装药参数对水下机枪密封式膛口流场影响的数值分析

为了研究装药参数变化对水下机枪密封式发射膛口流场特性的影响,建立了水下机枪密封式发射的数学物理模型。运用流体力学计算软件Fluent,结合用户自定义函数和动网格技术,针对12.7 mm滑膛式机枪,分别采用15.5 g、13.0 g和11.0 g装药量对其水下密封式发射膛口流场进行了数值模拟。计算结果表明：不同装药量条件下,水下机枪密封式发射时,在弹头飞离膛口截面的过程中,水对弹前初始空气和弹头轴向运动的阻碍较大,导致弹头减速、火药燃气在弹后空间聚集、膛口燃气压力升高,而火药燃气形成射流后的喷射压力衰减遵循指数衰减规律;膛口射流形态受弹头速度和燃气喷射压力的耦合影响,均逐渐由梯形空腔转变为葫芦状空腔,且射流的轴向最大位移遵循指数衰减规律,马赫盘的初步形成时间也基本一致;随着弹头初速和燃气初始喷射压力的降低,火药燃气在射流头部聚集且径向扩展明显,并伴随形成二次射流,而弹底对马赫盘形状的影响时间缩短,激波核心区结构也更快地接近于正激波。因此可见,装药量对膛口流场分布的影响具有一定的规律性。     

水下发射对机枪膛口温度场影响的数值分析

为了解不同发射环境下机枪的膛口温度场分布特性,对12.7 mm机枪在空气和水中射击所形成的膛口温度场进行了数值模拟和对比分析。数值计算借助Fluent软件,并利用User Defined Function(UDF)和动网格技术。计算结果表明,机枪水下密封式发射时,弹丸出枪口就开始减速,火药燃气在弹后减速、聚集而温度升高,使得燃气初始喷射温度达到2653 K,比空气中发射时(2236 K)高417 K。受弹丸运动和气液界面的共同影响,在弹丸出膛70μs时形成马赫盘,而空气中发射时弹丸出膛200μs才初步形成马赫盘。与空气中发射相比,水下发射时形成的激波核心区较小,但核心区温度更高;其中压缩波中最高温度接近3200 K,比空气中发射时相应区域约高1500 K。通过拟合水下密封式发射时膛口形成的马赫盘位置随时间变化曲线,发现其位置与时间在弹丸出膛200μs内满足指数变化规律。     

机枪水下发射膛口燃气射流场分布特性的数值模拟

为了解机枪在水下发射环境中膛口燃气射流场的演化特性,建立了膛口燃气射流(含弹丸)在液体中扩展的两维两相流模型,借助Fluent软件,运用UDF和动网格技术,针对12.7 mm机枪在水中发射形成的膛口燃气射流场进行了数值模拟与分析。结果表明,在近水面发射条件下,燃气出膛口后,先迅速膨胀,形成一个射流膨胀区,温度与压力迅速降低。随后由于膛口燃气持续流入,受限于弹底边界和周围水的约束,形成一个压缩区,燃气温度与压力又快速上升。在弹丸出膛后0.12 ms,已经能清晰地观察到马赫盘结构,且马赫盘距膛口的位移随时间变化特性满足指数上升规律; 在10 m水深发射环境下,膨胀区的扩展受限于更大的水压,使膨胀区下游与气液界面附近的温度峰值与压力峰值偏大,且峰值所处位置向膛口方向移动; 马赫盘距膛口位移随时间变化较小。     

膛口初始流场对火药燃气流场影响的数值研究

枪炮发射时,身管内被弹丸压缩的空气柱喷出膛口后形成初始流场,它对后续火药燃气流场的发展及弹丸的运动产生很大影响,甚至会降低射击精度。因而,研究初始流场对火药燃气流场的影响机理对于武器设计具有重要的意义。基于ALE方程的有限体积方法,利用AUSM+格式和分区结构化贴体网格对含有复杂形状弹丸的膛口流场进行了数值模拟。根据数值结果绘制的计算阴影图与实验阴影照片符合较好。分别计算了有、无初始流场两种条件下的流场发展过程,详细比较讨论了它们的流场结构与参数特征。结果表明枪炮发射时,身管内被弹丸压缩的空气柱喷出膛口后形成初始流场,它对后续火药燃气流场的发展及弹丸的运动产生很大影响,甚至会降低射击精度。因而,研究初始流场对火药燃气流场的影响机理对于武器设计具有重要的意义。基于ALE方程的有限体积方法,利用AUSM+格式和分区结构化贴体网格对含有复杂形状弹丸的膛口流场进行了数值模拟。根据数值结果绘制的计算阴影图与实验阴影照片符合较好。分别计算了有、无初始流场两种条件下的流场发展过程,详细比较讨论了它们的流场结构与参数特征。结果表明初始流场的存在是火药燃气流场形成冠状冲击波的必要条件。同时,含有初始流场条件下的近膛口区域最大滞止压力相对于无初始流场条件增加了2倍以上。     

