环状喷口对底排尾部流场影响的数值模拟

为了增强底排尾部流场中增压减阻的效果,提出一种环状喷口模型。采用有限体积法编程求解二维轴对称Navier-Stokes方程,对底排尾部流场进行数值模拟。数值模拟和底排实验进行对比验证,结果较吻合。在此基础上,数值研究环状喷口对底排尾部流场的影响。结果表明,随排气参数增大,环状喷口模型的底压始终高于圆孔喷口模型的底压。和圆孔喷口相比,环状喷口能削弱环状回流区,使底排气体更容易流入剪切层,避免引射现象的发生。环状喷口越靠近底部边缘,底排的增压减阻效果越好。     

瞬态泄压条件下不同喷口结构的底部排气弹尾部流场特性

为了分析底部排气（简称底排）弹出膛口时,底排燃烧室瞬态泄压过程中喷口结构对底排弹尾部流场特性的影响,采用改进的对流迎风矢通量分裂（AUSM+）格式、SST k-ω湍流模型,编程求解二维轴对称Navier-Stokes方程。通过数值模拟方法研究环型喷口和圆孔型喷口底排弹尾部流场结构和特征参数变化,对比分析了不同喷口尺寸下的底排弹尾部流场特性。计算结果表明：在泄压过程中,圆孔型喷口尾部流场由高度欠膨胀射流发展为亚音速射流,而环型喷口尾部流场由高度欠膨胀环状射流在中心轴线上挤压形成中心射流后,再发展为亚音速环状射流;环型喷口在泄压后期有效削弱船尾拐角处的膨胀波,流线更为平滑;在泄压中后期,环型喷口底部平均静压和平均静温更高,增压减阻效果更好;同种喷孔排气面积比越大,降压速率越快,压力回升过程越慢,但排气面积比对泄压过程末态流场参数影响较小。     

超声速流动中底部排气减阻的数值研究

为了研究超声速流动中底部排气减阻特性,采用高精度的AUSMPW+迎风格式、k-ω SST湍流模型、8组分12反应化学动力学模型、二阶矩湍流燃烧模型耦合求解三维带化学反应的Navier-Stokes方程。在数值方法的有效性和可靠性经过验证后,对超声速流动底部排真实气体流场进行了数值模拟。计算结果表明：随着排气参数的增大,底压比将先增大后减小,然后再增大;当排气参数较小时,底压比基本不随排气面积的改变而改变。当排气参数较大时,底压比随着排气面积的增大而增大;在最佳排气减阻区内,提高排气总温对提高底压比是有利的;底部排气中富燃气体含量越高,则二次燃烧越强,有利于提高底压比。研究结果可为底部排气弹工程应用提供参考。     

瞬态泄压过程中二次燃烧对底排装置尾部流场影响的数值分析

为了研究瞬态泄压过程中二次燃烧对底排弹尾部加能的影响,建立了底排装置瞬态泄压过程中尾部化学非平衡流的数学物理模型。采用对流迎风矢通量分裂格式(AUSM+)的改进格式、切应力运输湍流模型SST k-ω模型和8组分12步反应的H2─CO反应动力学机理,运用统一算法的思路编程求解二维轴对称Navier-Stokes方程,对尾部流场进行数值模拟,得到泄压过程中底排燃烧室压力随时间的变化规律,模拟结果和文献实验结果基本吻合。在此基础上对泄压过程中有无二次燃烧两种条件下的尾部流场进行数值预测,分析了泄压过程中底排装置尾部流场特征参数随时间的变化规律。结果表明,泄压过程前期,二次燃烧对尾部流场影响较小。而在泄压中后期,二次燃烧对尾部流场影响较大,此时,尾部流场特征参数更快趋于稳定,且二次燃烧使尾部流场温度提高,加能效果显著,底压增大,底排弹底阻明显减小,减阻率比不含二次燃烧的减阻率提高了75%。     

药柱燃速对底排工作过程及底排弹射程影响的数值模拟

为了研究底排药柱燃速对底部排气弹底排装置工作过程和射程的影响,采用计算空气动力学和质点外弹道学耦合的方法求解底部排气弹的飞行弹道,研究了底部排气弹在整个减阻阶段底排装置工作参数、工作状态、底排流场等随时间的变化,分析了药柱燃速对底部排气弹工作过程和射程影响。结果表明:数值模拟结果与制式底部排气弹靶场试验结果吻合,说明建立的计算模型合理;燃速调整系数由0.8提高到1.2时,燃烧时间由36.8 s减少到18.4 s,射程由38.12 km下降到36.21 km,增程率由33.32%下降到26.64%;不同底排药柱燃速的底部排气弹在减阻阶段的排气参数均随时间的增加而呈先增大后减小的趋势;采用高燃速底排药柱的底部排气弹排气质量流率相对于低燃速的底部排气弹较大,但减阻效果并没有明显提高。     

