张晓东;张培林傅建平;赵建新
【摘 要】节制环是火炮制退机的关键部件,而节制环磨损是制退机最主要的故障之一.针对节制环表面出现的麻点、凹坑等磨损现象,引入空化与空蚀理论,对节制环磨损机理进行了分析.将节制环流道简化为突缩孔道,联合求解完全空化模型、混合两相流模型和标准k-ε湍流模型,对突缩孔道内的定常空化湍流进行了数值计算,结果表明空化发生的部位与节制环内表面发生空蚀磨损的部位是一致的.提出了一种节制环空蚀磨损量计算模型,可对节制环的故障预测与诊断提供参考. 现代农村科技【期刊名称】《计算机应用与软件》
【年(卷),期】2011(028)007
【总页数】3页(P206-208)
【关键词】火炮;节制环;突缩管;空蚀
【作 者】张晓东;张培林傅建平;赵建新
【作者单位】军械工程学院 河北石家庄050003;军械工程学院 河北石家庄050003;军械工程学院 河北石家庄050003
【正文语种】中 文
0 引言我的老师璐君
制退机起着决定火炮后坐复进运动规律的重要作用，其性能直接影响着射击稳定性、可靠性。据有关资料［1，2］统计，火炮故障多来自制退机，而制退机最常见故障之一是节制环磨损。节制杆式制退机在射击过程中，内部液体处于高速流动状态，由于液体冲刷作用，节制环与节制杆流液孔、节制杆活塞与制退筒壁间隙及调速筒流液孔等流道复杂、几何结构变化剧烈的部位，极易出现磨损，导致后坐过长、后坐过短、复进不足、复进过猛等故障，轻则降低射击精度，重则会使火炮丧失战斗力。 在某国家靶场进行的某型大口径加榴炮500发试验后检查发现该炮节制环端面有密密麻麻的凹坑［3］。分析该故障现象，认为节制环表面发生了空蚀磨损，基于此假设，本文分析
杨玉圣了节制环空化、空蚀发生机理，运用计算流体力学理论和空化理论进行了简化的突缩孔道的定常空化湍流数值计算，并提出了一种节制环空蚀磨损量计算模型。
1 节制环空蚀磨损机理分析
在流体机械中，当液体流速大到其静压头低于液体在该温度下的饱和蒸汽压(或空气分离压)时，流体就会发生空化。当液体内部或液固交界面上蒸汽或气体空泡随液体流动过程中，遇到周围压力增大时，体积将急剧缩小或溃灭，由于空泡溃灭过程发生于瞬间(微秒级)，因而在局部产生极高的瞬时压强，当溃灭发生在固体壁面附近时，不断溃灭的空泡产生的极高压强的反复作用，破坏固体壁面，称为空蚀［4］。 本文研究对象属杆后坐式制退机如图1所示。射击时，制退杆随炮身后坐，工作腔I中的制退液经节制环与节制杆间变截面环形流液孔高速流入非工作腔II。
图1 杆后坐式制退机原理图
由Bernoulli方程可知，液体流经收缩管道时，必然流速增加，而压强降低，使收缩段液体产生膨胀趋势，当压强降至制退液在该温度下的饱和蒸汽压或空气分离压时，液体开始沸
腾，生成大量游移型空泡。此外，节制环收缩流道处的流态是湍流，根据湍流的涡团动量交换理论可知它是由无数微小涡团组成的［5］，这些微小涡团无规则地激烈地转动着，由于转动使其溶有空气密度较小的液体浓集在转动的核心(密度大含气量小的被甩在外围)，从而加速了溶在转核内液体中气体的聚集和析出，降低了该液体在该温度的饱和蒸汽析出所必须的临界能，使流体更易形成空泡。由湍流速度分布可知，靠近壁面的速度梯度最大，因而空泡首先发生在受高速液流冲刷的节制环内表面以及易造成涡流的尖角突缘处。当靠近固体壁面的空泡溃灭时，将对壁面产生巨大的破坏作用，主要机理包括机械作用、化学腐蚀作用、热力作用等，其中以机械作用为主。
(1)机械作用 节制环表面产生空蚀破坏主要由于空泡溃灭时形成的微射流和冲击波的强大冲击作用所致。学者Hammitt［6］通过计算和实测得出，游移型空泡溃灭时，近壁处微射流速度达70－180m/s，在物体表面产生的冲击压力高达140－170MPa，微射流直径约为2－3μm，表面受到微射流冲击次数约为100－1000次/(s·cm2)。随着空泡不断产生、发育、溃灭，其冲击作用将不断作用于节制环表面，其中强的冲击力可直接使壁面破坏，较弱的冲击力反复作用可引起壁面材料的疲劳破坏，这两种作用均会使制退液流经的节制环遭受空蚀破坏。
(2)化学腐蚀作用 火炮后坐过程中，因制退杆的不断抽出，非工作腔处于真空状态，溶解在制退液里的氧气易被析出，氧气对铜质节制环的化学腐蚀作用与机械空蚀作用互相促进，加速了节制环表面金属材料的破坏进程。
(3)热作用 空泡溃灭时，其中含有的气体温度很高(估算达数百度)［7］，这些热气体与节制环表面接触时，将使表面局部加热到熔点或使其局部强度降低而促进空蚀破坏。
2 突缩管空化流动数值计算
天台赤城中学
火炮后坐和复进运动中，制退液流经节制环会发生突缩流动。由此本文将节制环流液孔简化为规则的突缩孔道模型(如图2所示)，该模型入口高度为0.024m，出口高度为0.01m，突缩前流道长 0.016m，突缩后流道长 0.032m。利用 Singhal［8］等提出的完全空化模型和混合两相流模型模拟节制环区域二维定常空化湍流流动数值计算。该空化模型考虑了空化流动中的相变、空泡动力学、湍流压力脉动和流体中含有的不凝结性气体的影响。混合两相流模型是一种简化的多相流模型，它用于模拟各相有不同速度的多相流，但文中认为空泡相与液体相的时均速度相等，空泡相的扩散相当于液体相的扩散(扩散平衡)，空蚀流动只需要一组动量方程来描述，动量方程中的物理量为空泡相和水流相的体积组分平均量，新技术新工艺
求解动量方程得到的速度场由各相共享［9］。
2.1 流动控制方程
突缩孔道内部空化流动的控制方程为:
(1)连续方程
流体相:
空泡相:
(2)动量方程郭仕伟
式中各参数含义参见文献［8］。式(3)中ρ是混合相密度，与各相密度的关系为:ρ=为第 k 相的体积分数。
采用标准k-ε湍流模型使上述控制方程组封闭，将液体相与空泡相统一起来进行研究，因此湍流模型中的k和ε方程与单相流中具有相同表达式，但式中变量为混合流体平均量。
2.2 数值计算方法及边界条件
假设流动过程是定常的等温过程，忽略汽、液界面之间的滑移。液体相密度为1100kg/m3，空泡相密度为0.02558kg/m3，饱和蒸汽压为3540Pa，表面张力为0.0717N/m。采用有限体积法将控制方程组离散为代数方程组，其中对流相采用一阶迎风格式，扩散相采用二阶中心差分格式。采用结构化四边形网格，将突缩管划分为7050个计算网格，如图2所示，设定计算域进口断面为压力入口条件Pin=1MPa，出口断面为压力出口条件Pout=0.2MPa，壁面为无滑移条件，近壁区采用非平衡壁面函数。采用Van Doormal和Raithby［10］提出的SIMPLEC算法进行速度、压力的耦合求解，流场中空泡相体积组分初值为0。
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