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。     

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。     

枪口压力对水下发射膛口流场特性的影响

为了研究机枪水下发射枪口燃气喷射压力对膛口流场分布特性的影响,基于流体计算软件FLUENT,采用结构化网格并结合动网格技术,建立了水下枪膛口流场二维轴对称仿真模型,针对14.5 mm水下枪,分别采用30 MPa、45 MPa和60 MPa燃气喷射压力对水下密封式发射膛口流场进行了数值模拟。计算结果表明:3种枪口喷射压力条件下,火药燃气喷出膛口后都迅速形成射流膨胀区,膛口轴向压力急剧衰减,燃气扩展过程中受到水和弹丸的较大阻力,在弹后空间聚集,使得压力有不同程度的升高; 燃气喷射压力在30～60 MPa范围内,膛口马赫盘初步形成的时间略有不同,约在145～152 μs之间,压力越小时,马赫盘形成越早且弹丸越早脱离火药燃气的包围; 3种压力条件下马赫盘距离膛口中心位置随时间的变化都呈指数分布规律。     

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。     

航炮吊舱偏流装置的膛口流场数值模拟

为减小安装于机翼下的吊舱航炮膛口流场对机翼的危害,根据国外先进的航炮吊舱偏流装置结构,设计了一种带斜切角的航炮吊舱偏流装置,基于三维Euler方程并结合流体力学计算软件,应用重叠网格技术,分别对有、无偏流装置时的膛口流场进行了数值仿真,其中在有偏流装置的情况下,分别对斜切角为0°,30°,60° 3种斜切角度的偏流装置膛口流场进行了仿真分析,主要研究了在不同斜切角度偏流装置下的非对称流场结构对机翼产生的危害。研究结果表明,此偏流装置将对称性流场变为了非对称流场,能有效降低火药燃气对机翼的冲击和灼伤,并且随着偏流装置斜切角的增大,效果越明显,起到了降低火药燃气的对机翼危害的作用。同时,通过对弹丸侧向速度的计算,得到了弹丸的侧向速度增量,弹丸的侧向速度主要由偏流装置的偏心结构和斜切角引起,随着斜切角的增大,弹丸侧向速度增量有先减小后增大的趋势,选择合适的斜切角能使弹丸侧向速度增量最小,保证了射击精度。     

膛口装置三维流场的数值模拟及制退效率计算

基于三维非定常Euler方程,结合高精度Roe格式以及结构化动网格技术,对弹丸飞离开腔式膛口制退器过程中膛口流场的发展过程进行了数值模拟.根据数值计算结果,讨论了制退器内流场复杂三维瞬态效应的主要特征,与膛口流场的试验阴影照片相吻;根据数值计算结果对开腔式制退器的制退效率进行了计算,其结果与相关试验计算结果相符.文中方...     

高速弹丸穿越不同制退器时的膛口流场波系结构研究

基于二维非定常Euler方程,结合高精度Roe格式及结构化动网格技术,对弹丸从膛底飞离不同膛口装置过程中膛口流场的发展过程进行了数值模拟。数值计算结果清晰地揭示了光膛口以及分别加装开腔式和多孔制退器后膛口流场的不同波系结构,同时计算纹影图清楚地显示了其与弹丸相互作用及演变过程。计算结果与本课题组先前相关试验阴影照片相符。另外,根据数值流场结果,详细探讨了制退器降低后坐冲量的机理与膛口周围超压区域的分布,为制退器改进设计提供重要参考。     

含高速运动弹丸的膛口二次燃烧并行数值模拟

采用多组分ALE方程时含有高速运动弹丸的膛口二次燃烧流场进行了数值模拟.采用网格局部重构的动网格技术处理了动边界引起的网格变化,对流项和化学反应项分别用HLLC格式和基元反应模型进行处理,在多台PC机组成的集群并行系统中,基于域分解的思想对膛口二次燃烧流场进行了数值计算.结果表明,基于网格结构重构的非结构动网格技术能够描述运动弹丸对膛口流场结构和性质的影响,分区并行算法提高了计算速度.     

膛口装置附近流场的数值模拟

结合高精度Roe格式及自适应网格技术,对加装不同膛口装置的膛口流场进行了数值模拟,揭示了膛口不同条件下的流场波系结构。根据数值流场结果,分析了制退器降低火药燃气对膛底冲击以及减少后坐总冲量的机理,可为其改进设计提供参考。     

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.     

内埋式航炮膛口流场特性数值模拟研究

为研究飞行速度对内埋式航炮膛口流场特性的影响,基于Navier-Stokes方程和k-ε湍流模型,采用Roe格式分别对4种飞行速度条件下的菱形机翼中内埋航炮膛口流场发展过程进行了数值模拟,对比分析了静止条件和超音速飞行状态下膛口流场的基本特征以及冲击波强度变化关系。结果表明：超音速飞行时形成由火药燃气冲击波、分离激波、滑移面等波系构成的膛口流场结构;在一定飞行速度范围内分离激波尺寸与来流马赫数正相关;膛口附近冲击波超压峰值变化与飞行马赫数有关。     

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...     

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。     

基于CFD的转管机枪助旋制退器流场超压仿真及对弹丸初速影响分析

为了研究转管机枪助旋制退装置流场超压特性及对弹丸速度的影响,运用经典内弹道方程求解流场边界条件,采用计算流体力学中的非粘性、非定常可压缩气体流动方程和动网格技术,对有、无膛口旋转制退装置的膛口流场进行了数值仿真,对弹丸的增速规律进行了计算。对2种情况的仿真结果进行了分析对比,结果表明:有助旋制退装置时膛口流场最大超压值增加约2倍,弹丸速度增加3.61 m/s。     

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。     

超大口径平衡炮膛口流场数值仿真与流动特性分析

基于有限体积法,采用二维轴对称标准k-ε湍流模型并结合动网格分层技术,以某大口径、高射速、大质量的平衡炮为例建立了膛口流场模型,利用二维轴对称气体动力学模型来计算弹前气体及膛口流场。模拟了膛口直径为480 mm平衡炮,在900 m/s发射速度下的膛口流场特性,仿真结果与试验中高速录像所拍摄到的燃气比较,结果符合相对良好。分析了膛口形成的马赫盘、冲击波等发展过程;并尝试了不含初始流场时情况与其作对比,发现初始流场对大质量、高射速的火炮膛口流场具有很大的影响,不可忽略。     

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。