0 引言
液体战斗部主要有爆炸分散和利用产生高压气体驱动分散2种方式[1-2],其中利用高压驱动分散方式的战斗部设计时不仅需要考虑液体的分散效果,还要求战斗部壳体具有较高强度确保高压气体作用时结构完整[3-4]。在战斗部壳体中利用火药爆燃产生的高压气体驱动活塞,进而推动壳体内黏弹性液体分散的弹药结构设计,可以完成战斗部壳体内液体的快速高效分散,在部分装液战斗部已有成熟应用,影响战斗部作用效果的主要因素有火药驱动能量、黏弹性液体物理特性、战斗部壳体结构材料及壳体内流场特性等。
采用火药爆燃产生的高压气体,影响效果取决于采用火药类型及火药质量;黏弹性液体作为被驱动的发挥效能的液体,其自身的特性随使用环境的不同也有较大差异,尤其动力黏度特性对液体的喷射分散产生直接影响,对其作用效能影响较大;战斗部壳体结构决定了在该作用过程下的内部流场特性。国内外相关专家针对液体战斗部分散陆续开展了大量的研究和分析。李廷等[5]对爆炸驱动刺激剂气溶胶云团运动过程的理论分析,建立了与试验结果相吻合的速度数学模型;韩天一等[6]分析了亚音速条件下燃料动态抛撒云团形态及尺寸分布的变化规律;施红辉等[7]用激波和压缩气体加速液柱时的流体动力现象的实验研究;申洋等[8]建立了二维气液两相流模型,基于有限体积方法,对爆炸驱动下冲击波在两相介质中传播开展数值研究,得出波与燃料颗粒相互作用是一个动量,能量传递的过程;许志峰等[9]研究了壳体形状对云爆战斗部抛撒云团尺寸的影响;Zhou等[10]研究了与瑞利-泰勒不稳定性(RTI)和里希特米尔-梅什科夫不稳定性(RMI)产生的湍流相关的惯性子范围能量谱,并探讨了网格建模中的可能应用。徐豫新等[11]采用数值仿真与实验验证的方法研究爆炸作用下加载系数对驱动液体抛撒初始阶段特性的影响;Sun等[12]为了确定液膜厚度与气液段塞流流体动力学之间的确切关系开发了一种瞬时测量系统,用于表征液膜的瞬时演变和连续团状流的动态特性;Kellenberger等[13]研究了在最初的爆炸性扩散中,可能存在密集的气固流的相互作用的物理特性。
前期国内外学者开展了装液战斗部有关的多项研究,针对液体分散的试验测试及分布规律提出了系统科学的分析方法及结论,但针对采用火药产生高压气体推喷液体分散的战斗部研究较少,该类型战斗部喷射过程的力学特性还有待进一步研究。通过建立该战斗部结构下的数值仿真模型,获得壳体轴向不同位置的压力值,分析初始驱动压力及黏弹性液体黏度值对该作用过程中壳体内部压力的影响;构建试验测试系统,通过试验获得与之接近工况的实测压力值,分析获得壳体内部压力的分布规律,为战斗部结构强度设计及优化提供参考依据。
1 数值仿真研究
1.1 模型构建
火药盒中火药爆燃产生高压气体,驱动高压气体室,高压气体推动活塞挤压黏弹性液体,液体将剪切盖板切断,黏弹性液体被活塞挤压推动从喷射孔喷出,记录压力监测点的压力时程曲线。本研究重点关注壁面和底部的压力变化和黏性流体的流体流动,对火药爆炸过程和剪切挡板的破坏及运动过程进行简化。当火药爆炸后,高压区瞬间充满整个燃烧高压气体室,通过均匀高压区简化火药燃烧爆炸过程,通过初始Patch功能简化剪切挡板作用,根据机械结构预估剪切挡板可承受5 MPa压力,因此设定剪切阈值为5 MPa,即壳体内部压力达到5 MPa后,剪切发生液体经由喷射孔进行分散。模型作用示意如图1所示。使用SCDM几何建模软件,建立流体计算域模型,采用CFD软件Fluent对模型进行仿真计算。流体计算域模型主要包括燃烧高压气室、推动活塞、黏弹性液体区、内部空气域、喷射孔和外部空气域。
图1 数值仿真作用过程示意图
Fig.1 Schematic diagram of numerical simulation process
1.2 材料参数及网格划分
模型中的材料参数主要由空气、铝制壳体、黏弹性液体,空气采用材料库中的理想气体模型进行计算[14],主要参数见表1;黏弹性液体基于调整可压缩流体的密度值和黏度值进行修正,主要参数见表2;铝的材料参数如表3所示。
表1 空气的材料参数
Table 1 Material parameters of air
参数数值密度/(g·cm-3)理想气体黏度值/(mm2·s-1)10比热/(J·(g·℃)-1)1 006.43分子量/(g·mol-1)28.966热导率/(W·(m·K)-1)0.002 42温度/K298.15
表2 液体的材料参数
Table 2 Material parameters of the liquid
参数数值密度/(g·cm-3)0.943黏度值/(mm2·s-1)20比热/(J·(g·℃)-1)4 182温度/K298.15
表3 铝的材料参数
Table 3 Material parameters of the shell
