二维粘性CE/SE方法在两相流内弹道计算中的应用

根据CE／SE方法思想,构造粘性二维两相流动的CE／SE数值计算的格式。采用此格式对膛内二维粘性两相流动点火过程进行数值计算。计算结果反映实际规律并和试验结果符合,结果表明,对中心点火方式,在点传火过程初期,膛内压力在径向上存在较大的压力梯度,当火药全部着火后,药室内压力逐渐趋于一致。同样也表明CE／SE方法能够完全模拟瞬态二维两相流动的情况。     

激光多点点火二维两相流数值模拟

激光点火技术是一种新型点传火技术,为了研究激光多点点火对膛内压力波动、燃烧稳定性等的影响进行了数值模拟。以某短身管30 mm火炮激光点火过程为研究对象,建立了二维两相流数学物理模型,采用MacCormack两步预估校正差分格式及"运动控制体"运动边界处理方法实现数值计算。数值计算结果与实验有较好的一致性,对激光点火系统设计具有参考意义。     

抗高过载装药结构爆轰点火内弹道两相流仿真

为了研究抗高过载装药结构下采用爆轰点火时火药颗粒的运动和燃烧情况,以及此种装药结构下的点传火特性,在试验研究的基础上,建立了抗高过载装药爆轰点火过程的轴对称二维两相流计算模型.通过编程计算求解了高装填密度下,点火过程中药床内各物性参数的变化情况,依据计算结果列出了部分典型时刻的压力分布图和固相空隙率分布图.通过对点火过...     

大口径长药室平衡炮发射装药多点点火特性

针对大口径长药室平衡炮内药量大,轴向点传火距离长,点传火条件复杂等问题,对设计的多点点传火结构建立了两相流计算模型。控制点火位置发火的数目,得到了几种传火管内的火药流动过程和燃气释放规律。对同一规格的传火管在相同装药量下,分别采用单点点火、两点点火及多点点火三种方式点火,对所得到的点传火时间、点传火压力及空隙率等反应点传火特性的特征量进行了对比。结合大口径平衡炮多点点火试验结果,验证了多点点火技术的计算结果。结果表明,单点点火和两点点火在3.3 ms左右仍有火药仍未点燃并出现明显堆积现象,而多点点火在2.43 ms时火药已经接近全部燃完,且各特征量分布较为均匀。为此,在大口径长药室平衡炮以及其它一些装药量大的大口径火炮中采用多点点火技术可以有效改善传火时间,增加点传火安全性,抑制火药堆积。     

某制导炮弹二维两相流内弹道性能分析与数值模拟研究

为了研究某制导炮弹二维两相流内弹道性能,简化两相流多维数值模拟中弹底运动边界处理的复杂性,提高运动边界处的计算精度,建立了基于任意拉格朗日欧拉方法的某制导炮弹内弹道二维气-固两相流模型,空间上采用具有TVD特性的高阶MUSCL类型的有限体积法对方程进行离散,时间方向采用4阶Runge-Kutta方法进行时间推进。通过拥有解析解的数值验证算例,验证了数值格式以及动网格生成方法的准确性。对某大口径制导炮弹内弹道膛内循环过程进行二维两相流数值仿真。模拟结果准确地反映了整个内弹道循环膛内两相流动特性及其发展过程,并与实验结果有较好的一致性。同时分析了不同点火因素对该制导炮弹内弹道性能的影响,为后续深入优化该制导炮弹内弹道性能及发射安全性提供了理论基础。     

单模块装药膛内流场特性试验及数值仿真

模块装药是目前大口径加榴炮主要的装药结构之一。为了更加精确地研究单模块装药膛内燃烧的内弹道特性,分析膛内燃气流动及压力波变化规律,设计了模块装药燃烧模拟试验平台,并进行了单模块装药的膛内燃烧试验。根据模块装药的特点,分区域建立了模块装药轴对称二维两相流内弹道模型。基于高阶精度MUSCL（Monotonic Upstream-centered Scheme for Conservation Laws）格式,数值模拟了单模块装药药室内部点传火过程。结果表明,计算结果与试验结果吻合较好,不同测试点的压力曲线的计算峰值误差均低于4%,表明所建立数学模型和使用的计算方法能够较好地描述单模块装药药室内部燃烧过程。结果还发现,在t=5.0 ms前,由于模块未破裂,药盒端盖的阻隔导致主装药燃气无法及时向药室扩散,仅传火管燃气对膛内流场造成微弱的影响,这一时期药室内部压力最大值比传火管右端未破膜前仅上升约4.3%;当模块破裂后,模块与药室边界处存在3.05 MPa的压力梯度,使得火药燃气及固相颗粒沿轴向快速向药室自由空间流动,在弹丸底部区域形成较强反射压力波;随着时间的推移,压力波反复震荡,并逐渐减弱。     

