張逸飛，孔德仁 ，施宇成

(南京理工大學(xué)，江蘇 南京 210002)

0 引 言

彈藥爆炸過程中會產(chǎn)生諸多毀傷元[1]，如沖擊波、 破片、 地震波、 熱輻射等都會對目標(biāo)產(chǎn)生較大的毀傷作用，其中爆炸沖擊波是其主要的毀傷參量之一[2]. 在沖擊波反射壓試驗(yàn)中，傳感器在現(xiàn)場使用環(huán)境與實(shí)驗(yàn)室中的檢定環(huán)境有很大不同，壓力測量系統(tǒng)在現(xiàn)場環(huán)境下將受到溫度、 濕度等環(huán)境因素影響[3]. 因此，有必要對沖擊波反射壓測量系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場校準(zhǔn). 目前主要的階躍型動(dòng)態(tài)壓力校準(zhǔn)裝置有激波管裝置與快開閥裝置. 快開閥裝置所能達(dá)到的幅值高于激波管，平臺壓力持續(xù)時(shí)間也遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于激波管，適用于大幅值壓力傳感器的動(dòng)態(tài)特性研究[4]. 此外，相對于激波管裝置，快開閥裝置體積小，易于攜帶，更適用于現(xiàn)場校準(zhǔn)方案. 階躍壓力上升時(shí)間是快開閥裝置最重要的技術(shù)指標(biāo)，階躍壓力上升時(shí)間越短，可校準(zhǔn)的頻率范圍就越寬[5]. 在實(shí)際試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)快開閥裝置產(chǎn)生壓力的上升時(shí)間受到低壓腔尺寸及傳感器布設(shè)位置影響，故需要對其展開仿真研究，從而找出合適的設(shè)計(jì)尺寸與傳感器布設(shè)位置，使得壓力上升時(shí)間盡可能短.

快開閥裝置階躍壓力上升時(shí)間對壓力動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)結(jié)果具有很大的影響. 目前國內(nèi)外對壓力動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)裝置研究較多，但都主要集中在構(gòu)造裝置的方案設(shè)計(jì)，對于其壓力上升時(shí)間的研究較少. 如： 張力等人利用長城計(jì)量測試技術(shù)研究所研制的高壓快開閥裝置對低壓腔的管腔效應(yīng)展開實(shí)驗(yàn)研究，證明了管腔短時(shí)，共振頻率高，壓力上升時(shí)間也短[6]； 張大友通過分析響應(yīng)信號探究了激波管動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)中被校傳感器能否安裝在激波管的側(cè)壁，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明傳感器安裝在激波管側(cè)壁時(shí)，測得的壓力上升時(shí)間與已知結(jié)果相差很大[7]； 王丹、 姬建榮利用激波管校準(zhǔn)裝置，使同一個(gè)傳感器分別安裝不同尺寸的安裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明： 不同尺寸的安裝結(jié)構(gòu)會影響裝置產(chǎn)生階躍壓力的上升時(shí)間與諧振頻率[8]. 根據(jù)上述眾人的研究成果，我們有理由提出假設(shè)： 快開閥裝置產(chǎn)生壓力的上升時(shí)間與低壓腔尺寸及傳感器布設(shè)位置有關(guān)，并對其進(jìn)行系統(tǒng)的建模仿真.

本文采用FLUENT軟件對快開閥裝置產(chǎn)生壓力的過程進(jìn)行三維建模，仿真過程中設(shè)置高壓室壓強(qiáng)為1 500 kPa，低壓室壓強(qiáng)為1 500 Pa. 高壓腔長度為1 000 mm，半徑為150 mm. 建立多種不同的低壓腔尺寸模型： 長度分別為60 mm，80 mm，100 mm，120 mm，140 mm，160 mm半徑分別為30 mm，40 mm，50 mm，60 mm，70 mm，80 mm. 在低壓腔側(cè)壁上，距離底端面5 mm，10 mm，15 mm，20 mm，25 mm，30 mm，35 mm，40 mm，45 mm以及50 mm處，分別布設(shè)一個(gè)傳感器，再布置一個(gè)傳感器于低壓室的端面中心處，共11個(gè)測點(diǎn)，獲取上述傳感器在不同條件下測得的壓力數(shù)據(jù)，并對壓力上升時(shí)間及壓力演化云圖進(jìn)行分析.

