基于动网格CFD技术的膛口弹前激波流场数值模拟

针对数值模拟弹丸膛内加速运动造成的网格变化,采用分块网格划分的整体运动处理方法和基于动态层变方法的结构动网格技术,保证了数值网格的质量。模拟弹丸膛内运动的弹前激波流场,并描述了激波流场的形成,发展过程,实现了含运动弹丸的膛口激波流场模拟。数值计算结果与实验照片进行对比,弹前激波流场的形状和位置能较好吻合,表明数值模拟方法是合理可行的。     

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.     

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。     

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。     

某迫击炮炮口流场数值模拟与分析

为研究迫击炮超压值对人体的影响,模拟了弹丸出炮口后的流场.考虑了炮膛与弹丸定心部间隙的内弹道经典模型,计算内弹道参数.根据内弹道计算结果初始化弹丸在炮口时的膛内流场,然后模拟膛内气体流空形成的炮口流场,过程引入了火药气体与弹丸运动的耦合作用.计算过程采用分块网格的整体运动处理方法和结构化网格动态层变方法.计算结果捕捉到清晰瓶状激波系,详细分析了炮口周围不同监测点的超压值及膛内气体流空过程,对炮口冲击波的研究具有指导意义.     

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。     

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。     

膛口装置对双联自动机弹丸飞行姿态影响研究

为研究双自动机并联发射时膛口气流对弹丸出膛口后飞行姿态的影响,设计了新型炮口装置.对某双自动机并联发射时膛口流场进行数值模拟,结合膛口流场模拟结果分析了带炮口装置前后膛口流场对弹丸出膛口后运动姿态的影响.未装炮口装置时因膛口流场影响弹丸产生的偏移速度为2.586 m/s,安装新型炮口装置后弹丸偏移速度为1.564 m/s.新膛口装置可显著减小膛口气流对弹丸出膛口后运动姿态的影响,有利于提高武器系统的射击精度.     

一体化弹丸脱壳数值仿真研究

一体化弹丸的弹体、弹托的连接方式和结构参数直接影响着其脱壳进程,进而影响其飞行稳定性和效能。为研究一体化弹丸膛口初始弹道的行为状态,建立了一体化弹丸脱壳流场模型,基于流体力学控制方程和外弹道六自由度(6DOF)运动方程,在Fluent中利用光顺法和局部重构法的动网格技术,对一体化弹丸的弹托在空气动力作用相对于弹体分离的流场进行了数值模拟,得到了在整个过程中流场分布和相关的气动参数。该仿真结果为一体化弹丸的结构设计提供参考。     

埋头弹火炮高效低危害炮口制退器的实验研究

为降低埋头弹火炮发射过程中炮口制退器产生的冲击波危害,设计了高效低危害炮口制退器的实验装置。通过对比射击实验,将新型高效低危害炮口制退器与原炮口制退器性能进行了对比。实验结果表明：高效低危害炮口制退器能够有效减小火药燃气的侧向流动;同时降低流场中冲击波的强度,炮手位置冲击波强度减小了61.4%,大大降低了射击过程中冲击波对炮手的危害。在高效低危害炮口制退器基础上使用了消声碗,虽然炮口冲击波强度略有增强,但制退器的制退效果得到显著改善。     

磁阻线圈型电磁发射器的动态仿真与实验

运用有限元分析软件Ansoft10对磁阻线圈型电磁发射器工作过程进行了数值仿真,分析了发射过程中的弹丸受力分布情况,并利用磁阻线圈型电磁发射器实验平台开展了发射实验研究;实验结果和仿真结果有较好的符合程度,得出以下结论：合理采用炮管材料可以实现发射过程的电磁屏蔽;弹丸在炮管中运动时,受力均匀,弹丸可以稳定地被加速;在一定范围内增大电源电压,弹丸速度会明显增大;线圈发射过程中出现了反向电压,尤其当弹丸速度较大时,电流波形出现明显下滑。     