参数数值密度/(g·cm-3)2.719热导率/(W·(m·K)-1)871比热容/(J·(g·℃)-1)880剪切模量/MPa0.36杨氏模量/MPa0.72
网格划分:壳体、挡板及空气域的网格划分如图2所示,其中左边为壳体的网格划分图,右边为挡板及空气域的网格划分图。模型的总网格数为1 739 966,其中表面的网格数为529 192,节点个数为317 370。
图2 模型网格划分图
Fig.2 Model grid division diagram
1.3 边界设置及初始化设置
模型壳体设置为铝材,在喷射孔外设置自由场区域,该部分用理想空气进行填充,建立无约束的自由场区域,确保喷出的液体不会产生反射压力,改变壳体内部受力情况。完成模型导入及材料参数设置后,对液体部分和驱动气体部分进行初始化,驱动气体部分依据实际情况增加初始压力。液体区域及高压气体的初始压力云图如图3、图4所示。
图3 液体初始压力设置
Fig.3 Initial pressure setting of the liquid
图4 高压气体起始时刻云图
Fig.4 Pressure diagram when high-pressure gas starts to act
由壳体内监测点压力分布的规律分析,根据实际情况将液体的黏度值和驱动压力,按照上述设置进行计算,设有5个监测点的位置如图5所示,其中,1#、3#监测点分别设置在壳体的轴向,用于监测战斗部壳体距离低端不同距离的压力值,4#监测点位于底端中心,5#监测点位于战斗部底端中心与边缘的中点,这2个监测点用于记录作用过程中端盖中心及典型位置承受的压力情况。当推动活塞开始推动黏弹性液体时内部的压力云图如图6所示。
图5 各个监测点位置示意图
Fig.5 Location diagram of monitoring points
图6 计算开始后的压力云图
Fig.6 Pressure cloud plot after the calculation begins
2 数值仿真结果分析
2.1 壳体内部轴向压力分布研究
根据实际情况将液体的黏度值设定为20 mm2/s,驱动压力取18 MPa,按照该设置进行计算,通过计算可得5个监测点的压力时程曲线如图7所示,其压力峰值见表4。
表4 不同测点的压力峰值统计表(MPa)
Table 4 Statistical table of pressure peaks at different measuring points
监测点1#2#3#4#5#压力峰值29.14131.72935.64441.05830.637
图7 仿真模型中5个监测点的压力时程曲线
Fig.7 Pressure time history curves of five monitoring points in the simulation model
由该算例获得的5个监测点的压力数据可知,壳体内部压力值均高于驱动压力初始值,在壳体轴向距离喷射孔最近的监测点的压力值最大,其值约为驱动初始压力的2倍,随着与喷射孔距离的增加,压力峰值有所衰减,结合计算压力云图分析可知,在驱动液体分散的过程中,液体内部发生了驱动冲击波与反射冲击波的相互作用,1#测点作用时间短,波的相互作用影响较小,但3#测点则时间较长,波的相互叠加使得其压力峰值较高,4#测点位于剪切盖板处,是冲击波直接作用的部位,其压力时程曲线较为复杂,存在多个峰值,最大峰值是5个测点中压力最高的,说明在壳体内剪切盖板中心部位的承受压力最大,随着远离中心位置,其压力峰值有所衰减。
2.2 不同驱动压力的影响研究
火药爆燃产生的驱动压力作为该作用过程的动力来源,压力不同对整个系统的影响也会大不相同,为了分析不同驱动压力对壳体压力分布的影响,分别建立10、14、16、18 MPa驱动压力的模型,液体黏度值设为20 mm2/s,对比分析壳体监测点的压力分布情况,获得不同模型的压力时程曲线各监测点的压力峰值统计表如表5所示,不同驱动压力模型各个监测点的压力峰值如图8所示。
表5 不同驱动压力监测点的压力统计表(MPa)
Table 5 Pressure statistics of different driving pressure monitoring points
驱动压力/MPa监测点1监测点2监测点3监测点4监测点51011.17011.24712.61119.37911.6701412.49413.82615.85727.05314.9011620.91923.08624.59236.59619.6761829.14131.72935.64441.05830.637
图8 不同驱动压力模型各个监测点的压力峰值图
