﻿ 燃气弹射内弹道流场数值研究
 舰船科学技术  2023, Vol. 45 Issue (10): 184-189    DOI: 10.3404/j.issn.1672-7649.2023.10.038 PDF

Numerical study of internal ballistic flow field of gas ejection
JIA Xuan, YANG Gong-yi, DUAN Hao, WU Yi-fan, ZI Shu-liang
Kunming Branch, The 705 Research Institute of CSSC, Kunming 650032, China
Abstract: The three-dimensional flow field numerical modeling of a gas ejection process was carried out by using Fluent software, and the ejection process was simulated by using the standard $k - \varepsilon$ turbulence model, Simple algorithm and dynamic grid method, and the internal ballistic flow field and weapon force characteristics in the ejection process was analyzed according to the calculation results. An optimal design scheme for reducing the impact of the rear of the weapon and stabilizing the thrust is proposed, and the optimization scheme is verified by the test. The results show the effectiveness of the optimization scheme and the reliability of the CFD calculation method. The research results have a certain guiding role for the optimal design of the launch device and the realization of the safe and stable launch of the weapon.
Key words: gas ejection     internal flow field     dynamic grid     optimization design
0 引　言

1 燃气弹射内弹道流场模型建立 1.1 基本假设

1）流场分析计算中，视燃气为理想气体；

2）忽略高压室燃气射流中固体颗粒对于流场的影响；

3）不考虑燃气射流中组分化学反应的影响；

4）忽略流体热辐射的影响。

1.2 流场理论模型

 图 1 燃气弹射装置三维结构图 Fig. 1 3D structure diagram of gas ejection device
1.2.1 燃气流动控制方程

 $\frac{{\partial (\rho \phi )}}{{\partial t}} + {\rm{div}}(\rho u\phi ) = {\rm{div}}(\varGamma {\rm{grad}}\phi ) + S。$ (1)

1.2.2 武器在发射筒内的运动

 $Ma = {F_e} - {F_s} - {F_q} - G 。$ (2)

 ${F_e} = pA；$ (3)

${F_s}$ 为适配器与武器之间的摩擦力，其值的大小与两者之间配合的松紧程度以及摩擦系数有关系，在工程问题中通常简化为 $\delta Mg$ 计算。通常情况下，为了保证装弹方便，一般取 $\delta < 0.5$ ，本文设定 $\delta = 0.15$ ${F_q}$ 为气密环与发射筒之间的摩擦力，其计算公式为

 ${F_q} = {f_q}{A_q}\overline p。$ (4)

 $\begin{split} &{v_t} = {v_{t - \Delta t}} + \frac{F}{M} \cdot \Delta t ，\\ &{x_t} = {x_{t - \Delta t}} + {v_t} \cdot \Delta t 。\end{split}$ (5)
1.3 流场仿真模型

 图 2 计算域网格 Fig. 2 Computational domain grid

 图 3 计算域边界设置 Fig. 3 Computational domain boundary setting

 图 4 高压室压力曲线 Fig. 4 High pressure chamber pressure curve

2 结果及分析 2.1 压力分布规律

 图 5 各时刻压力云图 Fig. 5 Pressure cloud map at each moment

2.2 武器受力及内弹道特性分析

 图 6 武器轴向受力 Fig. 6 Axial force on weapon

 图 7 武器加速度曲线 Fig. 7 Weapon acceleration curve

 图 8 武器速度曲线 Fig. 8 Weapon velocity curve

3 优化设计 3.1 方案设计及仿真

 图 9 加装多孔板的三维模型 Fig. 9 3D model of adding perforated plate

 图 10 优化后各时刻压力云图 Fig. 10 Pressure cloud map at each moment after optimization

3.2 武器受力及内弹道特性分析

 图 11 优化后武器轴向受力 Fig. 11 Axial force of weapon after optimization

 图 12 优化后加速度曲线 Fig. 12 The acceleration curve after optimization

 图 13 优化后速度曲线 Fig. 13 The speed curve after optimization
4 试验验证

 图 14 加速度实测数据 Fig. 14 Measured acceleration data

 图 15 速度对比 Fig. 15 Speed comparison

 图 16 加速度对比 Fig. 16 Acceleration comparison

5 结　语

 [1] 谭大成. 弹射内弹道学[M]. 北京: 北京理工大学出版社, 2015.6. [2] 谭大成, 苗佩云. 弹射器低压室二维内弹道模型及数值研究[J]. 弹箭与制导学报, 2006, 26(4): 224-226. DOI:10.3969/j.issn.1673-9728.2006.04.069 [3] 白俊华, 胡春波, 李佳明. 固体发动机喷管喉衬流固耦合换热规律数值研究[J]. 西北工业大学学报, 2014(1): 23-28. [4] 陈建伟, 姜毅. 同心筒发射装置燃气流场的三维数值计算[C]// 中国宇航学会发射工程与地面设备专业委员会学术会议, 2003: 184−188. [5] 傅德彬, 姜毅, 陈建伟, 等. 同心筒自力发射燃气排导优化设计[J]. 弹箭与制导学报, 2004, 24(3): 42-45. DOI:10.3969/j.issn.1673-9728.2004.03.016 [6] Saha S, Chakraborty D. Plume-ducting system design of vertical launcher using computational-fluid-dynamics tools[J]. Journal of Spacecraft and Rockets, 2013, 50(3): 715-718. DOI:10.2514/1.A32303 [7] 胡晓磊, 孙船斌, 郭佳肄, 等. 二次燃烧对燃气弹射初容室载荷影响数值研究[J]. 兵器装备工程学报, 2020, 41(11): 70-73. DOI:10.11809/bqzbgcxb2020.11.013 [8] 李仁凤, 乐贵高, 马大为. 燃烧产物特性对燃气弹射内弹道与载荷的影响研究[J]. 兵工学报, 2016, 37(2): 245–252. [9] 杨晓光, 党建军, 王鹏, 等. 波面环境对高速入水载荷及弹道特性影响试验研究[J]. 西北工业大学学报, 2021, 39(6): 1259-1265. DOI:10.3969/j.issn.1000-2758.2021.06.011 [10] 熊永亮, 郜冶, 李燕良. 同心筒发射中旁泄流影响的数值研究[J]. 弹箭与制导学报, 2007, 27(4): 194-197. DOI:10.3969/j.issn.1673-9728.2007.04.059 [11] 马迅, 赵刚. 发动机活塞的热结构耦合分析[J]. 机械设计与制造, 2005(11): 40-42. DOI:10.3969/j.issn.1001-3997.2005.11.020 [12] 于勇, 徐新文, 傅德彬. 同心筒发射装置燃气排导的气体动力学原理分析[J]. 航空动力学报, 2012, 27(3): 501-507. DOI:10.13224/j.cnki.jasp.2012.03.007 [13] 马艳丽, 姜毅, 王伟臣, 等. 湿式同心筒自力垂直热发射技术降温效果研究[J]. 弹道学报, 2010, 22(4): 89-93.