1 快開閥裝置工作原理介紹

快開閥裝置結(jié)構(gòu)如圖1 所示，具有較高壓力的稱為高壓腔，具有較低壓力的稱為低壓腔. 高壓腔容積遠(yuǎn)大于低壓腔，被校傳感器安裝在低壓腔內(nèi)，通過高壓供氣裝置向高壓腔內(nèi)施加壓力. 該裝置采用預(yù)應(yīng)力桿式閥門，高壓腔加壓之前在閥桿上加一預(yù)緊力，此力可使得閥桿頭部頂緊高低壓腔之間連通孔的密封面，使高低壓腔處于隔離狀態(tài). 進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)快速撤掉閥桿上的預(yù)緊力，此時(shí)閥桿尾部會產(chǎn)生一個(gè)張力波，從閥桿尾部傳至頭部使得其離開閥孔，低壓腔內(nèi)壓強(qiáng)快速增大，加載到被校壓力傳感器上，形成階躍壓力，高低壓腔內(nèi)的壓力平衡后傳感器檢測到的穩(wěn)態(tài)壓力具有足夠長的穩(wěn)定時(shí)間，可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測量，是快開閥裝置在壓力動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)方面的優(yōu)勢所在. 圖1 中的錳銅壓力計(jì)用于監(jiān)測開閥前后的穩(wěn)態(tài)壓力，由于快開閥裝置產(chǎn)生階躍壓力的平臺保持時(shí)間足夠長，錳銅壓力計(jì)檢測開閥后的壓力波形相當(dāng)于靜態(tài)測試.

該裝置設(shè)計(jì)的難點(diǎn)在于如何快速撤掉閥桿上的預(yù)緊力，經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)對比，采用壓斷簡支梁的方法，為了盡可能縮短該過程時(shí)間，選用材質(zhì)較為脆弱的的高速鋼材料.

階躍壓力上升時(shí)間是快開閥裝置最重要的技術(shù)指標(biāo). 其產(chǎn)生階躍壓力的上升時(shí)間越短，可校準(zhǔn)的頻率范圍就越寬. 圖1 所設(shè)計(jì)裝置中低壓腔為一直管，由1/4波長理論，低壓腔管道近似存在共振頻率

式中：f為共振頻率；C為音速；L為低壓腔管腔長度，由上述公式可見，當(dāng)?shù)蛪呵还艿莱叽缱兓瘯r(shí)，其共振頻率就會發(fā)生改變，當(dāng)阻尼很小時(shí)，共振頻率與系統(tǒng)固有頻率相等，而固有頻率越小，上升時(shí)間越大. 故推測出壓力上升時(shí)間與低壓腔設(shè)計(jì)尺寸有關(guān).

圖1 快開閥裝置結(jié)構(gòu)圖

如圖2 所示： 被校壓力傳感器在低壓腔內(nèi)有兩種布設(shè)位置. 第一種布設(shè)在低壓腔端面上，低壓腔容積可以做到盡可能小. 第二種是將被校傳感器對稱安裝在低壓腔側(cè)壁上，可一次性布設(shè)多個(gè)傳感器，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)壓力傳感器和被校壓力傳感器的比較法校準(zhǔn)，但低壓腔所需容積較大. 當(dāng)被校傳感器安裝在低壓腔端面時(shí)，壓力入射方向?yàn)榇怪狈较?，?dāng)被校傳感器安裝在低壓腔側(cè)壁時(shí)，壓力入射方向?yàn)槁尤敕较? 由于被校傳感器在上述兩種安裝位置下接收到的激勵(lì)信號不同[9]，故我們在仿真過程中也將傳感器布設(shè)于低壓腔端面與側(cè)壁不同位置處，檢驗(yàn)其是否會影響階躍壓力上升時(shí)間.