膛口初始流场对火药燃气射流的影响

身管武器发射弹丸时,初始流场对随后火药燃气射流的发展及弹丸的运动有较大的影响。为了分析初始流场对燃气射流结构以及弹丸运动的影响,基于有限体积法,采用分块网格划分的整体运动方法及Realizable k-ε湍流模型,耦合内弹道过程及六自由度方程,建立了含有初始流场和不含初始流场的两种二维轴对称膛口流场数值模拟模型。以300 mm平衡炮为例,研究了1730 m·s~(-1)发射速度下的膛口流场特性。结果表明,无初始流场时,火药燃气波阵面近似为球形,火药燃气无法追赶上弹丸。而在初始流场的干扰下,膛口喷射出的燃气速度提高约200 m·s~(-1),燃气追赶并包围弹丸,流场中最大压力降低一倍,温度提高1000 K以上,弹底压力降低约1.3 MPa。     

超高射频武器串联发射膛口流场数值模拟

为了研究超高射频武器高频连发时膛口流场形成机理和对弹丸飞行的影响,基于 ALE方程和嵌入网格技术,结合动网格方法进行数值仿真分析。数值结果清晰地揭示了高频连发时火药气体相互叠加形成的复杂流场的结构。在相同装药量下,高频连发时后续弹丸膛内加速度远小于首发弹丸;后续弹丸出膛口后,弹前火药燃气膨胀形成低压区,而弹后压力高于首发弹丸弹后压力,使其加速度大于首发弹丸。仿真结果为研究超高射频武器高频连发时弹丸受力分析提供一些理论依据。     

弹道枪水下全淹没式发射膛口流场演化特性的数值模拟研究

为了解弹道枪水下全淹没式发射膛口流场的演化特性,搭建水下射击实验平台,运用直接摄影法捕捉其膛口流场演变的全过程。实验发现：在弹头出膛前,弹前水柱已经在膛口空化产生水蒸汽;弹头出膛后,膛内燃气流出并与水蒸汽掺混,将弹头包裹;弹头远离膛口后,燃气射流继续膨胀,头部呈锥形;弹头表面不断空化产生水蒸汽,形成超空泡,同时在弹头尾部会留下细长的气柱。在实验基础上建立二维多相流模型,采用流体体积函数多相流模型和标准k-ε湍流模型,结合动网格及用户自定义函数技术,对实验工况进行数值模拟。结果表明：弹道枪水下全淹没式发射时,高度欠膨胀的火药燃气出膛口后,形成了包含两个瓶状激波的复杂波系结构;弹头出膛后,在膛口流场区域内不断加速,随着弹头远离膛口流场区域,弹头速度不断衰减。     

超高射频火炮发射过程仿真分析

针对串联预装填超高射频火炮的特点,建立了膛内火药燃气排空过程的计算模型,详细分析了后随弹丸弹前残余火药燃气的压力变化过程,并对弹前压力、弹后空间变化情况下弹丸运动规律进行计算.研究了3发弹丸以不同发射间隔序贯发射时的内弹道过程,对其规律和约束条件进行讨论,分析了发射频率对膛压和膛口速度的影响,弹前压力是影响超高射频火炮内弹道性能的关键因素,在发射间隔一定的情况下通过对超高射频火炮的调整和设计可以取得较好的内弹道性能.     

含动边界的膛口流场数值模拟

膛口流场是一种非定常、多相并带有强激波间断和剧烈化学反应的复杂流场.采用基于局部网格重构法的非结构动网格技术处理弹丸运动造成的网格变化,给出一系列按时间顺序排列的膛口流场数值计算结果,描述了复杂的膛口流场形成发展过程,实现了含运动弹丸的膛口流场的数值模拟.结果表明,在弹丸射出初期弹丸在影响膛口流场的同时,也受膛口流场的影响,速度增加,弹丸穿出冲击波后,出现弹头激波,速度减小.计算结果与实验结果相符合,表明数值计算方法是合理可行的.     

