?，溢流在橡膠密封圈和炮管接觸表面上，對(duì)橡膠密封圈和炮管壁起到潤(rùn)滑作用，減小了炮彈的運(yùn)動(dòng)阻力，提高了炮彈發(fā)射速度。

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