空气炮碰撞实验台发射过程的数值模拟

作者:肖程欢;鲁寨军; 刊名:爆炸与冲击 上传者:蒋欢军

【摘要】利用计算流体动力学方法对单级空气炮碰撞实验台的发射过程进行了数值仿真,所得碰撞车发射速度与实验结果吻合。在此基础上,对碰撞车发射过程的流场变化、车体前后压力以及储气罐压力变化进行分析。结果表明,泄漏气体先于碰撞车充满整个发射空间,形成初始流场,使得车前压力出现正负交替现象,但其数值较小,对车体加速过程的影响可以忽略。当碰撞车进入泄压段后,受冲击射流作用,碰撞车仍处于加速状态,且速度增量约为2m/s。

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为了确保高速列车运行过程中乘员的安全,需要对列车吸能材料的动态特性进行深入研究。高速撞击试验、实车碰撞试验可以较真实地反映材料的动态性能。气体炮是一种通用的加速装置,其原理是基于高压气体膨胀做功推动试验车运动,使试验车在极短的时间内获得较高的发射速度。目前中南大学所建的单级空气炮碰撞实验台(single stage air gun impact testbed,SSAGIT)主要由储气罐、加速段、泄压段和速度测控系统组成,可将质量为1t的碰撞车加速至90m/s。在空气炮理论研究方面,一般是基于等熵流的膨胀做功理论估算投射物的运行速度[1-2]。需要特别指出的是,Seigel[3]和Sheppard[4]对单级气体炮无泄漏等熵膨胀的发射过程进行了详细的阐述。常用的空气炮投射物截面为圆形,而SSAGIT投射物截面为矩形,这种设计可有效避免碰撞车在加速过程中产生自旋[5]。为了减小摩擦阻力,大矩形截面的碰撞车与加速段内壁有一定的间隙,受此影响,实验结果比通用的速度估算结果小10%[4]。观察实验结果还发现,碰撞车离开加速段进入泄压段后速度仍在增加,碰撞速度与离开加速段的速度不同。随着计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)非稳流仿真计算的发展,利用CFD原理并结合动网格理论及6DOF理论的应用[6]研究弹道发射过程已经成为一种有效的方法,并广泛应用于子弹、炮弹和导弹等武器发射过程或飞机投弹分离过程等领域[7-10]。此外,Zhang等[11]还利用CFD方法研究了投射物离开30mm口径枪口后的加速过程,结果表明,其速度在0.8ms内由843.99m/s增加到899.28m/s。本文中利用CFD方法对SSAGIT的发射过程进行仿真计算,得出碰撞车的运行速度,并与实验结果作比较,进而分析发射过程中整个发射空间的流场变化,提取所需参数的变化曲线,以期为建立准确的速度估算理论提供依据和参考。1仿真计算方法ANSYS-Fluent中的动网格模型可用来模拟边界运动或变形引起的流体域形状随时间变化问题。在SSAGIT发射过程中,碰撞车在气压推力的作用下向前加速运动,加速段和泄压段的流体域形状均随着碰撞车的运动而改变,为便于计算,流体域模型中需区分静态网格区域和动态网格区域[12]。碰撞车的运动规律则利用6DOF解算器确定[13]。动网格的计算原理是:在每个时间步上计算碰撞车边界的位移,根据计算所得边界的位置更新内部体网格节点的位置。1.1静态网格区域流体守恒方程静态网格区域采用可压缩理想气体模型,流体连续性方程和动量方程可写成通用变量形式[12]:(ρφ)t+!·ρφ(u)=!·Γ!φ()+Sφ(1)式中:φ为通用变量,Г为广义扩散系数,ρ为流体密度,u为流体速度矢量,Sφ为φ所对应的源项。方程左边两项分别表示变量随时间的变化率和对流引起的流出率,右边两项分别表示扩散引起的增加率和源项引起的增加率。1.2动网格区域流体守恒方程边界移动的任意控制体V中,一般标量φ的守恒型方程[13]可以表示为:ddt∫VρφdV+∫Vρφu(-ug)dA=∫VΓ!φdA+∫VSφdV(2)式中:V为空间中大小和形状都随时间变化的控制体积;A为控制体所对应的面向量;V为控制体积的运动边界;ug为运动网格的运动速度。CFD中对时间的微分项采用一阶向后差分方程进行离散。1.3湍流模型为了更好地描述湍流,选用二方程的Realizable k-ε模型[13],其湍动能及耗散率输运方程为:ρ(k)t+ρ(kui)xi=xiμ+μtσ

参考文献

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