炮口流场

2 炮口制退器与炮口流场概述2.1 炮口制退器上一章中提到炮口装置将改变炮口气流的方向与能量的分配，下面将更为详细的讨论炮口制退器的原理与其结构特点。

炮口制退器的工作原理就是使火药燃气通过侧壁的孔道向两侧喷射而出，从而减少从前方喷出的气体量，可以以减小后座部分的冲量，从而减小后座动能。

同时冲击侧挡板，从侧挡板喷射而出的火药气体将对身管有一个向前的力，这将使身管产生一个向前的运动趋势，与弹丸出膛后的后座运动相互抵消一部分，减小了后座部分的能量。

图2.1 炮口制退器原理图常见的火炮炮口制退器结构形式可以分为以下三类：（1）冲击式或开腔式炮口制退器这种类型炮口制退器结构特点是腔室直径较大（一般不小于2倍口径），两侧具有大面积侧孔，前方带有一定角度的反侧挡板。

例如，某85J炮口制退器（图2.2）。

在相同重量的条件下，冲击式炮口制退器的效率一般高于其他结构形式的效率。

图2.2冲击式炮口制退器图（2）反作用式炮口制退器这种炮口制退器腔室直径较小（一般不超过1.3倍口径），没有或只有很小的前反射挡板，侧孔多排分布。

火药燃气进入这种结构的的炮口制退器后有一部分气体从侧孔流出，起速度方向可由侧孔角度控制。

这种制退器多用于带尾翼的滑膛炮，以保证弹丸的尾翼在离开炮口制退器前不张开。

图2.3反作用式炮口制退器（3）冲击反作用式炮口制退器这种炮口制退器具有较大直径的内腔（大于1.3倍口径）和分散的条形或圆形侧孔。

这种制退器结合了冲击式和反作用式两类炮口制退器的优点，地面火炮中，安装的炮口制退器多数为冲击反作用式。

图2.4冲击反作用式炮口制退器2.2 膛口流场膛口流场是由从膛内高速流出的前膨胀波非定长射流与在膛口外的空气相互作用而形成的。

这种过程除了发生涡流及激波等现象外，燃气与空气中氧还要再次作用而发生爆燃，这就是二次焰[9]。

膛口流场可分为初始流场和主流场。

下图（图2.5）为炮口流场示意图。

图2.5 炮口流场示意图2.2.1不带膛口装置的炮口流场(1) 初始流场初始流畅是指弹头未出膛口前，火药气体流场尚未形成的膛口流场。

制退器膛口流场数值模拟摘要：为研究不同尺寸腔室的膛口制退器情况下对弹丸以及膛口流场产生的影响，运用动网格技术，对弹丸在不同腔室尺寸的膛口制退器下发射时产生的对称流场进行了数值模拟。

展示了制退器膛口流场的发展规律，冲击波、瓶装激波、射流等典型的膛口流场特征随不同腔室尺寸的变化。

探明了不同尺寸腔室的膛口制退器情况下对弹丸以及膛口流场产生的影响。

关键词：炮膛合力；膛口流场；数值模拟；制退器一．研究意义火炮发射时，后效期高温高压的火药气体从膛口瞬时流出，对火炮主体形成很强的后坐力，对炮架产生强冲击作用，影响火炮射击精度和机动性能，制约高性能火炮的发展。

炮口制退器作为一种安装在炮口部位的排气装置，通过控制后效期火药气体的流量分配和气流速度，减小射击时火药气体作用于后坐部分的冲量，并为炮身提供制退力，减小火炮后坐动能和炮架的射击载荷，因而成为一种广泛应用的反后坐技术。

二．研究现状按照结构形式的不同，传统的炮口制退器分为冲击式、反作用式及冲击反作用式。

由于工艺、重量的限制，高效率与低负面效应往往难以兼顾。

近年来，增材制造技术的发展为复杂异型结构的加工制造以及钛合金等难加工轻金属材料的成型制备提供了有力支撑。

也为传统装置结构的优化与创新设计提供了更大的自由空间。

随着计算机技术和计算流体力学的发展，数值模拟已成为低成本研究膛口流场及膛口装置的重要手段，例如：张焕好等、代淑兰等利用数值模拟方法，对不同类型炮口制退器的膛口流场波系、膛口激波及二次焰特征进行了详细研究，得到了制退器装置效率；Lei等、 Chaturvedi 等通过将流场仿真与流固耦合相结合，实现了炮口制退器结构应力与变形响应研究及性能评价。