Fig.8 Pressure peak graph of each monitoring point for different driving pressure models
从表5、图8可知,测点压力峰值与驱动压力具有正相关性,驱动压力越大,壳体孔壁的压力也随之增大,1#测点距离喷射孔最远,与高低压室距离最近,其峰值也最低,孔壁上3#监测点距离喷射孔最近,其压力峰值最大,这是由于3#测点距离推动活塞较远。通过对压力时程曲线分析可知,4#测点的峰值并非单峰值,而是存在除峰值外明显的二次峰值,说明在监测点区域存在波的相互作用,由于波的相互作用使得该测点位置的压力时程曲线相对复杂,作用时间也相应有所延长。
2.3 液体不同动力黏度的影响研究
建立驱动压力为18 MPa,黏度值分别为10、15、30、60 mm2/s 的计算模型,对比分析壳体监测点的压力分布情况。不同监测点的压力统计值如表6所示,不同黏度值模型各个监测点的压力峰值如图9所示。
表6 不同黏度液体模型监测点的压力统计表(MPa)
Table 6 Statistical table of pressure at monitoring points of different viscosity liquid models
液体黏度值监测点1监测点2监测点3监测点4监测点51026.99228.26631.98636.79225.8671528.46029.67133.94639.66530.2803032.66635.28437.72546.47935.8426036.44239.68442.71246.02933.502
图9 不同黏度值模型各个监测点的压力峰值图
Fig.9 Pressure peak graph of each monitoring point for different viscosity value models
从表6、图9中可知,除5#监测点外,各个测点的压力都随液体黏度的增加有所增大,黏度系数增大使得液体运动难度程度增加,流动减慢,直接使得壳体内部压力形成阻滞,驱动冲击波和反射冲击波在壳体中的液体中相互作用,使得其壳体承受的压力值超过高压气体的驱动压力值。4#监测点位于喷射孔的剪切盖板处,其压力时程曲线较为复杂,明显可以观察到有冲击波相互作用的压力变化。
此外,在常压下,压力对黏弹性液体的黏度影响很小,可以忽略不计。但在高压强及密闭空间下压强对其黏度则有较大影响[15-17]。一般而言,流体的黏度都随压强的增大而增大。由于该作用过程时间极短,且在此过程中液体都处于高压状态下,因此,高压下黏弹性液体的黏度也可能发生较大变化,黏度改变其运动过程中的阻力也会随之发生,在进一步分析研究中也应予以重视。
3 试验研究
3.1 测试系统
为了揭示高压气体驱动黏弹性液体对壳体强度影响的主要因素,通过对不同黏度模拟剂的几类工况进行分析,获得壳体轴向监测点的压力值。采用微型高压压力传感器对壳体不同位置进行压力测试,通过高速录像机对试验过程进行可视化录像,获得不同试验条件下的壳体承受压力数据、壳体内液体喷射过程视频资料,从压力分布及推喷过程对壳体强度的影响。
测试试验系统主要由装液战斗部、压力传感器、数据采集仪、高速录像机、起爆单元等组成,其中战斗部壳体为了布设传感器进行了改进设计加工;结合试验样品情况设计适用的压力传感器,并在传感器上加工螺纹以便与战斗部壳体进行可靠连接;高速录像机及数据采集仪作为视频资料及压力数据记录的载体。试验布设现场如图10所示。
图10 外场试验全系统现场图
Fig.10 Field diagram of the whole system for field test
为了更好地还原作用过程,除壳体需根据传感器布设需求进行修改外,其余部分配件完全采用与原战斗部一致的材料及结构进行加工。根据不同试验项目对原有的壳体进行修改加工,在壳体垂直方向增加传感器布设孔,用于监测运动过程中壳体受压力影响时变化情况,其传感器及喷射孔布设分布如图11所示,装配完成后如图12所示。所用压力传感器具有较高的固有频率、极短的上升时间和宽广的响应频带,以保证足够的动态测压精度。采用PCIe/PXIe-69529数字采集仪,对5个通道测试数据进行同步记录保存。试验时环境温度为10 ℃,模拟剂的黏度值为26.92 mm2/s,火药产生初始压力值约12 MPa。
图11 试验壳体加工图
Fig.11 Machining drawing of test warhead shell
图12 试验现场装配图
Fig.12 Assembly drawings of the test site
3.2 壳体内部轴向压力分布研究
对高压驱动黏弹性液体过程中壳体不同位置的压力分布情况进行测试分析,研究不同位置所承受驱动压力的影响。通过在轴向布设5组传感器,监测壳体壁承受压力情况,具体布设情况如图13所示,试验瞬间如图14所示。
