黃 嵐，韓曉明，李 強，譚 慶，徐新奇

(中北大學 機電工程學院, 太原 030051)

【火炮和自動武器】

某內能源轉管武器導氣裝置氣室流場的數(shù)值模擬

黃 嵐，韓曉明，李 強，譚 慶，徐新奇

(中北大學 機電工程學院, 太原 030051)

為了探究某內能源轉管武器導氣裝置內部流場的情況，本文建立了某內能源轉管武器導氣裝置氣室流場的物理模型和數(shù)學模型，利用計算流體力學軟件數(shù)值模擬了導氣裝置的氣室流場，得到導氣前、開始導氣與結束導氣三種時刻下導氣裝置的壓力云圖、溫度云圖以及速度流線圖，總結其規(guī)律并分析導氣孔處溫度和壓力的情況，為今后內能源轉管武器的結構設計提供參考價值。

導氣室；氣室流場；數(shù)值模擬；導氣孔；活塞

導氣裝置是利用從身管側孔導出的部分膛內火藥燃氣推動自動機原動件工作的裝置。由于導氣裝置氣室壓力對導氣式自動武器的性能有重要影響，許多學者做出了卓有成效的研究：魏傳禮[1]等對導氣裝置內的火藥壓力特性進行了初步的研究；廖振強[2]應用氣體動力學和熱力學理論，研究了內能源轉管武器噴管氣流的內部流場；韓曉明[3]等對內能源轉管武器導氣裝置的結構參數(shù)進行了優(yōu)化設計；胡明[4]等分析了內能源轉管武器導氣裝置對射速的影響。但內能源轉管武器的結構較傳統(tǒng)自動武器有較大差別，其內部流場的變化分布如何影響武器的性能仍有待研究。本文應用計算流體動力學軟件對某內能源轉管武器的導氣裝置進行了氣室流場的數(shù)值模擬，得到了導氣室內壓力的分布情況以及導氣孔處溫度的變化規(guī)律，并分析了這些因素對內能源轉管武器的影響，為今后該類武器的研究具有一定的意義。

1 導氣裝置的結構原理

導氣式自動機按其火藥燃氣驅動身管組轉動方式的不同可分為葉輪驅動式和活塞式，活塞式有單向、雙向驅動兩種方式[5]，導氣裝置的結構一般由導氣孔、氣室、活塞和連桿等組成，參見圖1。內能源轉管武器射擊時，依次將身管內部分火藥燃氣導出，通過活塞曲柄連桿機構或者滑塊凸輪機構驅動氣室內的活塞作往復運動，再通過凸輪傳動機構帶動轉管武器的行星體和身管組旋轉，并傳動供彈機構、閉鎖機構等組件工作，以完成高速連續(xù)射擊動作[6-10]。

1.身管； 2.導氣孔； 3.氣室； 4.導氣箍； 5.活塞筒； 6.活塞

圖1 導氣裝置的結構簡圖

2 導氣室裝置的數(shù)學模型

由于內能源轉管武器的射擊過程十分短暫，火藥燃氣在膛內、導氣裝置中都呈現(xiàn)強烈的非定常狀態(tài)，所以分析起來比較復雜，現(xiàn)選其中的某管進行研究分析來探究其中的規(guī)律。假設導氣裝置工作時，火藥已燃盡沒有固相流動、是一維流動，流動中的氣體為完全氣體且不計質量力，氣流的摩擦、散熱滿足雷諾比擬關系，氣孔處流入的氣體與炮膛內的氣體相比所占量較小，氣流參數(shù)可由內彈道解算，其整個過程可通過建立氣流的質量守恒、能量守恒和活塞運動方程來描述。

2.1 質量守恒方程

在dt時間內，氣室中氣體質量的變化等于從膛內流入和從間隙漏掉的氣體質量之差，可得出：

(1)

式中:wq為氣室中火藥燃氣比容;G-Gq為氣室內氣體的變化量;V為氣室容積;St為間隙面積。

2.2 能量守恒方程

根據(jù)熱力學第一定律可知，在工作時間dt內，其能量變化滿足：

dQ-dQ1-dQs=dA+dE

(2)

其中：dt時間內流入氣室的熱量dQ=cp·T·Gdt，從活塞與氣壁間的環(huán)形面積ΔSs漏失了熱量dQ1=cp·Tq·Gq·dt，經過氣室筒壁散失的熱量dQs=a·ρ·(Tq-Tb)·Sqdt，dA為氣室內氣體推活塞所做的功，dE為氣室內氣體內能的變化；cp為火藥燃氣的比定壓熱容，Tq為氣室內火藥燃氣的絕對溫度，Gq為氣室內火藥燃氣經間隙流入大氣的秒流量，Sq為氣室和筒壁的接觸面積，Tb為筒壁的平均絕對溫度，a為傳熱系數(shù)，ρ為氣室內火藥燃氣的密度。