本研究利用增材制造技术优势，针对机载火炮小口径炮口制退器综合性能的设计需求，提出一种叠加冲击式与反作用式传统制退器结构特征与优点的钛合金新型炮口制退器结构方案，对膛口流场发展过程及特征进行数值模拟分析，并以传统的高效率冲击式炮口制退器为参照，对新型结构制退器的综合性能予以评价。

1炮口制退器概述炮口制退器在火炮发射后效期内工作，通过腔室、挡板和侧孔等结构控制气流流向，被改变流向的气流给炮口制退器一个沿炮膛轴线向前的力，以此降低火炮后坐动能。

1842年，在法国诞生了世界上第一个炮口制退器，这个炮口制退器的堪称炮口制退器的鼻祖，但它的结构设计得非常简单，就是在炮管的炮口区域设计了一组向后倾斜的侧孔，这些侧孔会引导火药气体向侧后方向流动。

法国又于1863年为106mm火炮专门研制了一个炮口制退器，它由36个直径为6毫米，方向向后倾斜45度的侧孔构成。

随后对该炮口制退器展开了实验工作，实验表明:火炮射击精度比无制退器情况下提高了一倍，后坐长则减至无制退器情况的25%，而初速仅损失约6%。

这次尝试标志着炮口制退器成为火炮实际和有用的部分。

图1.1炮口制退器工作原理图炮口制退器的主要作用有两点:第一、减小后坐动能。

在后座部分质量及后坐长度不变时，减小后坐动能可以减小射击时的后坐力，从而减小炮架尺寸，减小火炮质量，达到提高火炮机动性的目的;在后坐质量和后坐力一定时，则缩短后坐长度，这样能使火炮设计得更加紧凑。

第二，便于将不同威力炮身安装到相同炮架上。

从力学角度讲，要在同一炮架上安装不同威力的炮身，只需保证不同炮身的后坐动能相等就可以了，即因此，大威力炮身设计高效率制退器、对小威力火炮设计低效率制退器，就可以使两个炮身后坐动能相等，从而采用相同炮架，这样可以简化生产，方便后勤保障。

在国内、外火炮系统中，都有不同威力炮身采用相同炮架的实例。

以上是应用炮口制退器所带来的好处。

然而，炮口制退器的应用也带来了不利的影响。

炮口制退器使部分本来向炮口前方冲出的火药气体偏转向了侧方或则后方，增加了炮手区域的冲击波和噪音强度，增大对炮手或者其他装备器材带来危害。

1.1炮口制退器分类按作用原理，可把炮口制退器分为:冲击式炮口制退器、反作用式炮口制退器和冲击一反作用式炮口制退器。

(1)冲击式炮口制退器。

这类制退器具有明显的特征:较大直径的腔室、大面积并带有一定角度的反射板和大面积侧孔等。

某型突击车炮塔区域内膛口流场数值模拟分析韩小平;赵富全;张严严;郝刚【摘要】针对某型突击车进行实弹射击后炮塔出现层裂现象,应用计算流体力学原理,采用动态层法动网格原理,建立包含炮塔区域在内的膛口流场数值模拟模型,通过与试验结果进行对比,验证数值模拟模型的可靠性,在此基础下,进一步计算分析得到膛口冲击波对炮塔前装甲板的作用时刻与力值;并以该结果作为输入,应用有限元分析方法得到炮塔的瞬态应力.结果表明,炮塔出现最大应力位置与实际炮塔发生层裂位置一致,膛口冲击波对炮塔的冲击作用是某型突击车炮塔发生层裂现象的主要因素之一,为后续综合分析炮塔发生层裂提供一定参考和数据支撑.【期刊名称】《火炮发射与控制学报》【年(卷),期】2015(036)004【总页数】4页(P5-8)【关键词】突击车;炮塔;膛口流场;数值模拟【作者】韩小平;赵富全;张严严;郝刚【作者单位】装甲兵工程学院兵器工程系,北京100072;装甲兵工程学院兵器工程系,北京100072;装甲兵工程学院兵器工程系,北京100072;总装备部通用装备保障部,北京 100720【正文语种】中文【中图分类】TJ43.62随着我军坦克不断发展，武器系统的整体战斗性能不断提高，火药气体后效期形成的膛口冲击波带来的危害越来越大，制约着坦克炮综合性能的进一步提高。

