自身能源转管炮自动机内流场三维数值计算方法研究

为了最大限度的提高自身能源小口径转管炮 的射速,就必须研究与射速(转速)直接相关的火 药气体作用于自动机导气室活塞端面压力(回馈 力)的变化规律.该压力是驱动转管炮旋转,达到 自动连续射击的驱动力,所以回馈力的变化对转 管自动机的射速有很大的影响.因此,确定回馈力 的变化规律具有一定的理论和实践意义.但由于 导气室的结构非常复杂且随时间不断变化,以及 高参数(高温、高压和高速)等条件的限制,目前还 没有看到对其进行三维数值计算的报道.本文针 对回馈力计算的特殊要求,根据PHOENICS软件 的特点,提出了CCM和MBEGE方法作为回馈力 的计算方法.从而探索出一种确定回馈力变化规 律的三维数值计算方法.

1　导气管路系统几何结构的模拟

导气管路系统由炮管管段1、导气管管段2、不 规则椭球体段3和活塞腔管段4等4部分组成.从 流体炮管管段1流入而从活塞腔管段4流出.在流 动计算中,模拟导气管路的几何结构,采用了数学 公式法.导气管路系统如图1所示.利用HOENICS 中的MBFGE模块(Multi-Blocking Fine Grids Em- bedding),即把整个复杂导气装置流动腔(气室)的 三维几何结构分成上述4个简单的独立的网格系 统.再通过MBFGE的link-scheme把这4块独立的 网格边界一一对接,形成10×10×43个网格点,如 图2所示,从而解决了结构复杂的问题.由于每一 块相连接处有一虚拟网格层,故4块相连接在ζ方 向就增加了3个网格层,即(NZ=43).并且在计算 空间内网格均匀分布.

2　物理模型

为了便于分析和计算,做出如下几点假设:

1)经气孔流入气室的气体量与炮膛内气体量 相比,所占分量很小,因而认为处于气孔入口处的 膛内气体参量为已知量,由内弹道计算确定.2)认 为导气装置工作时,火药已燃尽,其中没有固相流 动,即单相气体流动.3)管内流动的火药气体为三 维流动的理想气体,不计质量力.4)导气管中气流 的摩擦和散热满足雷诺比拟关系.5)气体流动状 态为准稳态.

3　基本方程

在直角坐标系下,三维稳态可压缩流,各控制方程的通用形式如下

    式(3)中, Vi是速度矢量V在贴体坐标系(ζ,η,ξ)中的逆变分量,(i=1,2,3);而U, V, W分别是速度矢量V在直角坐标系(x,y,z)中的各个分量

4　数值方法

本文采用了压力校正的SIMPLE算法.用控 制容积积分法来离散控制微分方程,使用正交网 格,并采用贴体坐标系.计算中以速度和压力参数 作为原始关系变量,引入压力校正方程.离散后的 代数方程组采用CCM方法进行计算. 为将贴体坐标系与SIMPLE计算法结合起 来,将方程式(2)写成标准形式