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。     

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。     

增强型电磁轨道炮电枢轨道接触特性研究

为研究增强型电磁轨道炮电枢轨道接触特性,通过实际发射试验得到炮口电压、轨道电流、电枢速度和位移等数据以及发射器机械结构的实际参数。在分析电枢在膛内运动过程的基础上,建立了接触电阻与炮口电压、轨道电流、电枢速度、电枢位移等物理量之间的数学模型。进一步分析了在互感系数不同情况下电枢的接触电阻变化规律。将该变化曲线与试验轨道三维建模模型损伤图形和实际发射试验后轨道图像进行比较,发现轨道烧蚀和摩擦损伤情况随着电枢位移和接触电阻变化呈现烧损、滑动和磨损等典型特征,为预测轨道损伤提供了参考依据。     

提拉缸式鱼雷发射装置内弹道建模与试验

为解决水面舰艇鱼雷发射作战准备时间长,载弹保障能力差的问题,提出了一种水面舰艇提拉缸式鱼雷发射装置方案。采用Simulink和Adams联合仿真的方式,建立发射装置高压空气发射过程的动力学模型,进行仿真分析,并基于小型原理样机对仿真结果进行了试验验证。仿真和试验结果表明：在气瓶压力为25 MPa时,发射过程中提拉缸峰值压力为9.3 MPa,整个装置零部件间最大接触力为66.6 kN,鱼雷出管速度达到14.7 m/s,最大加速度为236 m/s²,发射时间为0.14 s;研究结果验证了以提拉缸为动力组件的轻型鱼雷发射方案是可行的。     

连续电磁发射过程中轨道受力分析

获取电磁轨道发射器轨道受力特性是分析轨道材料失效机理及极限安全连续发射边界的前提。通过建立电磁-温度-应力多物理场耦合计算模型,得到了动态发射过程中包括电磁力、温度应力和预紧力的多成分轨道应力载荷时空分布特性。分析结果表明：轨道受到的电磁力载荷在脉冲电流平顶沿电枢经过位置基本上均为峰值;轨道热量主要集中于电枢运动起始段,且热量密度在脉冲电流上升段结束时刻附近电枢经过位置达到最大值;轨道在脉冲电流上升段结束时刻附近电枢经过位置受力最为严酷;喷淋冷却可有效降低轨道中的温度应力;最优的预紧力大小以恰好满足动态发射时轨道与绝缘支撑体不分离使身管保持整体式稳定结构为判据。     

基于FLUENT软件和内弹道模型双向耦合的超高射频火炮发射过程模拟

弹头阻力计算的准确性直接决定了超高射频火炮内弹道数值模拟的准确性。为了提高超高射频火炮内弹道过程数值模拟的准确性,利用二次开发工具UDF将FLUENT软件和经典内弹道（CIB）模型双向耦合计算超高射频火炮弹前流场,得到了超高射频火炮发射过程中第2发弹丸的弹头阻力,分析了不同射击频率下弹头阻力的变化规律。结果表明：FLUENT-CIB模型双向耦合计算能够得到弹前身管内火药气体各个时刻的流场分布,提高了弹头阻力计算的准确性;弹头阻力在弹丸启动后很快由减小变成增大,增大到某个极大值后又逐渐减小,直到弹丸出炮口,这个变化规律在不同射击频率下普遍存在;射频降低,在弹丸运动前期弹头阻力增幅减小,在弹丸运动后期弹头阻力降幅也减小。弹头阻力计算的准确性直接决定了超高射频火炮内弹道数值模拟的准确性。为了提高超高射频火炮内弹道过程数值模拟的准确性,利用二次开发工具UDF将FLUENT软件和经典内弹道（CIB）模型双向耦合计算超高射频火炮弹前流场,得到了超高射频火炮发射过程中第2发弹丸的弹头阻力,分析了不同射击频率下弹头阻力的变化规律。结果表明：FLUENT-CIB模型双向耦合计算能够得到弹前身管内火药气体各个时刻的流场分布,提高了弹头阻力计算的准确性;弹头阻力在弹丸启动后很快由减小变成增大,增大到某个极大值后又逐渐减小,直到弹丸出炮口,这个变化规律在不同射击频率下普遍存在;射频降低,在弹丸运动前期弹头阻力增幅减小,在弹丸运动后期弹头阻力降幅也减小。