膛口流场为非定常、多项流动、湍流，并具有化学反应的复杂流场，伴随冲击波射流而产生的有害扰动有强激波、冲击波、电磁辐射、烟焰，大口径火炮和高性能高速武器产生的膛口流场的有害扰动是极其强烈的。

弹丸出膛后，膛口流场对弹丸的运动依然有影响，同时膛口流场的不断扩大和变化对炮塔及周边环境存在瞬间强烈的冲击作用，该冲击对火炮以及周边人员的安全有着一定影响，特别是加装炮口制退器以后，使膛口流场的负面影响大大加强。

南京理工大学、中北大学等科研院所，对不同炮口制退器产生的膛口冲击波炮口区域内流场的变化规律进行了细致研究，然而膛口冲击波对炮塔及周边环境影响逐渐凸显［1］，某型突击车在进行一定射击训练后，炮塔本体产生层裂现象较为普遍，这是包括炮口冲击波在内的多种因素共同作用的结果，需要进一步系统分析。

多管火炮武器发射膛口流场数值模拟
曲普;薄玉成;方举鹏
【期刊名称】《中北大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2012(033)006
【摘要】针对新型多管火炮发射产生的膛口流场与冲击波进行了数值模拟计算.建立了膛口流场数学物理模型,采用三维Navier-Stokes方程及Spalart-Allmaras模型,并采用Roe格式的差分方法.计算得到了多管火炮膛口流场的结构和流动参数.由计算结果可知,多管火炮发射时各身管产生的膛口流场会相互影响和叠加,形成的流场中激波系更为复杂,气流对弹丸产生的非对称作用对弹丸飞行姿态的影响也更为显著.计算结果可为多管发射武器系统结构设计与射击精度预测提供必要的参考.【总页数】4页(P659-662)
【作者】曲普;薄玉成;方举鹏
【作者单位】中北大学机电工程学院,山西太原030051;中北大学机电工程学院,山西太原030051;中北大学机电工程学院,山西太原030051;中国航天科工集团○六一基地302所,贵州贵阳550009
【正文语种】中文
【中图分类】TJ303+.2
【相关文献】
1.双管火炮异步发射时膛口流场分析 [J], 许桎樟;李强;方举鹏
2.超高射频武器串联发射膛口流场数值模拟 [J], 张学伟;李强;刘武;张正涛
3.带炮口制退器的火炮膛口流场三维数值模拟 [J], 刘欣宁;岳明凯
4.含运动弹丸的某火炮膛口流场数值模拟 [J], 刘宗超;焦志刚;郭秋萍;杨丽
5.火炮在不同介质中发射的膛口流场特性分析 [J], 张旋;余永刚;张欣尉
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中北大学毕业设计开题报告学生姓名：靳桂斌学号：0701044404 学院、系：机电工程学院动力机械系专业：武器系统与发射工程设计题目：122mm火炮炮口流场计算机仿真指导教师:郝秀平(副教授)2011年 3 月 7 日毕业设计开题报告1．结合毕业设计情况，根据所查阅的文献资料，撰写2000字左右的文献综述：文献综述1.1 Fluent介绍Fluent是用于计算流体流动和传热问题的程序，含有多种传热燃烧模型以及多相流模型，可应用于从可压到不可压、从低速到高超音速、从单相流到多相流、化学反应、燃烧、气固混合等几乎所有与流体相关的领域，是目前国际上比较流行的商用CFD（计算流体力学）软件 [1]。

Fluent 在国防、航空航天、机器制造、汽车、船泊、兵器、电子、铁道、石油天然气、材料工程等方面都有着广泛的应用。

采用基于完全非结构化网格的有限体积法，而且具有基于网格节点和网格单元的梯度算法，定常/非定常流动模拟；软件中的动/变形网格技术主要解决边界运动的问题，用户只需指定初始网格和运动壁面的边界条件，余下的网格变化完全由解算器自动生成[2]。

