空中爆炸问题的高精度数值模拟研究

针对空中爆炸初期强间断和爆炸后期接触间断物理特性,提出了虚拟流体方法（GFM）和真实虚拟流体方法（RGFM）2种界面处理方法相耦合的计算方法。在高密度比、高压力比同时存在的 爆炸初期和压力、密度及速度等物理量相接近的爆炸后期,分别采用RGFM和GFM对物质界面两侧物理量进行处理。采用Local Level Set方法对运动界面进行追踪,并用5阶高精度加权本质非振荡（WENO）格式和3阶TVD Runge-Kutta方法对控制方程进行离散,编制了空中爆炸数值模拟程序,应用该程序对不同高度近地面空中爆炸以及冲击波与挡墙相互作用问题进行数值模拟,模拟结果能够较好地反映空中爆炸中冲击波的产生、传播、反射、绕射及爆炸产物的膨胀等现象,并与经验公式和试验结果吻合较好。证明了该耦合方法能够模拟空中爆炸问题,并且爆炸波在传播过程中具有很好的对称性,为模拟高密度比、高压力比的多物质之间相互作用问题提供了有效的计算方法。     

水中多物质爆炸场的三维数值模拟

对水中爆炸的三维多物质数值模拟问题,采用基于有限差分的拉格朗日、欧拉相结合的方法,在矩形网格上离散差分控制方程组;在欧拉步中引入模糊方法处理界面,计算各输运量;用Fortran语言编程计算;用自主研发的可视化软件进行后处理,考虑了由爆轰产物、混凝土、水介质的多物质爆炸场,给出了二维截面和三维模拟结果、几个关键点的压力曲线。其结果与实际较为吻合,特别是冲击波在水中传播和混凝土挡墙在水中被炸毁的模拟的效果较好,证明数值方法有效而适用。     

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.     

无人机箱式发射助推火箭燃气流场数值模拟

对计算流体力学中的域动分层法动网格更新技术进行了阐述,并且应用该方法对无人机发射时的燃气流场进行数值模拟,得到全流场参数在三维空间上的时间分布.无人机每个时刻的运动速度事先根据推力曲线计算好,随着无人机的运动,根据相应变化的运动边界更新网格,并且计算新网格下的流场分布,相应的流场边界条件也会发生变化.通过分析计算得到的箱上各监测点的压力分布曲线,了解冲击波在箱体表面传播的过程和产生的影响,结果可以为工程应用提供有力的参考.     

激波绕射动态裂纹的数值模拟

文中通过耦合高精度加权本质无振荡格式和Level Set方法,实现了固体火箭发动机点火阶段运动激波与动态裂纹相互作用的数值模拟。考虑到移动网格技术在处理复杂界面以及界面拓扑变形时的困难,利用Level Set方法对不断推移的裂纹界面进行追踪,实现了运动激波同裂纹移动边界的耦合计算。计算得到了激波绕射裂纹的流场图谱,清晰的分辨出了激波在裂纹中的传播过程,并分析了激波在裂纹中传播引起压力振荡的机理。通过动态边界条件和静态边界条件计算结果的对比,探讨了引入移动边界计算的必要性。     

贮运发射箱内燃气射流的非定常冲击波流场数值模拟

文中对贮运发射箱内燃气射流产生的初始冲击波流场进行了非定常数值模拟.通过分析发射箱壁面上各个测点上的压力变化曲线,了解了冲击波在发射箱内的传播过程.通过对前端盖附近处浏点压力的分析,得到了有时可以利用冲击波的超压峰值来完成发射箱开盖动作的结论.在数值计算的过程中,采用标准k-ε(二方程模型,压力项采用二阶差分格式.计算所得到的结论对工程中贮运发射箱开盖过程的设计具有一定的指导作用.     