基于计算流体力学与质点弹道耦合的底部排气弹工作过程以及射程预示

基于计算流体力学的优点以及目前底部排气弹射程预示问题,采用计算空气动力学和质点外弹道学耦合的方法求解底部排气弹的飞行弹道,获得在整个减阻阶段底部排气弹底排装置工作参数、工作状态、底排流场等随时间的变化规律。研究结果表明：不同海拔发射的底部排气弹在减阻阶段的排气参数均随着时间的增加而呈增大的趋势,但在减阻末阶段,变化趋势变缓;随着海拔高度的增加,阻力系数随时间的增大而增加的趋势变得平缓,甚至会出现下降的趋势;在海拔0 km发射的底部排气弹在减阻阶段前期,底排装置以底排减阻模式工作,到减阻阶段中后期,底排装置的工作模式介于底排减阻模式和火箭增程模式之间。     

环境压力降低对底排二次燃烧影响的数值模拟

为了揭示高空低压环境下底排减阻率减小的机理,建立底排装置尾部流场的化学非平衡流数学物理模型。其中二次燃烧模型采用10组分25步反应的H₂-CO燃烧模型,运用统一算法的思路编程求解二维轴对称方程组,对底排尾部流场进行数值模拟。模拟结果和实验进行对比验证,基本吻合。在此基础上,对底排尾部流场以及燃烧特性进行数值预测,研究环境压力降低对底排尾部二次燃烧的影响。结果表明：二次燃烧对底部加能的贡献是热排气的6.4倍,是底排加能减阻的关键;随着环境压力的降低,模型尾部的环状回流区内H₂的燃烧效率逐渐降低,中间产物H逐渐增多,燃烧逐渐变得不充分,导致底排减阻率明显下降。     

底排参数对底部排气弹弹道特性的影响

为研究不同底排条件下底部排气弹的弹道特性,探讨了底排药剂燃烧和减阻机理,建立了底排内弹道和外弹道模型,分析了底排装置结构参数和药剂燃速系数等对底部排气弹减阻增程效果的影响;结果表明：一定范围内药柱长度的增加能显著提高增程率,但药柱长度过长会由于燃气的引射作用降低增程率;减小药柱内径和增大喷口直径可以提高底部排气弹增程率;分瓣数的增加对提高增程率有较大作用,但应考虑对工程实现的影响;研究范围内存在最优药柱长度和燃速系数;总阻减阻率随着底排工作时间总是经历一个先增大后减小的过程。     

排气能量对底部排气弹气动特性影响的数值模拟

远程压制武器在现代战争中的作用越发凸显,各种增程技术成为现代火炮技术研究的重要方向,而底排减阻是重要的方法之一。底排药剂燃烧产生的气体含有相对较高的能量,重点研究底排气体能量对底部排气弹气动力特性的影响。建立底排能量边界条件,采用添加人工粘性项的MacCormack差分格式求解三维Euler方程组,数值求解绕底部排气弹弹丸流场,得到底部阻力等气动力系数。分析表明,能量是影响底部排气弹气动力特性进而影响减阻增程效果的重要因素之一,在一定条件下提高底排气体温度,有利于增大弹丸射程。研究结果可为进一步研究底部排气弹减阻增程提供参考。     

一种两相流点火模型及数值模拟

底排点火具对底排药剂点火的不一致性是引起底部排气弹射程散布的重要因素之一。为了研究导致点火不一致性的因素和揭示点火机理,分析了某155 mm底部排气弹出膛口后点火具对底排药柱二次点火的过程和特点。基于气体—颗粒两相射流理论,提出了一种两相流强化点火模型。该模型综合考虑了纯燃气与两相射流耦合过程,以及固体—气体或液体—气体两相流对固体底排药的热辐射、热对流和热传导复合传热机制。针对底排装置出膛口后的二次点火过程进行了数值模拟,计算得到了底排药剂软化时间和点火延迟时间,数值模拟结果与实验结果基本吻合。该模型对固体火药类似点火过程具有普适性。     

底排弹排气率测控与底排流场测量

利用底排减阻是弹丸设计中的一个重要课题。在风洞中模拟底排实验，通过测量和充量计前介质总压，获得了较高准确度的底部排气率。在此基础上，用差压法进一步测量了模型底部燃烧尾迹区轴线上的皮托压力和静压。     

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。     

底排推进剂瞬态泄压工况下燃烧流场特性的数值模拟

针对底排弹出炮口泄压瞬间燃烧失稳问题,建立了AP/HTPB底排推进剂燃烧流场的二维轴对称非稳态模型,通过数值模拟获取了底排模拟装置在瞬态泄压工况下的流场特性。结果表明: 在泄压过程中,燃烧室内压力、密度和温度沿轴向迅速下降,速度沿轴线迅速升高,且各流动参数的变化梯度逐渐减小;底排推进剂燃气的加入导致燃烧室内密度沿径向降低,而温度沿径向升高;燃烧室内压力随时间变化的计算值与实测值吻合较好。     