圖2 兩種被校壓力傳感器布設(shè)位置Fig.2 Two types of calibrated pressure sensor layout positions

在沖擊波反射壓現(xiàn)場校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)中，需要對所使用傳感器的動(dòng)態(tài)靈敏度、 自振頻率等進(jìn)行測量，故需要足夠長的壓力平臺保持時(shí)間. 本裝置產(chǎn)生階躍壓力的平臺保持時(shí)間大于10 s，錳銅壓力計(jì)能夠精準(zhǔn)測量裝置內(nèi)部的壓強(qiáng)，符合現(xiàn)場校準(zhǔn)試驗(yàn)需求[10]. 階躍壓力上升時(shí)間越短，可校準(zhǔn)的頻率范圍就越寬，更有利于傳感器的動(dòng)態(tài)校準(zhǔn). 經(jīng)過對快開閥裝置工作原理的分析，推測其階躍壓力上升時(shí)間與低壓腔的尺寸及被校傳感器在低壓腔內(nèi)的布設(shè)位置有關(guān)，下面就對其進(jìn)行仿真分析.

2 建模仿真分析

2.1 不同低壓腔尺寸對階躍壓力上升時(shí)間的影響

利用FLUENT模型對快開閥裝置產(chǎn)生壓力過程進(jìn)行1∶1三維建模，傳壓介質(zhì)選擇空氣，默認(rèn)其在高低壓腔內(nèi)滿足理想氣體方程. 設(shè)置低壓室初始壓強(qiáng)為1 500 Pa； 高壓室初始壓強(qiáng)為1 500 kPa； 初始溫度都為300 K(管腔內(nèi)的壓強(qiáng)與溫度均可變). 開始時(shí)兩區(qū)域的氣體都靜止，初始壓力和溫度通過PATCH命令賦值； 邊界類型設(shè)置為壁面(WALL)； 時(shí)間步長設(shè)置為10-5s. 由于高低壓腔的壓強(qiáng)是直接用patch命令賦予壓力值的，兩邊的網(wǎng)格在接觸面上共用一部分節(jié)點(diǎn)，這種情況就等同于閥門瞬間打開，是一種理想型的快開閥開閥情形.

將傳感器布設(shè)測點(diǎn)置于低壓腔端面中心處，高壓腔長度設(shè)置為1 000 mm不變，改變低壓腔長度分別為60 mm，80 mm，100 mm，120 mm，140 mm 和160 mm. 改變低壓管腔半徑分別為30 mm，40 mm，50 mm，60 mm，70 mm和80 mm. 一共36種尺寸模型，在Fluent軟件上分別對其進(jìn)行仿真，獲取上述不同情況下測點(diǎn)上的壓力時(shí)程曲線. 本文選擇下述6種情況下的壓力時(shí)程曲線進(jìn)行展示，具體曲線如圖3 所示.

(a) 低壓腔半徑為30 mm，長度為60 mm

(b) 低壓腔半徑為40 mm，長度為80 mm

(c) 低壓腔半徑為為50 mm，長度為100 mm

(d) 低壓腔半徑為60 mm，長度為120 mm

(e) 低壓腔半徑為為70 mm，長度為140 mm

(f) 低壓腔半徑為為80 mm，長度為160 mm圖3 不同尺寸低壓腔下的壓力時(shí)程曲線Fig.3 Pressure time history curve under different sizes of low pressure chambers

圖3 壓力時(shí)程曲線可以看出形成階躍壓力的上升時(shí)間隨快開閥裝置低壓腔尺寸變化的大致規(guī)律，但無法獲取確切的壓力上升時(shí)間，不能進(jìn)行量化分析，故對上述壓力時(shí)程曲線進(jìn)行數(shù)值提取，得到的具體數(shù)值如表1 所示.

為了研究快開閥裝置產(chǎn)生階躍壓力的上升時(shí)間與低壓腔管腔長度及半徑二者之間的關(guān)系，將上述數(shù)據(jù)采用三維曲面的形式進(jìn)行繪制，得到如圖4 所示的上升時(shí)間值曲面.