大型工房内爆炸冲击波流场分布规律

为可靠掌握大型工房结构内爆炸冲击波流场分布特征,对缩尺比例分别为1:5、1:7.5和1:10的工房缩比模型以较小的网格尺寸(空气和炸药均按比例缩小)进行有限元计算.通过计算得出,具有相同单元数量的3个数值模型得到的被爆区相同比例距离处冲击波超压峰值完全一致,其冲量为模型的几何比例系数.进一步分析表明,具有相同网格结构的数值模型计算结果具有相似性,在爆炸冲击波仿真计算中网格绝对尺寸并非计算精度的决定因素.这一现象的发现,指出了提高大型复杂结构中爆炸冲击波计算可靠性的网格划分方法.在此基础上,对一种大型工房内爆炸冲击波的传播规律进行分析,发现冲击波从窗户流入、在被爆区地面及梁底的反射与绕射、不同方向冲击波的碰撞迭加等过程是造成被爆区内冲击波压力多次振荡并持续很长时间的主要原因,而工房内超压峰值较大的区域与冲量较大的区域并不重合,因此在进行工程安全评估时应予以重视.     

某火炮炮口制退器性能的研究

对装有炮口制退器的车载炮膛口冲击流场进行数值模拟,得出高低角为17°,方向角为0°情况下膛口及车身上流场复杂波系结构.根据计算结果分析了膛口和车身上冲击波的发展规律.在火炮发射过程中车身最大压力值为169.573 3 kPa.结合流场模拟结果计算了炮口制退器效率,得到制退器效率为35.008%.数值模拟结果为计算车身在冲击波作用下的动态响应提供了先决条件,为火炮的结构设计提供了参考.     

发射箱后盖构型对箱内初始冲击波形成的影响

为解决某型号发射装置工作过程中箱内冲击波强度不足的问题，采用数值模拟方法，结合动态网格自适应技术，对燃气冲击波开盖技术中涉及到的流动现象和箱内初始冲击波的产生机制进行研究。通过与相关试验结果对比分析验证所提数值方法的精度，以及当前自适应方法在对关心的流场特征，如冲击波阵面、接触间断等，进行动态加密或稀疏时有可靠的性能。以平板型后盖为例(原始设计)详细阐述了箱内冲击波的演化机制，为更好地认识该技术的工作机制提供帮助；进一步对比了穹顶型后盖对箱内冲击波形成的影响。研究结果表明，与平板型后盖相比，采用穹顶型后盖结构后，可影响气流与箱体尾部侧壁撞击时的角度，减缓该位置湍流区域的形成，从而显著提升箱内初始冲击波强度，使作用在前盖上的超压峰值增加约48%。所得研究结果对发射箱总体方案的设计具有重要的理论意义和工程应用价值。     

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。     

膛口冲击波物理模型数值分析

为分析膛口冲击波的物理特性,分别对点爆炸和膛口初始流场进行了数值模拟.采用Roe/HLL混合计算方法,消除了二阶Roe格式引起的激波不稳定现象,初始流场数值结果与实验照片吻合较好.获取了点爆炸冲击波和初始冲击波的波阵面及其超压峰值等值线,在此基础上分析了二者在时间上的分布特征及衰减规律.结果表明,膛口冲击波是球心作减速运动的变能量球形冲击波.     

脉冲爆轰发动机冲击波外流场数值模拟

为了研究脉冲爆轰发动机冲击波外流场的变化特点,利用CE/SE方法,推导了二维粘性湍流模型的网格数学离散模型.计算中采用标准k-ε两方程湍流模型,对于近壁区域采用低雷诺数模型进行处理.模拟得到了脉冲爆轰发动机外流场中压力、温度的变化规律.模拟结果表明,脉冲爆轰发动机外流场中存在相互作用的旋涡、激波和膨胀波.模拟结果对脉冲爆轰发动机外流场特性研究具有重要的参考价值.     

机库内爆炸效应的数值模拟研究

利用自编程序MMIC3D建立了机库的三维数值模型,采用三维Youngs界面技术对战斗部侵彻机库后发生爆炸情况下的流场分布进行了三维数值模拟。采用后处理软件Visc3D分析了冲击波在机库内的分布情况,在与实验结果对比的基础上,给出了不同关键点的压力曲线和一些规律性的仿真结果,并且通过计算结果的动画处理,清晰地看到战斗部在机库内部爆炸后所形成冲击波的传播规律。这些结果与规律基本符合物理现象和理论分析,对爆炸场近、远场的物理过程及其效应有了深刻的认识和理解,这对于如何高效毁伤机库内的飞机、人员以及相关设施具有重要的参考价值。     