点火管传火孔射流场数值计算

中心点火管传火孔射流场直接影响火炮膛内的点火传火过程。根据中心点火管的工作特征,建立了中心点火管传火孔射流场的二维/轴对称数学模型。依据CE/SE方法的思想,推导了二维CE/SE算法,用于数值计算传火孔射流场复杂波系的产生、演变与发展的过程。计算结果显示,传火孔射流场存在着激波和膨胀波等波系,并且相互影响,相互作用。计算表明,CE/SE方法具有很强的捕获强间断的能力。     

单组元粉末发动机内流场数值模拟研究

为了研究粉末发动机的工作特性,建立了以火药颗粒为燃料的单组元粉末发动机理论模型,采用CE/SE方法对粉末发动机内流场进行数值模拟。分析了初始颗粒粒径、初始固相体积分数以及堵盖对粉末发动机燃烧过程的影响。计算结果表明:颗粒初始粒径的减小和固相初始体积分数的提高均能提高发动机燃烧室内的压力; 固相体积分数对发动机内温度峰值影响不大; 在点传火阶段,堵盖能提高点火压强,堵盖打开压力越大,增压越明显。     

带有中心点传火管的燃气发生器两相流数值模拟

建立带有中心点传火管的燃气发生器的两相流数学模型。针对中心点传火管的点传火过程采用了一维两相流数学模型,管式燃气发生器的能量释放过程建立了二维两相流数学模型,通过气固交换建立了二者的耦合作用,并采用Mac Cormack 预估校正二步显格式编制了内弹道计算软件,进行了仿真计算,仿真计算结果与试验结果符合良好,验证了模型的正确性,为管式燃气发生器的结构设计及优化提供了理论基础;同时根据仿真结果对管式燃气发生器的能量释放过程进行了分析,结果表明均匀一致的点火条件是管式燃气发生器平稳释放能量的前提,点火能量的均匀释放才能保证燃气发生器内火药燃烧过程可靠,能量释放过程可控。     

轴对称两维颗粒轨道模型

建立了火药颗粒运动的两维颗粒轨道模型，用欧拉法这气相场，用拉格朗日法描述固相颗粒，并采用单元内颗粒源方法，对某中心点火结构３０ｍｍ火炮的点传火过程进行了数值模拟。     

磁场方向对圆筒结构内高温导电气体流动与传热特性的影响研究

火药气体在高温环境下会发生电离形成热等离子体,从而具有良好的导电性。针对高温火药气体对武器身管产生热烧蚀的问题,提出一种应用磁控等离子体降低身管内膛表面温度的方法。运用磁流体描述法构建高温导电气体在圆筒结构中的湍流耗散模型,研究了不同磁场方向对导电气体黏性效应及腔体壁面温度的影响,并采用红外热成像技术测试了同轴磁场对导电气体传热特性的影响。结果表明：与流动方向相垂直的磁场,可以有效地降低导电气体的湍流动能和湍流黏度,削弱其传热能力,并且流动分布出现各向异性特征,沿磁场方向的湍流动能和湍流黏度要低于垂直磁场方向;施加同轴磁场可以限制带电粒子的径向扩散,减少导电气体对圆筒壁面的传热量,从而降低壁面温度。     

圆柱型边界条件下多股燃气射流扩展形态的数值模拟

以整装式液体发射药火炮为背景,从气液两相湍流掺混出发,研究燃烧稳定性的方法。设计圆柱型观察室,采用数值模拟方法,基于流体动力学理论,分别模拟六股和八股燃气射流在圆柱型边界条件下的扩展。通过追踪燃气空腔的扩展,获得了射流场两相分布、流线分布及压力分布。模拟结果表明:2种工况下燃气射流的轴向位移相似,六股燃气射流外轮廓更为光滑,其径向发展强于八股燃气射流。八股燃气射流相互干涉对流场的影响较为剧烈,湍流掺混明显。2种工况下径向压力分布对比明显,轴向压力分布相似。     

Application of Two-dimensional Viscous CE/SE Method in Calculation of Two-phase Detonation

The method of two-dimensional viscous space-time conservation element and solution element (CE/SE) can be used to calculate the gas-liquid two-phase interior flow field in pulse detonation engine (PDE). In this paper, the evolution of the detonation wave and the distribution of its physical parameters were analyzed. The numerical results show that the change of axial velocity of gas is the same as that of detonation pressure. The larger the liquid droplet radius is, the longer the time to get stable detonation wave is. The calculated results coincide with the experimented results better.     