2.3 活塞運動方程

(3)

式中：PS為氣室內的壓力;SS為活塞端面面積;mS為活塞及與活塞相聯(lián)的運動件質量;FR為活塞與內壁間的阻力。

3 動網格劃分與邊界設置

本文采用有限體積法結合動態(tài)層變的動網格技術計算導器裝置的氣室流場。由于活塞和彈丸的運動而引起氣室流場形狀隨時間變化，運動體下一步的運動情況可由當前時間步的計算結果確定，各個時間步的體網格的更新基于邊界條件新的位置由FLUENT自動來完成。而活塞的速度遠小于彈丸的速度，故用UDF來控制彈丸和活塞的運動。根據(jù)整個裝置的工作原理，對計算模型進行一定的簡化處理，得到導氣裝置的結構網格圖見圖2。

圖2 導氣裝置的結構網格圖

3.1 動網格計算模型

(4)

式中：ρ是火藥氣體的密度；u是運動體的速度矢量；us是動網格的網格變形速度；Γ是擴散系數(shù)；Sφ是通量的源項φ； ?V代表控制體V的邊界。

在方程(4)中，第一項可以用一階向后差分形式表示為

(5)

式中：n和n+1代表當前和緊接著的下一時間步的數(shù)值。第n+1步的體積Vn+1由下式計算得出：

(6)

3.2 初始條件和邊界條件

初始條件：本文用瞬態(tài)流動的方法計算，故不斷變化的初始條件由內彈道計算得出。邊界條件：入口是指彈丸從膛底開始運動的地方，采用壓力進口條件；出口為彈丸出身管處，采用壓力出口條件；由于氣室壁與活塞環(huán)之間存在間隙會產生漏氣，故對氣室做一些簡化，又根據(jù)幾何結構和導氣裝置的工作原理，出口與外界大氣環(huán)境相連通，可以認為此出口的背壓力為外界大氣壓力；固壁邊界條件：簡化后的導氣裝置各部分及身管作為固壁邊界條件，并采用“壁面函數(shù)法”對固壁面附近做計算。

4 計算結果分析

以下各圖為數(shù)值計算得到導氣裝置各在個時刻的壓力云圖(如圖3)、溫度云圖(如圖4)和速度流線圖(如圖5)，其中(a)為導氣開始前，(b)為導氣開始時，(c)為導氣結束時。仿真結果如下：

圖3 氣室流場的壓力云圖

圖5 氣室流場的速度流線圖

由圖3、圖4、圖5可以看出，在彈丸還未通過導氣孔(導氣開始前)時，導氣室內的壓力沒有發(fā)生太大的變化，溫度也不太高，且氣流的流速也較低，這是由于此時只是彈前壓縮部分氣體通過導氣孔進入了導氣室內，還未對活塞產生有效的沖擊。當彈丸剛經過導氣孔處后，已經開始導氣了，有大量火藥氣體通過導氣孔進入到導氣室內，使得導氣孔內的流速大，溫度高，壓強也有一定的上升，且管內壁處的溫度明顯較高，故對導氣孔與身管相接處沖刷較為強烈。隨著火藥氣體完全充分地進入導氣室后，讓導氣室內氣體聚增，導致氣體分子之間相互作用加劇，氣體膨脹，從而推動活塞向左推進，進而壓縮左氣室內的氣體，讓左室的壓強急劇增大，溫度也有所增加，氣流流速也增大。當彈丸遠離導氣孔后，氣室內的氣體的相互作用也逐漸減弱，地加上氣體在氣室內達到某種平衡狀態(tài)后，形成一定的回流，部分氣體通過導氣孔流回身管內，從而使氣室內的壓力和溫度下降，流速也降低，活塞復位，為下一發(fā)射擊做準備，標示著這輪導氣的結束。

圖6 導氣室壓力分布曲線

圖7 導氣孔處壓力分布曲線

圖8 導氣孔處溫度分布曲線

由圖6可以得出，在氣體還未大量地進入導氣室前，導氣室左右兩端的壓力基本持平，當氣體慢慢地進入導氣室，并不斷地累積后，右室的壓力逐漸大于左室的壓力，從而推動活塞做功，向左端運動。然后當進入氣室的氣體逐漸減少后，加之左室的氣體由于被壓縮，導致壓強增大，并漸漸大于右室壓強，故讓活塞向右運動復位。再通過圖7和圖8可以分析出，導氣孔處的壓力與溫度基本都是呈現(xiàn)一種現(xiàn)逐漸增加，達到峰值后，快速下降的趨勢；這與彈丸的相對位置是有關的，一開始彈丸時遠離導氣孔的，所以彈底的火藥燃氣對導氣孔的影響很小，當彈丸經過導氣孔時，火藥氣體迅速作用于導氣孔處，使得壓力和溫度驟增；當彈丸慢慢遠離導氣孔后，該處的壓力與溫度也在就降低了。且可以得出導氣孔處的溫度和壓力還是比較大的，故此處的沖刷與燒蝕比較嚴重，需要進行一定的強化處理。