基于ALE方程及嵌入网格法的膛ロ流场数值模拟

采用基于ALE( Arbitary Lagrangian-Eulerian)方程的动网格和嵌入网格法及二阶精度Roe方法，对膛口流场进行了数值模拟。根据数值结果，详细讨论了初始流场、火药燃气流场的形成与发展以及与弹丸的耦合和相互作用过程，并与膛口流场的实验阴影照片进行了对照，两者在定性上是吻合的。     

某突击炮炮口流场数值模拟研究

为研究突击炮发射时对炮口周边远、近场响应的影响,进行了某突击炮炮口流场数值模拟与分析。针对突击炮发射穿甲弹的高初速、高炮口压力特点,采用可压气体黏性流动的Navier-Stokes方程,建立炮口流场模型,采用Spalart-Allmaras湍流模型,应用Roe-FDS格式,结合动网格技术,在内弹道参数求解的基础上,进行突击炮炮口流场数值模拟。数值模拟结果得到了突击炮炮口冲击波超压分布与扩展特性,及炮口流场温度分布情况。炮口冲击波在远场的传播主要呈现衰减趋势; 在近炮口区域,受到膛内喷出射流的能量补充及强烈的相互作用,形成超压值较高的近场特性。研究结果对揭示突击炮炮口流场特性,预测炮口冲击波对装备与作战人员的危害具有参考价值。     

高压气体发射装置内弹道特性及膛口流场分析

根据非定常可压缩流动的Navier-Stokes方程和Spalart-Allmaras湍流模型,基于计算流体力学分析软件,采用动网格技术,对弹丸在气室高压气体作用下的运动规律及其流场特性进行了仿真。主要研究了4种不同气室初始气压下膛内平均压力、弹底压力、气室底部压力、弹丸运动参数的变化规律,进一步分析了在气室初压为2.5 MPa下不同时刻马赫数等值线的变化规律。研究结果表明：膛内气流存在振荡现象,气室底部压力、弹底压力变化具有波动性;气室初始气压的大小影响气室底部压力、弹底压力振荡幅度及弹丸出炮口速度;弹丸在管内运动速度及运动时间随距离变化的关系均近似抛物线分布。     

考虑化学反应的大口径火炮炮口流场特性

大口径火炮由于其装药元件复杂,装药量较大,发射过程中产生炮口冲击波及炮口焰的问题较为严重,容易对人员或设备造成损伤。为研究炮口焰的生成等炮口流场特性,以某155 mm 口径火炮为模拟仿真对象,针对射击过程中高速、高压、高温且与外界环境发生复杂的化学反应等特点,建立化学反应模型。同时,又考虑到弹丸射出过程中会与身管壁面产生微小扰动的现象,建立雷诺平均Navier-Stokes方程、k-ε湍流模型。根据所建立的炮口流场模型模拟在不考虑初始流场的条件下弹丸出炮口后炮口流场的形成及发展过程,数值分析结果清晰地展现了马赫盘、冲击波、入射激波等复杂的波系结构以及炮口焰,尤其是二次焰的产生过程。数值计算结果与实际试验结果进行对比,发现火球的形状及大小吻合度较高,误差不超过8%,为大口径火炮射击过程中降低炮口冲击波、烟、焰等有害现象提供了理论参考。     

带有不同膛口装置的流场仿真分析

针对火炮射击时炮口压力大而导致的振动问题,设计4 种不同结构的膛口装置。通过将火药燃气引入装 置内进行膨胀再排出的方式降低装置周围的压力,结合动网格技术对安装不同装置的膛口流场进行数值模拟,通过 对比无装置时炮口周围压力的下降程度来判定各装置的效果,并根据数值仿真结果对不同装置的降压效果进行分析。 计算结果表明：与无装置时相比,安装膛口装置后炮口周围压力明显降低,对该装置结构的进一步设计具有一定的 参考价值。     

炮口阻拦装置设计与脱壳过程数值模拟

为了实现弹托与弹丸在炮口处的快速分离,设计了一种平衡炮炮口阻拦装置,该装置采用了剪切螺栓和阻拦环的方式,有效避免弹托冲击对阻拦装置和炮管造成的损坏。应用该装置进行了320 mm平衡炮低速加载试验,并利用Autodyn软件对脱壳过程进行数值模拟研究。数值模拟与试验结果的对比分析,验证了数值模拟的准确性。探讨了该炮口阻拦装置用于弹托分离试验的可行性,采用该软件模拟了不同初始速度下炮口阻拦装置的工作性能。结果表明:当速度为100～150 m/s时,弹托分离效果较好; 该炮口阻拦装置设计合理,弹托分离效果理想; 可根据初速设计合理的阻拦装置,为相关研究提供理论参考。