FLUENT软件包含三种算法：非耦合隐式算法、耦合显式算法、耦合隐式算法，以及丰富而先进的物理模型，使得用户能够精确地模拟无粘流、层流、湍流。

另外用户还可以定制或添加自己的湍流模型。

从用户需求角度出发,针对各种复杂流动的物理现象，Fluent 软件采用不同的离散格式和数值方法,开发了适用于各个领域的流动模拟软件，软件之间采用了统一的网络生成技术及共同的图形界面,而各软件之间的区别仅在于应用的背景不同，因此大大方便了用户。

对每一种物理问题的流动特点，有适合它的数值解法，用户可对显式或隐式差分格式进行选择，以期在计算速度、稳定性和精度等方面达到最佳 [3]。

将不同领域的计算软件组合起来成为CFD计算机软件群,软件之间可以方便地进行数值交换,并采用统一的前、后处理工具，这就省却了科研工作者在计算方法、编程、前后处理等方面投入的重复、低效的劳动，而可以将主要精力和智慧用于物理问题本身的探索上 [4]。

某迫击炮炮口流场数值模拟与分析黄欢;何永;蔺月敬【摘要】为研究迫击炮超压值对人体的影响,模拟了弹丸出炮口后的流场.考虑了炮膛与弹丸定心部间隙的内弹道经典模型,计算内弹道参数.根据内弹道计算结果初始化弹丸在炮口时的膛内流场,然后模拟膛内气体流空形成的炮口流场,过程引入了火药气体与弹丸运动的耦合作用.计算过程采用分块网格的整体运动处理方法和结构化网格动态层变方法.计算结果捕捉到清晰瓶状激波系,详细分析了炮口周围不同监测点的超压值及膛内气体流空过程,对炮口冲击波的研究具有指导意义.【期刊名称】《火炮发射与控制学报》【年(卷),期】2012(000)004【总页数】5页(P63-67)【关键词】迫击炮;流场;耦合;弹丸;结构化网格【作者】黄欢;何永;蔺月敬【作者单位】南京理工大学机械工程学院,江苏南京 210094;南京理工大学机械工程学院,江苏南京 210094;南京理工大学机械工程学院,江苏南京 210094【正文语种】中文【中图分类】TJ31迫击炮是一种运动性和弹道机动性良好的火炮，和同口径的一般火炮相比，具有体积小、质量小、使用和携带方便等优点。

它们能在第1线步兵的战斗队形内行动，对部队的火力要求反应迅速，及时、准确和猛烈的火力支援步兵完成战斗任务。

在发射过程中，根据迫击炮人体工学，战士须靠近迫击炮操作。

因此，其炮口流场引起的超压值对人体的影响是迫击炮研究的重点和难点[1]。

国内外学者对迫击炮炮口流场的早期研究计算主要是建立在实验基础上，采用一维近似算法。

随着计算流体力学的发展，炮口流场的计算有了很大的进展[2]。

本文采用考虑炮膛与弹丸定心部间隙造成气体流失的内弹道过程，以及考虑后效期火药气体与弹丸的耦合作用，对迫击炮膛内气体建立二维轴对称雷诺平均N-S方程，使用S-A单方程湍流模型，采用Roe的一阶迎风格式[3-4]，应用动网格技术数值模拟了迫击炮膛内及炮口流场，研究结果对迫击炮炮口流场特性的研究有重要意义。

双管自动迫击炮齐射炮口流场分析
袁家绪;王惠源;渠慧娴;于家辉;王童语
【期刊名称】《兵器装备工程学报》
【年(卷),期】2024(45)4
【摘要】为分析双管自动迫击炮齐射时炮口流场对弹丸产生的影响,运用经典内弹道模型对迫击炮发射的膛内平均压力及弹丸速度进行计算,利用三维非定常Euler
方程,采用动态分层技术的结构化动网格方法,处理弹丸运动引起的网格变化,建立炮口流场模型,对该双管速射迫击炮发射过程中炮口流场的变化进行数值模拟与分析。

研究表明:弹丸出炮口后,火药燃气迅速膨胀,2个流场相互叠加干扰产生局部高压区域,并且相互叠加的流场使弹丸产生的侧向合力,最大侧向力达350.6 N,会对双管自动迫击炮齐射时的射击精度产生影响。