表1 不同低壓腔尺寸時(shí)壓力上升時(shí)間(μs)

通過對三維曲面進(jìn)行分析，可以得出：

當(dāng)傳感器布設(shè)在低壓腔端面，高壓腔尺寸保持不變時(shí)，快開閥裝置產(chǎn)生階躍壓力的上升時(shí)間值隨著低壓腔管腔長度及半徑都具有正相關(guān)性的變化，且增長的程度并不均等. 隨著低壓腔管腔長度的增加，壓力上升時(shí)間增長的速度逐漸緩慢. 如管腔半徑為30 mm時(shí)，當(dāng)管腔長度為60 mm時(shí)，壓力上升時(shí)間值為79 μs，當(dāng)管腔長度為80 mm時(shí)，上升時(shí)間值為103 μs，其在低壓腔長度60 mm～80 mm處的增長率為1.2 μs/mm； 當(dāng)管腔長度為140 mm時(shí)，壓力上升時(shí)間值為124 μs，當(dāng)管腔腔長度為160 mm時(shí)，壓力上升時(shí)間值為130 μs，其在低壓腔長度140 mm～160 mm 處的增長率為0.3 μs/mm. 故可得出： 隨著低壓腔長度的增加，階躍壓力的上升時(shí)間值不斷增長且增長的速率逐漸趨于緩慢.

圖4 階躍壓力上升時(shí)間曲面1Fig.4 Curved surface of step pressure rise time 1

2.2 不同傳感器布設(shè)位置對階躍壓力上升時(shí)間的影響

設(shè)置高壓腔長度為1 000 mm； 半徑為150 mm, 低壓腔長度為100 mm； 半徑為50 mm. 不同時(shí)間下快開閥裝置內(nèi)部的壓力流動(dòng)云圖如圖5 所示.

t=0.6 ms

t=1.2 ms

t=1.8 ms

t=2.4 ms

t=3 ms

t=3.6 ms

t=4.8 ms圖5 不同時(shí)刻下快開閥裝置內(nèi)部壓力流動(dòng)過程Fig.5 The internal pressure flow process of the quick-openvalve device at different times

其中，紅色部分為高壓區(qū)，藍(lán)色部分為低壓區(qū)，綠色部分為打開閥門之后的中壓區(qū). 由圖5 中可以看出，當(dāng)閥門打開后，低壓腔端面處很快達(dá)到高壓狀態(tài)，隨后管腔側(cè)壁各處才逐步進(jìn)入高壓狀態(tài)，故在端面處布設(shè)傳感器測得壓力的上升時(shí)間應(yīng)小于在管腔側(cè)壁上布設(shè)傳感器測得壓力的上升時(shí)間，下面對其進(jìn)行仿真驗(yàn)證.

為了探究不同布設(shè)位置對階躍壓力上升時(shí)間的影響，本次仿真將測點(diǎn)放置于低壓腔側(cè)壁上分別距離底端面5 mm，10 mm，15 mm，20 mm，25 mm，30 mm，35 mm，40 mm，45 mm以及50 mm處，在低壓腔長度為60 mm，80 mm，100 mm，120 mm，140 mm以及160 mm時(shí)分別進(jìn)行仿真，低壓腔管腔半徑保持50 mm不變，其余設(shè)置條件均與上述仿真一致，得到的階躍壓力上升時(shí)間如表2 所示.

表2 不同測點(diǎn)距離、 不同低壓腔長度下階躍壓力上升時(shí)間(μs)

從表2 中可以看出，快開閥裝置的階躍壓力上升時(shí)間是與傳感器布設(shè)位置相關(guān)的，當(dāng)傳感器布設(shè)在低壓腔側(cè)壁時(shí)，測得階躍壓力的上升時(shí)間大于將傳感器布設(shè)于低壓腔端面上測得壓力的上升時(shí)間，驗(yàn)證了之前的猜想，測點(diǎn)距離、 管腔長度以及壓力上升時(shí)間三維曲面圖如圖6 所示.

