kε双方程湍流模型对制退机内流场计算的适用性分析图文百.docx

1、k双方程湍流模型对制退机内流场计算的适用性分析图文百第卷第期年月爆炸与冲击，文章编号：（）忌一双方程湍流模型对制退机内流场计算的适用性分析张晓东张培林，傅建平，王成杨玉栋（军械工程学院一系，河北石家庄）摘要：为研究不同双方程湍流模型对制退机内复杂流场计算的适用性，以某火炮制遢机为研究对象建立了实际结构下的三维计算模型，利用动网格与滑移网格技术实现了火炮实际后坐速度下的制退机内部三维运动流场的数值计算。分别采用标准模型、模型和模型计算制退机内部各腔室压力，与实验曲线对比，结果表明应用标准模型对后坐冲击过程的制退机内部压力计算的误差最小，与实验结果吻合最好。关键词：流体力学流场湍流模型；制退机中围

2、分类号：目标学科代码：文献标志码：火炮会在射击瞬问产生巨大的后坐冲击力，制退机是消耗后坐能量、控制平稳后坐的关键部件。后坐冲击时间仅为，后坐速度可达到约。在此工况下制退机内部液体呈三维非定常湍流流动并存在运动界面和真空中的射流，流动现象复杂，研究其内部流场规律非常困难。随着计算机技术、数值计算技术和湍流理论的快速发展，数值模拟手段已逐渐被应用于制退机内部的复杂流动研究。从制退机局部结构到简化的二维模型从层流模型到非定常湍流模型的计算都取得了很多有益的结论。但到目前为止，数值模拟结果与实验结果仍存在较大的误差，主要是计算的建模误差所致”。究其原因，一是模型过于简化二是受计算理论和计算条件所限。基

3、于假设的双方程湍流模型是当前流体机械内部流场计算最常的用湍流模型，主要有标准模型印以及改进的模型【训、模型”等。高乐南“、陈刚嘲利用标准肛模型对制退机简化模型的定常湍流流动进行了数值模拟。吴利民”利用模型对制退机简化模型的内部湍流流场进行了数值模拟。以上采用的部分简化模型如图所示。本文中基于制退机内部流场三维模型，利用动网格和滑移网格技术，对后坐冲击过程中制退机内部湍流流场进行数值模拟。为检验数值模拟的准确性，分别采用种不同的湍流模型进行计算，并将数值模拟结果与实验结果进行对比。以期为制退机内部流场计算的湍流模型选择提供参考。，母目丁叫图种简化的制退机模型基本控制方程与湍流模型假设制退机内部液

4、体进行不可压缩三维非定常湍流流动，在直角坐标系下建立矢量形式的流体连续性方程和动量方程分别为（）（）收穑日期：；修回日期：作者简介：张晓东（一），男博士研究生。第期张晓东等：肛双方程湍流模型对制退机内流场计算的适用性分析驾竽（“晕：掣乱矗（脚）差矗（脚）一面（）去，一差柏式中：为流体密度，为时间，为速度矢量，为压强，、，、为坐标分量，、分别为广义源项分量，。“为有效粘性系数。“。，为分子粘性系数，卢。为湍动粘度。在涡粘模型方法中，不直接处理应力项，而是把湍流应力表示成湍动粘度的函数户。，了，其中为计算常数。对以上控制方程进行时间平均，引入应力项，就可以基于融湍流模型建立湍动能与耗散率的输运方程

5、。再联立。与湍流模型，进而可对控制方程进行求解。标准肛模型标准肛模型嘲是目前使用最广的湍流模型，具有适用范围广、计算精度合理的优点，是一种针对高数的湍流计算模型。当遇到弯曲壁面流动、强旋流和逆压梯度较大的问题时，计算精度会降低。当流动不可压，且不考虑源项时，定义与的输运方程为盟型一去仁等）差卜叩。仃。、警警一去尝）亳卜争；一。譬式中：为湍动能的产生项，各常数，。，。一，一，仉。舡模型融模型通过重正化群方法，修正了湍动粘度，考虑了平均流动中的旋转及旋流流动情况，在方程中出现了考虑非平衡应变率影响的附加耗散生成项，反映了主流的时均应变率，可以更好地处理具有强曲率影响和壁面约束的湍流分离流动。模型定

6、义与的输运方程为盟型竽老（差）（），“，盟篝去（嘶“差）学。也妒譬式中：，。一。一斜，一甄争，岛一乏差）。各常数取值，。一，。一，。，一口，卢一。模型针对标准模型对时均应变率很大时，可能导致负的正应力的情况，模型取消动粘度计算中的常数取值，引入相关的旋转和曲率，使其与应变率相关联。模型定义与的输运方程为煦警一者（产等）差。盯女。一、掣警一矗”尝）妾，驴如丽式中：，与），口为运动粘度，其余各常数取值为，巩。爆炸与冲击第卷建模、网格划分与数值求解根据某型火炮制退机的实际结构，建立了三维计算模型，模型参数采用真实尺寸，如图所示。图制退机三维计算模型网格划分。因制退机内部结构复杂，既有规则的圆柱形内腔