底部燃烧减阻性能的若干参数影响研究

介绍了采用部分予混合可燃气为介质的底排燃烧实验研究结果．包括排气率、来流马赫数、喷口尺寸、排气温度和旋转排气螺旋角等参数和对底排减阻性能的影响     

底排装置在压力跃变条件下的燃烧控制

为研究底排装置在压力跃变条件下的燃烧机理,实现底排燃烧控制,采用半密闭爆发器进行了模拟底部排气弹出膛口后底排药剂燃烧环境压力突然降低的试验.结果表明在压力跃变的过程中底排火焰首先熄灭;在最初130 ms内,底排装置的喷口处为超音速流动或临界流动;在点火具火焰的持续作用下,底排药剂反应表面建立起新的传热与化学反应平衡;约780 ms时底排喷口恢复稳定的燃烧与喷射.研究表明在底排喷口加装燃烧控制块能有效减缓压力跃变对底排药剂燃烧过程的影响,恢复稳定燃烧的时间显著缩短,为提高底部排气弹的纵向射程分布找到了一种新的技术途径.     

底排冷空气排气参数对模型底部流场的影响

论述了底排冷空气条件下，排气率和排气口尺寸对模型底部中心线上压力分布和速度分布的影响．由实验结果可以看出，排气率和排气口尺寸对减阻率的影响主要是通过改变底部回流区的结构，进而影响混合层与外流的相互作用来实现的．     

微孔阵列式绕回转体气泡减阻实验研究

为了研究回转体模型气泡减阻变化规律,深入了解通气两相流场的流动特性,采用高速摄像观察系统及测力系统相结合,进行了微孔阵列式绕回转体气泡减阻实验研究。结果表明：根据气泡沿下游发展过程中出现的不同流动形态,可将通气两相流场划分为3个区域：稳定区、脉动区、回流区;随着通气率的增加,稳定区及脉动区空泡份额增加,模型摩擦阻力持续减小,直至饱和通气率;回流区分离点向下游移动,尾部压力增加,至突变临界通气率处,回流区流动形态发生突变,流动介质由水气混合转变为气体为主,致使尾部压力出现突增,继而导致气泡减阻率出现突增。     

高速旋转底部排气弹的三维流场数值模拟与分析

为研究高速旋转条件下底部排气弹的减阻特性,运用滑移网格技术进行底部排气弹三维流场的数值模拟。研究了不同转速条件下底部排气弹的减阻特性,分析了旋转效应对减阻性能的影响以及一定阻力系数下排气参数与弹丸转速的约束关系。研究结果表明：同一个排气参数下,阻力系数随转速增大而减小;同一个转速下,阻力系数随排气参数的增大呈现先减小、后增大的变化规律;高速旋转使得底部排气弹具有更好的减阻效果;减阻期望一定时,排气参数与弹丸转速呈现此消彼长的关系,对于确定转速的底部排气弹,存在着最优的排气参数。     

来流和尾焰相互作用对导弹底部加热的数值仿真研究

为研究导弹飞行时,来流和尾焰相互作用对导弹底部的加热特性,对不同飞行参数和喷管摆角下导弹燃气射流流场进行了三维数值仿真研究,分析了导弹底部区域流场温度和流动参数的分布特点。研究结果表明,导弹飞行过程中,空气来流和喷管燃气射流相互作用,在导弹底部区域形成低速回流区,回流区内气体温度随导弹飞行高度、速度增加而上升。相比无摆角时,喷管摆角的存在使导弹底部回流区气体温度升高,喷管摆角越大温度升高越多。导弹在高空高速飞行和存在较大喷管摆角时,导弹底部加热较为严重,需采取适当的热防护措施。     

底排装置瞬态泄压过程数值模拟

为了研究底排弹出膛口到自由飞行阶段膛口流场发展过程以及弹丸底部参数变化,采用二维轴对称平均N-S方程和一方程S-A湍流模型研究了底排弹出膛口过程中近膛口以及底排装置内腔的流场特性。同时为了进行验证对比,研究了普通弹丸出膛口过程的近膛口流场特性,底排弹以及普通弹丸的运动通过FLUENT软件中网格的动态铺层得以实现。获得了清晰的外流场波系结构以及底排装置内腔的压力及温度的变化规律,计算结果表明,普通弹丸出膛口过程的近膛口流场波系结构与实验图片相符,证明了本文采用的数值方法的可行性,计算结果为底排装置内（燃烧室）固体燃料的非稳态燃烧过程以及固体燃料的力学性能的分析提供了丰富的数据参考,同时为膛口流场的研究提供了参考。