【总页数】5页(P191-195)
【作者】袁家绪;王惠源;渠慧娴;于家辉;王童语
【作者单位】中北大学机电工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】TJ012.2
【相关文献】
1.迫击炮炮口流场数值模拟与分析
2.双管火炮异步发射时膛口流场分析
3.某迫击炮炮口流场数值模拟与分析
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5.自动干伞机温
度场和流场数值模拟分析
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某新型多身管火炮的膛口流场形成分析
陈伟;王茂森;戴劲松;陈瑶
【期刊名称】《机械制造与自动化》
【年(卷),期】2014(000)006
【摘要】现代高技术条件下的局部战争要求自动炮具有高射速，这为速射火炮发射弹幕带来了新的问题：膛口流场叠加后对后继发射弹丸的扰动效应将严重影响弹丸的运动状态，改变预定的弹幕分布形式，甚至造成火炮射击精度不足，降低作战效能。

以某新型火炮为研究对象，应用计算流体力学方法，通过数值仿真，分析其在不同射击条件下的膛口流场特点以及对弹丸运动状态的影响；分别讨论了射速、身管间距、发射时序对膛口流场的形成与发展过程以及对弹丸的受力和运动状态的影响。

得出可以通过控制射速和改变身管间距来降低膛口流场对弹丸运动状态的影响。

【总页数】5页(P100-104)
【作者】陈伟;王茂森;戴劲松;陈瑶
【作者单位】南京理工大学机械工程学院，江苏南京210094;南京理工大学机械工程学院，江苏南京210094;南京理工大学机械工程学院，江苏南京210094;南京军区联勤部信息中心江苏南京210016
【正文语种】中文
【中图分类】TJ303+.2
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1.考虑弹丸与身管轴向运动耦合的火炮系统时变动力学分析 [J], 张志新;胡振东
2.双管火炮异步发射时膛口流场分析 [J], 许桎樟;李强;方举鹏
3.某型火炮金属材料身管有限元分析 [J], 冀豪;苏忠亭;童睆
4.某型火炮金属材料身管有限元分析 [J], 冀豪;苏忠亭;童睆;
5.火炮在不同介质中发射的膛口流场特性分析 [J], 张旋;余永刚;张欣尉
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1 绪论1.1课题研究的背景和意义火炮的历史可以追溯很久以前，早在春秋时期，中国已使用一种抛射机。

公元10世纪火药开始用于军事后，这种抛石机便用来抛射火药包、火药弹。

我国宋代就出现了以竹为筒的管形喷射火器——火枪；13世纪50年代，又出现了竹制管形射击火器——突火枪。

这种身管射击火器的出现，对近代火炮的产生具有重要意义。

火药、火器在13世纪通过丝绸之路由我国传到西方，在欧洲开始发展14世纪上半叶，欧洲开始制造出发射石弹的火炮。

19世纪末叶，炮身通过耳轴与炮架相连接，这种火炮的炮架称为刚性炮架。

刚性炮架在火炮发射时受力大，火炮笨重，机动性差，发射时破坏瞄准，发射速度慢，威力提高受到限制。

19世纪末期出现了反后坐装置，炮身通过它与炮架相连接，这种火炮的炮架称为弹性炮架。

1897年，法国制造了装有反后坐装置（水压气体式驻退复进讥）的75毫米野炮，后为各国所仿效。

弹性炮架火炮发时时，因反后坐装置的缓冲，作用在炮架上的力大为减小，火炮重量得以减轻，发射时火炮不致移位，发射速度得到提高。

但随着火炮威力的不断加大机动性和威力这一对矛盾再次突显出来，炮口制退器在解决这一矛盾中起到了重要的作用，同时被应用到世界各国的各种大威力火炮上，甚至舰炮也有使用炮口制退器的例子。

可以说炮口制退器是火炮武器的最重要的部件之一，火炮技术的发展与炮口制退器技术的发展密切相关[1]。

这是火炮发展史上的一个重大突破。

在后效期内火炮对膛底和弹丸同时作用，继续推动弹丸的向前运动，是弹丸在这一时期内仍在加速运动；对膛底的作用使炮身发生后座运动。

较大的后座能量对武器设计带来很多不利因素，如使武器振动、跳动等这些都要恶化武器的射击精度。

膛口喷出火药气体时，产生的光、声和热对于射手以及火炮附件都有不利的影响[2]。

炮口制退器的出现对于这些不利因素起到了一定的缓解作用。

炮口制退器的作用原理就是控制后效期火药气体流量分配、气流方向和气流速度[3]。

正式由于炮口装置改变了火药气流的状态，对膛口流场的研究具有了更大的意义。