管内高压气体冲击静态液柱的CFD模拟

　　引　言

　　以高压气体作为动力源,推动其他物质高速喷出管外的相像在军用和民用领域都十分普及,如火炮、气体炮等,其原理都是利用火药燃烧产生的、或已有的高压气体来推动炮弹、冰雹等物质高速喷出。而作为驱散大规模骚乱人群的非致性命武器——警用脉冲防暴水炮,利用的也是此原理。如何高效地利用高压气体膨胀所释放的能量,使催泪液柱获得更大的初始动能,且具有较好的雾化水平(刺激剂雾化颗粒越小,对人刺激作用更明显[1]),成为了反恐防暴领域研究的热点课题[1-3]。使用CFD软件对管内进行仿真模拟,可以减少实验投入,使管内流场可视化,对实验展开及优化设计有着重要的指导作用。

　　Federico Montanariet[3]等用流体力学软件Flu-ent对水炮的水弹发射时及飞行过程进行了模拟。使用内弹道软件计算的结果来为外弹道的分析提供初始边界条件,用两相流模型来分析发射过程以及水弹在飞行过程中破碎的复杂机理。文章证实了Fluent软件对水雾形状的改变以及水对目标的冲击进行分析的可行性。但其研究的系统与本系统存有差别,气液间不是直接的相互作用,气体通过推动活塞进而推动水高速喷出,而本系统中气液直接相互作用,机理更为复杂。Anh V.Nguyen[4]等利用Fluent软件对气嘴撞击液面进行了模拟,采用VOF和k-E方程来封闭N-S方程,在不同的入口速度下得到了3种不同的气液界面形状。其原理多用在冶金领域,采取的仿真策略与本文有相似之处。

　　本文利用CFD软件包中的Fluent软件对某型警用脉冲防暴水炮炮管内高压气体冲击静态液柱的过程进行了三维数值模拟,使用VOF模型对气液界面进行追踪,得到了气液界面形状,管内速度、压力变化情况,并将压力模拟值与理论计算值进行了比较分析,两者吻合较好。文章得出了结论对于脉冲水炮的改进设计和实验有一定的指导意义,且验证了CFD软件用于水炮内流场研究的可行性。

　　1　计算模型

　　1.1　几何模型

　　如图1所示,为某型脉冲防暴水炮的模型图。发射时,开启电磁阀,高压气体向右膨胀做功,冲击静态液柱,推动液柱从喷嘴喷出,由于气液间直接相互作用,气液必有渗透,气液界面的形状及其演化对于水炮的性能影响较大,是本文研究的重点之一。

　　1.2　数学模型

　　1.2.1　控制方程

　　不可压缩流体的连续性方程在三维直角坐标系中表达式为[5]:

　　式中,u,v,w分别为速度在x,y,z方向的分量;

　　对于不可压缩黏性流体的N-S方程,在空间直角坐标系中的表达式为[5]:

　　(2)

　　上述方程(2)再加上连续性方程(1)原则上就可以求得不可压缩黏性流体流场的解。但由于N-S方程中出现了速度的二阶导数,它的普遍解在数学上还有困难,只有某些特殊情况才能使方程得到充分简化,求出近似解。