7、，又有倾斜的流液孔和变截面的环形缝隙。因此，合理的网格划分将是提高流场计算准确度的重要前提。本文中采用分块对接的网格划分方法将制退机内部分为若干区域，对形状简单规则、会产生大变形的区域，如工作腔、非工作腔、复进节制腔等运用结构网格进行划分。对形状复杂、不涉及变形的区域如制退杆活塞、调速筒等运用适应性更强的非结构网格进行划分。通过滑移网格界面可实现运动区域与静止区域间的数据实时传递。考虑到制退机内部结构为中心轴对称，为方便计算计算模型选为整体结构的，计算网格数为。网格运动方法为真实模拟后坐冲击过程中制退机内部液体流动，本文利用动态层变网格技术通过非结构网格区域整体运动与结构网格区域内网格的增减，

8、实现了在给定速度下的制退机内流场运动。结构网格更新采用动态层变法”，该方法根据与运动物面相邻的网格层高度来决定增加或减少网格层数。动网格模型指定一个理想层高，邻近动边界的网格单元根据层高度来分裂出新单元层或与邻近层合并。以复进节制腔区域为例，后坐过程中处于被拉伸状态则动边界相邻的单元层被扩展至。为单元层最小高度满足一（；）为分裂因子，为理想单元层高。若条件满足，该层将根据指定条件（恒定高度或恒定比例）进行分裂，即在层将分裂为层：层高为。，层高为（一）。反之，被压缩的单元层将与邻近的单元层合并成个新层。数值求解方法利用有限体积法将控制方程离散为计算模型网格单元上的代数方程扩散项、压力项采用二阶中

9、心差分格式离散，动量项采用一阶迎风格式离散，湍动能、湍流耗散率采用二阶迎风格式离散，近壁区域采用增强型壁面函数方法处理压力速度耦合方程采用算法求解。计算结果与分析采用标准模型、模型、模型分别对制退机内部流场进行数值计算，得到工作腔、复进节制腔的压力数据，并与实验测试的压力结果进行了对比如图所示。从图可以看出，后坐过程中制退机内的工作腔和复进节制腔压力的计算结果均较好地反映出实际压力的变化规律采用标准模型的计算结果与实验结果具有更好的总体符合度，其最高压力点也比其余种模型的计算结果更接近实验值，而模型和模型的计算结果基本一致但与实验结果的误差大于标准女模型的，并且相对误差随压力的增减而相应地增减

10、。第期张晓东等：双方程湍流模型对制退机内流场计算的适用性分析（）图压力的计算值与实验值的比较后坐过程中，在是弹丸膛内运动期，即后坐加速运动期，种模型计算结果与实验值符合较好；在的后效期及惯性后坐期，即后坐减速运动期，标准肛模型的计算结果最接近实验值，其他种模型的计算误差明显增大；在的后坐结束期，速度变化较为平稳，种模型的计算值与实验值基本吻合，误差都较小。表给出了工作腔、复进节制腔压力计算结果与实验结果的误差。经对比分析可知，采用标准模型的数值计算结果与实验结果吻合最好。表不同湍流模型下的制退机内部压力计算误差结论（）利用动网格与滑移网格技术，对后坐冲击过程中，分别采用标准肛模型、模型和模型对

11、真实结构的制退机内部三维湍流运动流场进行了数值模拟，结果与实验曲线的变化趋势基本一致，较好地反映了制退机内部压力的变化规律。（）对比分析工作腔、复进节制腔压力计算结果与实验结果，得出在弹丸膛内运动期与后坐结束期，种模型的压力计算值均与实验值较好吻合，误差较小，而在后效期与惯性后坐期，标准肛模型计算值最接近实验值，误差不超过，小于其他种模型。参考文献：二二研究所火炮射击参数的常规测试北京：第五机械工业部，：高树滋，陈运生，张月林，等火炮反后坐装置设计北京：兵器工业出版社，：，高乐南火炮驻退机湍流流场的预测分析南京：华东工学院，陈刚驻退机内不可压湍流流动研究南京：华东工学院，吴利民驻退机湍流场检测

12、技术研究及其数值模拟南京：南京理工大学，郑建国火炮制退机流场的数值模拟力学与实践，（）：，善爆炸与冲击第卷，（）：张楠，沈泓萃，姚惠之阻力和流场的不确定度分析探讨船舶力学，（）：，（）：，：，（）：，（）：张志荣，冉景煜，张力，等内燃机缸内瞬态分析中动态网格划分技术重庆大学学报：自然科学版，（）：一，：，（）：。肛。，。（，）：肛，肛，肛：；：，（责任编辑王易难）k-双方程湍流模型对制退机内流场计算的适用性分析 作者： 作者单位： 刊名： 英文刊名： 年，卷(期： 张晓东， 张培林， 傅建平， 王成， 杨玉栋 军械工程学院一系,河北石家庄,050003 爆炸与冲击 Explosion and Shock Waves 2011,31(5 本文链接：