脉冲爆轰发动机管壁传热特性的数值研究

为了探究爆轰过程中燃烧室管壁的传热特性,采用CE/SE方法和有限差分法分别对气液两相脉冲爆轰发动机(PDE)内流场及燃烧室管壁的传热问题进行了数值计算; 运用能量平衡法解决了内流场与管壁传热之间的耦合传热问题。计算结果表明,对于燃烧室内任一截面,爆轰波扫过或膨胀波到来时,对流换热强度大,内壁面温度上升快; 单次爆轰时,爆轰波所在区域温度高达2 000 K,管壁靠近内壁面的区域径向上存在较大的温度梯度,靠近外壁面的区域温度几乎没有变化; 当燃烧室管口压力恢复到环境压力时,从PDE头部到尾部,管壁内壁面温度逐渐升高,热量传递区域厚度逐渐增大。     

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。     

底排点火具射流特性对点火延迟时间的影响

为了研究底排点火具射流特性对底排药柱点火延迟的影响,基于一种两相流点火理论模型和一定的假设条件,针对某155 mm底排弹出膛口后的二次点火过程及点火射流特点,就底排点火具的两相射流点火过程进行了数值模拟.计算得到了点火软化和延迟时间,给出了底排药柱着火燃烧前的径向温度分布情况,分析了点火射流温度、固相颗粒直径、颗粒相浓度参数变化对点火软化时间和点火延迟时间的影响,研究结果对指导点火具和底排药柱的改进设计具有参考价值.     

考虑管状药束轴向运动的大口径平衡炮二维内弹道模型的建立与仿真

传统的两相流内弹道模型将火药颗粒作拟流体假设,对于采用长管状药装药的大口径高速平衡炮来说误差较大。为解决这一问题,针对管状药模块化装填的某480 mm口径高速平衡炮提出在欧拉坐标系中考察火药气体的流动情况,在拉格朗日坐标系中追踪管状药束的运动规律;同时针对药束径向运动方程难以建立的问题,提出药束沿径向线性排布药束的思想,建立了考察管状药束沿轴向的运动规律并能够描述火药气体沿轴向和径向的流动情况的内弹道模型,编制程序进行了数值模拟。通过计算结果与试验结果的对比分析,证明了建立的模型有效,得到了火药气体在轴向和径向的压力分布以及药束模块的运动轨迹,为平衡炮内弹道性能的深入研究提供了新的思路。     

密实装药床中点火火焰传播特性的实验与数值研究

以某火炮密实装药为背景,为了研究在中心点传火结构下装药床中点火火焰的传播特性,设计并使用了可视化半密闭爆发器式模拟实验装置。考虑到实验安全性,装置中以尼龙假药粒床来替代真实发射药,通过高速摄影系统拍摄了装药床中点火火焰的传播过程。实验结果表明,点火火焰在前期主要体现为径向传播,直至火焰气体受到药室壁面的约束,径向传播减弱而轴向扩展成为主要特征。基于实验,结合多孔介质模型建立了装药床中点火燃气流的二维轴对称传播模型,并利用FLUENT软件对点火火焰的流动过程进行了数值模拟。将气体高温面等效为火焰面,数值计算得到的气相温度场云图与实验拍摄的火焰图像对比基本吻合,火焰轴向位移的数值结果与实验结果相差不超过7.14%,并由数值计算的火焰位移曲线得出装药床中火焰轴向传播的平均速度为14.1 m/s。     

基于三维两相CE/SE方法的点火位置对固体燃料PDE的影响研究

针对固体燃料的燃烧、爆轰在火箭发动机和火炸药领域的广泛应用,以铝粉/空气为例,在考虑其化学反应特征的基础上,建立了气固两相管内爆轰三维数学模型,并采用守恒元-求解元方法(CE/SE方法)求解。推导了三维两相含组份变化的雅可比矩阵。在经过编程计算之后,对其结果进行分析。结果表明:无论是采用哪种点火位置,都可以实现稳定爆轰。当采用壁面位置点火时,压力峰值出现的时间总是早于温度峰值出现的时间;当采用中心位置点火时,压力峰值与温度峰值到达的时间一致。计算结果对固体燃料PDE的研究具有一定的指导意义。