超音速欠膨胀多喷管燃气射流的数值模拟

文中针对XX—XX联合动力装置尾喷管射流在超音速、欠膨胀状态下进行了三维流场数值模拟，对燃气流场中的压力、密度、马赫数的分布进行了理论计算，并对流场的激波结构进行了对比分析，控制方程为三维、雷诺平均Navier—Stokes方程及k-e二方程的湍流模型，差分格式采用具有TVD性质的二阶精度的Van Leer格式，流场计算采用贴体坐标。数值计算的结果表明，所采用的算法适合于模拟复杂射流流场，可用于火箭武器系统工程技术问题的研究。     

爆炸驱动液体分散的实验与数值模拟研究

在爆炸作用驱动液体分散的过程中,爆炸冲击波在液体中的传播及其与气液界面间的相互作用,直接影响液体的性质改变和分散形态。利用导爆索在水中爆炸的方法,对此过程进行了实验研究,发现在气液界面处的液体性质已改变,有空化现象存在。利用Level-set方法和虚拟流体方法(GFM),对强激波与气液界面相互作用过程进行了数值模拟,通过对计算结果中压力分布和界面形状变化的分析,结合实验结果,进一步表明液体中会有空化现象产生。     

基于多介质Riemann问题的流体-固体耦合数值方法及其在爆炸与冲击问题中的应用

为提高爆炸与冲击下多介质大变形问题的数值模拟精度，针对具有高度非线性特征、通用形式的Mie-Grüneisen状态方程和流体弹塑性本构方程的多种介质间相互作用问题，提出一种通用、健壮的多介质Riemann问题求解方法，以有效提高物质界面上各物理量的计算精度。结合Euler坐标系下具有锐利界面的守恒型多介质流动数值方法，建立一套能够模拟可压缩流体和弹塑性固体在极端物理条件下大变形动力学行为的数值计算体系。对流体-固体耦合、固体-固体耦合Riemann问题，地下强爆炸、空中强爆炸以及高速冲击等问题开展了数值模拟，计算结果和理论、实测数据符合较好，表明该数值方法能够对典型爆炸与冲击等多介质问题进行有效的模拟。     

杀爆战斗部破片与冲击波运动规律研究

通过对杀爆战斗部爆炸后破片运动及冲击波传播的研究,为提高破片和冲击波相遇位置的计算精度,理论推导了新的计算方法。采用Visual C＋＋开发破片与冲击波运动规律计算系统使计算方便。运用AN-SYS／LS-DYNA数值模拟了某预制破片战斗部爆炸后破片与冲击波的运动,数值模拟与该模型计算结果相符,较以往计算模型精度提高了8.3％。     

空中气压环境对爆炸冲击波的影响研究

为获取不同气压环境下的爆炸冲击波传播规律,实现对不同气压环境下的爆炸冲击波性能快速预估,采用非线性动力学软件AUTODYN进行数值模拟,对数据进行分析与拟合,并通过低气压环境冲击波传播试验对拟合公式进行精度验证。结果表明：在同一对比距离下,冲击波超压峰值随着大气压力降低显著下降,低气压环境不利于冲击波的正常传播;基于数值模拟结果拟合考虑大气压力和温度效应的计算模型,对比试验结果,拟合公式计算误差小于15.0%,平均误差小于±7.8%。     

TNT空中爆炸冲击波的工程和数值计算

针对TNT空气中爆炸冲击波压力,建立了空气自由场爆炸冲击波工程计算模型,并采用AUTODYN和LS-DYNA软件中的一维计算模型对TNT空气自由场爆炸冲击波压力衰减过程进行了数值模拟研究。为了捕捉峰值,数值计算模型中采用细密的网格和很小的人工粘性系数。数值模拟结果与工程计算结果大致吻合,但AUTODYN计算耗时远高于LS-DYNA。     

水下爆炸近场压力特性及其与结构的流固耦合作用

鱼雷等水中兵器的水下近场爆炸是航母舷侧防护结构遭受的主要攻击。水下爆炸近场载荷与结构产生复杂的流固耦合作用,强非线性耦合作用下的流场载荷特性及其对结构的毁伤机理等问题仍有待于进一步认识,可靠的试验及数值模拟手段还很缺泛。基于LS-DYNA的ALE方法,建立水下爆炸流场与结构流固耦合作用的有限元计算模型,计算了近场流固耦合作用的全物理过程,以及冲击波、空化闭合脉冲、气泡脉动及水射流等载荷的时空特性。与试验结果对比,验证了计算模型具有较好的计算精度。