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
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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
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