5 結論

本文通過建立簡化的內能源轉管武器導氣裝置的物理計算模型，結合動網格技術及相關理論知識，運用CFD數(shù)值計算方法，從導氣裝置內部流場特性方面分析其對內能源武器系統(tǒng)的影響。通過計算得到的壓力云圖、溫度云圖、速度流線圖以及一些相關的分布曲線，分析其內部流場規(guī)律及對導氣孔處的影響，發(fā)現(xiàn)在導氣孔處會存在高壓與高溫作用，易發(fā)生燒蝕現(xiàn)象，影響導氣室的導氣功能，需要對導氣孔處進行一定的耐溫耐壓處理。該研究成果能為內能源轉管武器導氣裝置的設計提供理論依據(jù)。

[1] 魏傳禮，梁人杰.導氣裝置內火藥氣體壓力特性研究[J].南京理工大學學報(自然科學版),1981(2):40-56.

[2] 廖振強.導氣管式導氣裝置的分析和研究[J].南京理工大學學報(自然科學版),1984(4):125-141.

[3] 韓曉明，薄玉成，王惠源,等.內能源轉管武器導氣裝置結構參數(shù)優(yōu)化設計[J].火炮發(fā)射與控制學報,2008(2):50-53.

[4] 胡明，薄玉成.內能源轉管武器導氣裝置結構參數(shù)對射速的影響[J].機械管理開發(fā)，2010,25(5):5-9.

[5] 戴成勛，勒天佑，朵英賢.自動武器設計新編[M].北京：國防工業(yè)出版社，1990.

[6] 薄玉成，王惠源，李強,等.自動機結構設計[M].北京：兵器工業(yè)出版社，2009.

[7] 薄玉成等.內能源轉管武器最高射速分析[J].火炮發(fā)射與控制學報，2004(1)：7-11.

[8] 楊臻，丘陽.曲柄初始角度對內能源轉管武器射速的影響[J].火炮發(fā)射與控制學報，2001(1)：33-36.

[9] 唐亞鳴，廖振強，王暉.新型內能源轉管武器驅動技術研究[J].兵工學報，2002(2)：273-275.

[10] 郝秀平，薄玉成.內能源轉管武器緩沖裝置對射頻的適應性分析[J].火炮發(fā)射與控制學報，2004(3)：50-56.

TheNumericalSimulationofFlowFieldinAirChamberofGas-OperatedDeviceStructureParameterinanInternally-PoweredGatlingWeaponSystem

HUANG Lan, HAN Xiaoming, LI Qiang, TAN Qing， XU Xinqi

(School of Mechatronic Enigneering, North University of China, Taiyuan 030051, China)

In order to explore some cases of internal flow field of gas-operated device structure parameter in internally-powered gatling weapon system,the physical model and mathematical model of flow field in gas-operated chamber of gas-operated device structure parameter in internally-powered gatling weapon system were established. The CFD was used to simulate the flow field in gas-operated device,get the pressure nepho--gram,temperature nephogram and velocity flow chart under the three moments of before gas-operated,begin gas-operated and over gas-operated.Summarize the regular and analyze the situation about temperature and pressure at the gas-operated hole, It will provide a reference for the gas-operated device structure parameter in an internally-powered gatling weapon system.

gas-operated chamber; flow field in air chamber; numerical simulation; gas-operated hole; piston

2017-08-25；

2017-09-15

裝備預研領域基金(61402400401)

黃嵐(1991—)，男，碩士研究生，主要從事兵器理論發(fā)射技術的研究。

韓曉明(1974—)，男，碩士生導師，副教授，主要從事高射速發(fā)射理論技術的研究，E-mail:hongqi5912@126.com； 李強(1971—)，男，碩士生導師，教授，主要從事兵器理論發(fā)射技術、火炮、自動武器的研究，E-mail：liqiang@nuc.edu.cn。

10.11809/scbgxb2017.12.005

本文引用格式：黃嵐，韓曉明，李強，等.某內能源轉管武器導氣裝置氣室流場的數(shù)值模擬[J].兵器裝備工程學報，2017(12):21-24.

formatHUANG Lan, HAN Xiaoming, LI Qiang, et al.The Numerical Simulation of Flow Field in Air Chamber of Gas-Operated Device Structure Parameter in an Internally-Powered Gatling Weapon System[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(12):21-24.

TJ012

A

2096-2304(2017)12-0021-04

(責任編輯周江川)