葛 竹,馬鐵華,杜紅棉,任小軍

(1 中北大學(xué)電子測試技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,太原 030051;2 儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,太原 030051)

0 引言

沖擊波是一種強(qiáng)烈的壓縮波,作為評(píng)估戰(zhàn)斗部毀傷威力的重要技術(shù)指標(biāo),其參數(shù)的準(zhǔn)確測量直接影響戰(zhàn)斗部毀傷威力的評(píng)估精度[1-2]。目前沖擊波超壓測試主要依托于壓力傳感器來實(shí)現(xiàn),有時(shí)需要將壓力傳感器安裝在一定形狀的測壓裝置上,或者有些傳感器自身就具有獨(dú)特的幾何形狀,目前筆式、桿式和盤式測壓裝置都有著廣泛的應(yīng)用[3-5]。不論何種測壓裝置置于沖擊波場中,都會(huì)改變沖擊波波陣面的流動(dòng)性,也必然會(huì)對(duì)沖擊波超壓測試造成一定的影響。

目前數(shù)值模擬方法已經(jīng)成為流體力學(xué)必不可少的研究工具,針對(duì)激波的流動(dòng)仿真問題,國內(nèi)外已有一些研究[6-8]。在此啟發(fā)下,文中使用Fluent軟件模擬激波流場,對(duì)筆式、桿式和盤式3種測壓裝置在激波管這一校準(zhǔn)裝置內(nèi)的氣體流場進(jìn)行了仿真,研究其對(duì)沖擊波測試特性的影響,并通過相關(guān)沖擊波超壓實(shí)測試驗(yàn)來驗(yàn)證仿真結(jié)果。對(duì)比分析不同測壓裝置對(duì)沖擊波測試特性的影響程度,旨在為選擇何種形狀的測壓裝置作為沖擊波測試工具提供可靠依據(jù),從而提高沖擊波測試的準(zhǔn)確性。

1 測壓裝置結(jié)構(gòu)及數(shù)值模擬模型

1.1 測壓裝置結(jié)構(gòu)

文中選擇美國PCB公司的筆式137A24型、桿式113A小型及對(duì)稱雙楔形(也稱盤式)3種不同形狀的測壓裝置置于激波管內(nèi)進(jìn)行氣體流場仿真。如圖1為3種測壓裝置結(jié)構(gòu)的尺寸圖,圖2為3種測壓裝置的實(shí)物圖。

圖1 3種測壓裝置結(jié)構(gòu)的尺寸圖

圖2 3種測壓裝置的實(shí)物圖

圖5 筆式測壓裝置在激波管內(nèi)的動(dòng)態(tài)壓力云圖

1.2 數(shù)值模擬模型

激波管是目前應(yīng)用最為廣泛的動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)裝置之一[9-10],文中(使用Gambit軟件)首先對(duì)激波管內(nèi)部流場進(jìn)行建模。Fluent基本控制方程涉及質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒和能量守恒方程;湍流模型選擇standard k-e模型,邊界條件設(shè)為壁面邊界;求解器中壓力、密度、動(dòng)量代數(shù)方程使用二階迎風(fēng)格式,其它為一階。計(jì)算區(qū)域分別為高壓區(qū)(驅(qū)動(dòng)管)6 m、低壓區(qū)(被驅(qū)動(dòng)管)14 m,低壓區(qū)初始?jí)毫υO(shè)為一個(gè)大氣壓(101.325 kPa),高壓區(qū)充以50個(gè)大氣壓,則初始?jí)毫Ρ葹?0,激波管內(nèi)徑為200 mm,溫度設(shè)為300 K。劃分網(wǎng)格時(shí)長度方向?yàn)? mm/格,寬度為1 mm/格,加密因子為1.05,因此筆式、桿式和盤式3種結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格數(shù)量分別為:111 342、14 588、97 143。

筆式和桿式結(jié)構(gòu)安裝在激波管低壓區(qū)的底端,筆式結(jié)構(gòu)測的是掠入式超壓,桿式結(jié)構(gòu)測壓敏感面與低壓區(qū)底端齊平,故測的是反射式超壓。仿真過程中在底端設(shè)定監(jiān)測點(diǎn)即可得到其流場變化情況,因此此處省略了桿式結(jié)構(gòu)的安裝示意圖。盤式結(jié)構(gòu)安裝在激波管低壓區(qū)的側(cè)壁面,測的是掠入式超壓。筆式和盤式結(jié)構(gòu)在激波管中的安裝示意圖如圖3和4所示。

圖3 筆式結(jié)構(gòu)在激波管中的安裝示意圖

圖4 盤式結(jié)構(gòu)在激波管中的安裝示意圖

2 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

圖6 桿式測壓裝置在激波管內(nèi)的動(dòng)態(tài)壓力云圖

開始仿真過程,時(shí)間步長為10-4s,迭代1 000步后得到穩(wěn)態(tài)求解。高低壓區(qū)直接用patch命令賦予壓力值,中間的膜片瞬時(shí)撤掉,達(dá)到理想全破膜情況,高壓區(qū)的高壓氣體會(huì)迅速向低壓區(qū)流入,觀察激波在激波管內(nèi)壓力變化。如圖5、圖6、圖7分別為筆式、桿式和盤式3種測壓裝置在激波管內(nèi)的流場變化情況。