图13 试验设置图
Fig.13 Test setup diagram
图14 试验现场图
Fig.14 Test sit operation diagram
对5个传感器获得的压力峰值进行统计,压力值如表7所示,不同监测点的压力值对比如图15所示。5个传感器的布设位置不同,测得的压力值差别较大,5个传感器测得压力与喷射孔的距离有明显相关性,距离喷射孔距离较近的5#传感器测得的压力峰值最大,为22.61 MPa,而距离喷射孔最远的1#测点的压力峰值为15.74 MPa,5#测点的压力峰值为1#测点的1.5倍,从1#测点至5#测点具有正相关性,即:距离喷射孔越近,压力值越大。对数据进行分析可得压力与测点距离喷射孔位置具有线性相关性,相关系数为0.954,压力与该距离的关系式为
P=27.39+0.097x
(1)
表7 不同位置5个传感器的压力值统计表(MPa)
Table 7 Statistical table of pressure values of five sensors at different positions
编号压力值/MPa距喷射孔距离/mm1#15.740-1252#15.910-1033#19.437-914#21.043-695#22.610-47
图15 不同监测点压力对比图
Fig.15 Comparison chart of pressure at different monitoring points
式(1)中:P为测点的压力值;x为测点喷射孔之间的距离。通过该公式可以预估在壳体每个部位所承受的压力值,该式也反映出距离喷射孔越近,测得的压力值越大,喷射孔附近为壳体的薄弱环节。
3.3 液体不同动力黏度的影响研究
该试验的主要目的是通过测试相同驱动压力下推喷不同黏度的液体时壳体孔壁的压力值,分析装液的黏度对作用过程中壳体强度影响的规律。模拟剂采用丁酮为基础溶剂,通过调节聚乙烯乙酸酯的配比来调整其动力黏度值,依据模拟仿真的规律,共采用5种不同黏度的模拟剂进行测试分析,采用SCYN1302型高低温运动黏度测定仪对每种模拟剂进行动力黏度测试,分别选取黏度值为13.60、26.92、35.51、47.58、66.95、104.23 mm2/s进行测试。对不同黏度测试工况的传感器获得的压力峰值进行统计,压力值如表8所示。
表8 不同黏度液体试验测试压力值(MPa)
Table 8 Pressure values for testing liquids with different viscosities
黏度值/(mm2·s-1)13.6026.9235.5147.5866.95104.23压力/MPa24.77730.20734.83235.22538.61141.225
试验结果分析:通过对不同黏度值测试数据进行分析可知,随着黏度的增加,壳体内部压力值也随之增加,通过对数据进行多项式拟合可知,具有较好的相关性,拟合公式的均方差R为0.92,具体关系式如下:
P=12.977+1.114v-0.22v2+2.099×10-4v3-
7.779×10-4v4
(2)
式(2)中:P为测点的压力值,MPa;v为液体的黏度值,mm2/s。
黏度作为影响液体一个重要参数,黏度越大说明液体内部相互作用越明显,其流动阻力也越大,在高压气体驱动分散时,液体内聚力增加,需要有更大的压力将其推喷进而分散,因此在壳体内部积攒的能量也会相应增加,壳体承受的压力也就越大。黏度越大,壳体相同部位承受的压力值越接近于呈正相关的指数型分布,可见黏度值对壳体内部压力的影响至关重要,因此在战斗部结构设计时应充分考虑装填液体的黏度值,黏度越大采用该种结构分散的战斗部壳体承受的内部压力也随之增加,对壳体的强度要求越高。
4 结论
通过采用数值分析及试验测试的方法对战斗部内部高压气体推喷液体的复杂力学作用过程进行分析研究,得出以下结论:
1) 战斗部壳体承受压力值均高于火药产生的驱动压力初始值,离壳体轴向距离喷射孔越近压力值越大,随着与喷射孔距离的增加压力峰值随之下降。
2) 火药产生的驱动压力和液体动力黏度对壳体内部压力分布影响较大,且都为正相关,即:驱动压力越大,内部压力值越高;液体的动力黏度值越大,壳体内部压力也随之增大。
3) 装液战斗部结构设计时,需要综合考虑装填液体的物理特性,不仅要考虑黏弹性液体常温下的黏度值,还应关注黏弹性液体的黏度值随温度降低而增大的客观规律,根据作战使命及作战环境的温差范围,在驱动火药质量及种类选择上综合考虑,进而提高战斗部壳体的环境适应性。
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