圖6 階躍壓力上升時(shí)間曲面2Fig.6 Curved surface of step pressure rise time 2

通過觀察圖2 可以得到： 當(dāng)傳感器布設(shè)在低壓腔側(cè)壁時(shí)，① 當(dāng)?shù)蛪呵还芮婚L度遠(yuǎn)大于所布設(shè)的最大測點(diǎn)距離時(shí)，隨著布設(shè)測點(diǎn)到低壓腔底端面距離的增加，傳感器測得階躍壓力的上升時(shí)間逐漸增大. 且增長的速率并不均等，而是距離底端面近的地方增長速率慢，距離底端面較遠(yuǎn)的地方增長速率快. 如低壓腔管腔長度為100 mm時(shí)，當(dāng)測點(diǎn)距離為5 mm時(shí)，階躍壓力上升時(shí)間為130 μs, 當(dāng)測點(diǎn)距離為10 mm時(shí)，階躍壓力上升時(shí)間為137 μs. 階躍壓力上升時(shí)間在5 mm～10 mm處的增長率為1.4 μs/mm;當(dāng)測點(diǎn)距離為45 mm時(shí)，階躍壓力上升時(shí)間為323 μs, 當(dāng)測點(diǎn)距離為50 mm時(shí)，階躍壓力上升時(shí)間為351 μs. 階躍壓力上升時(shí)間在45 mm～50 mm處的增長率為5.6 μs/mm. ② 當(dāng)?shù)蛪呵还芮婚L度略大于所布設(shè)的最大測點(diǎn)距離時(shí)，隨著布設(shè)測點(diǎn)到低壓腔底端面距離的增加，傳感器測得的階躍壓力的上升時(shí)間先逐漸增大，當(dāng)測點(diǎn)位置靠近閥門位置時(shí)，傳感器測得的階躍壓力的上升時(shí)間逐漸變小.

3 結(jié) 論

本文利用FLUENT軟件對不同低壓腔尺寸的快開閥裝置進(jìn)行模擬仿真，獲得了不同測點(diǎn)位置處產(chǎn)生階躍壓力的上升時(shí)間值，并對其分析得到如下結(jié)論：

1) 快開閥裝置產(chǎn)生階躍壓力的上升時(shí)間值與低壓腔尺寸以及傳感器布設(shè)位置有關(guān).

2) 當(dāng)傳感器布設(shè)在低壓腔端面時(shí)，快開閥裝置產(chǎn)生階躍壓力的上升時(shí)間值隨著低壓腔管腔長度及半徑都具有正相關(guān)性的變化. 為優(yōu)化快開閥裝置性能及設(shè)計(jì)參數(shù)提供了數(shù)據(jù)支持.

3) 當(dāng)傳感器布設(shè)于低壓腔側(cè)壁時(shí)，所測得壓力的上升時(shí)間值一般大于將傳感器布設(shè)于低壓腔端面上測得壓力的上升時(shí)間值，且隨著低壓腔長度的增大，其差值也會逐漸減小.

4) 當(dāng)傳感器布設(shè)在低壓腔側(cè)壁時(shí)，隨著測點(diǎn)到底端面距離的增加，產(chǎn)生階躍壓力的上升時(shí)間值逐漸增大，其增長的速率比較快. 對比上述仿真數(shù)據(jù)，快開閥裝置低壓腔尺寸與低壓腔內(nèi)傳感器布設(shè)位置雖然都對裝置產(chǎn)生階躍壓力的上升時(shí)間有一定的影響，但后者對其的影響明顯大于前者，故在設(shè)計(jì)適用于動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)的快開閥裝置時(shí)，要優(yōu)先考慮傳感器的布設(shè)位置，同時(shí)也要合理地設(shè)計(jì)低壓腔尺寸.

5) 本文通過FLUENT建立適用于動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)的快開閥裝置模型，針對不同低壓腔尺寸以及不同傳感器布設(shè)位置進(jìn)行模擬仿真研究，可以為快開閥裝置設(shè)計(jì)方案提供一定的數(shù)據(jù)支撐和理論依據(jù).