圖7 盤式測壓裝置在激波管內(nèi)的動(dòng)態(tài)壓力云圖

在圖5、圖6、圖7中紅色部分為高壓區(qū),藍(lán)色部分為低壓區(qū),破膜后產(chǎn)生瞬時(shí)高壓,高壓氣體向低壓區(qū)迅速傳播,0.01 s后形成較為平整的波陣面,體現(xiàn)在圖中的綠色部分。入射激波到達(dá)低壓區(qū)底端時(shí),產(chǎn)生反射。由圖5所示的動(dòng)態(tài)壓力云圖可以看出,由于筆式測壓裝置安裝在激波管內(nèi)部中間,會(huì)對(duì)入射激波產(chǎn)生一定的阻礙作用,使得監(jiān)測的壓力變化稍落后于流場的膨脹過程。圖7中盤式測壓裝置由于其獨(dú)特的T型結(jié)構(gòu)與安裝方式,對(duì)流場膨脹過程的阻礙作用較大,造成裝置周圍的流場變化梯度也較大,裝置左右兩側(cè)的壓差也較大。桿式測壓裝置測壓敏感面與低壓區(qū)底端安裝齊平,圖6中監(jiān)測的壓力變化與流場變化一致,且比較有序。由仿真結(jié)果綜合比較可知,桿式測壓裝置測量反射式超壓較好,筆式測壓裝置相對(duì)于盤式測壓裝置對(duì)流場膨脹過程的阻礙作用小,故使用筆式測壓裝置測量掠入式超壓準(zhǔn)確性更高。

3 沖擊波超壓實(shí)測試驗(yàn)

為了驗(yàn)證上述數(shù)值模擬方法對(duì)激波流場的仿真結(jié)果,選取了某次戰(zhàn)斗部爆炸沖擊波超壓實(shí)測試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比。該次試驗(yàn)爆炸源為400 kgTNT當(dāng)量的戰(zhàn)斗部,爆高1.2 m,在爆距為23 m的圓弧上分別布置筆式、桿式和盤式測壓裝置,保持爆心與裝置同高,以保證測量的準(zhǔn)確性,其中桿式測壓裝置測壓敏感面正對(duì)戰(zhàn)斗部,測量的是反射式超壓,筆式和盤式測壓裝置測量的是掠入式超壓,裝置另一端接采集電路,采用中北大學(xué)自主研制的小型專用存儲(chǔ)式記錄儀。試驗(yàn)現(xiàn)場如圖8所示。該次試驗(yàn)中3種測壓裝置測得的沖擊波超壓曲線如圖9所示。

根據(jù)試驗(yàn)所測超壓曲線,將3種測壓裝置測得的沖擊波峰值壓力對(duì)比如表1所示。

表1 3種測壓裝置測得的沖擊波壓力對(duì)比

圖8 沖擊波超壓試驗(yàn)現(xiàn)場

圖9 3種測壓裝置測得的沖擊波超壓曲線

通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比可以得到,桿式測壓裝置測得的峰值壓力比理論值略高,高出10%左右,而理論值是根據(jù)峰值經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算所得,也存在一定誤差,所以用桿式測壓裝置測量反射式超壓比較準(zhǔn)確,能符合沖擊波測試的要求和精度。筆式和盤式測壓裝置測得的峰值壓力比理論值略低,原因是這兩種結(jié)構(gòu)阻礙了沖擊波的正常傳播,從而使峰值壓力減小。筆式的低5.6%,盤式的低20%,說明筆式的阻礙作用比盤式的小,用筆式測壓裝置測量掠入式超壓更接近真實(shí)值,更為準(zhǔn)確。試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果一致,驗(yàn)證了仿真的正確性,說明用激波管模擬仿真不同形狀的測壓裝置對(duì)沖擊波測試特性的影響是可行的。

4 結(jié)束語

文中將筆式、桿式和盤式3種不同形狀的測壓裝置對(duì)沖擊波測試特性的影響進(jìn)行比較,通過數(shù)值模擬仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證,得出筆式和盤式測壓裝置均會(huì)阻礙沖擊波流場膨脹過程,但筆式測壓裝置的阻礙作用小,因此用筆式測壓裝置測量掠入式超壓效果更好,更為準(zhǔn)確。現(xiàn)階段這3種形狀的測壓裝置在沖擊波測試中都得到了廣泛應(yīng)用,測量誤差大小不一。在之后的沖擊波測試試驗(yàn)中,同等試驗(yàn)條件下優(yōu)先使用筆式測壓裝置測量掠入式超壓,從而提高沖擊波測試的準(zhǔn)確性。