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。     

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。     

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。     

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。     

含尾翼张开运动的膛口流场三维数值模拟

带尾翼稳定装置的弹丸,尾翼在张开过程中会受到膛口流场的强烈扰动,导致尾翼结构变形甚至损坏,致使弹丸不能正常飞行.因此有必要对含尾翼弹丸的膛口流场进行数值模拟分析.运用三维N-S方程结合FLUENT局部重构法,对弹丸飞出制退器以及尾翼张开过程的膛口流场进行数值模拟和分析;根据数值仿真结果分析了膛口流场对尾翼受力状况和运动状态的影响;所得结论对研究膛口气流流动,尾翼的结构设计及后效期有效张开具有一定参考意义.     

后效期弹丸加速过程的数值模拟

弹丸出膛后,其大位移运动和非恒定的运动速度是膛口流场数值模拟中的难题,为了解决这一难题,运用网格局部重构技术处理弹丸的大位移运动,将对称轴定义为网格变形边界,这使得弹丸在对称轴上的运动过程中不会导致对称轴上的网格体积为负,通过求解轴对称ALE方程组对弹丸出膛后的运动过程进行了数值模拟.由计算结果可以看出整个膛口波系结构的变化过程和弹丸先加速后减速的过程.     

一种新型炮口装置的膛口流场数值模拟

为研究一种新型炮口装置对火炮发射时膛口流场的影响,文中运用计算流体力学相关知识,采用包含动网格的膛口流场的二维非定常粘性可压缩N-S方程组进行模拟仿真。分析了在有无该装置的两种情况下,炮口流场的激波系结构形成与发展的过程。结果表明该新型膛口装置对弹丸出炮口后运动状态影响较小,炮口冲击波满足对环境及人员的要求。     

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.     

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。     

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.     

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。     

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。     

底部排气装置快速降压过程中燃烧流动特性数值分析

为研究底部排气（简称底排）装置出炮口时发射药燃气流动特性和点火具瞬态燃烧特性,采用半密闭爆发器模拟底排弹出炮口时的快速降压过程,借助高速录像系统观测了近喷口喷焰羽流的发展行为,并以此验证数值模型的有效性。在试验基础上,采用高分辨率迎风格式AUSM⁺、两方程Realizable k-ε湍流模型和有限速率化学模型,建立了降压过程中发射药燃气与点火具燃烧射流相互作用的二维轴对称模型,并以基于内节点的有限体积法进行数值模拟,分析了底排装置降压过程中两股高温燃气射流的耦合特性。结果表明：底排装置降压过程中,喷焰羽流由超音速强欠膨胀射流逐渐转变为亚音速流动,波系结构经历马赫反射到规则反射的转变,形成周期性钻石型激波和菱形火焰串,最终变成连续火焰;喷焰羽流变成亚音速流动后,底排装置内点火具火焰下游处径向热对流和热扩散比上游更强烈,底排药柱下端温度最高,首先复燃。     

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。     

基于多块结构重叠网格的电磁轨道发射器动态发射过程流场分析

为了研究电磁轨道发射器动态发射过程流场,采用多块结构重叠网格方法、六自由度运动模型和Java程序,建立了高超声速弹丸二维运动瞬态模型。以双椭球模型为研究对象,验证了所提出非定常计算方法和重叠网格数据交互可靠性。对电磁轨道发射器4种不同运动工况下弹丸动态发射过程流场进行了数值模拟。研究结果表明：电磁轨道发射器动态发射过程是含复杂激波系流场,涉及弹前激波、移动球心球形激波、冠状激波共同作用;弹前激波出膛口到弹体尾部出膛口过程中,弹体头部中点压力分布呈现“对称性”,阻力系数分布和弹体头部中点压力分布具有相关性,弹前激波出膛口后呈现先减小、后增大“弱对称性”,弹体尾部出膛口时达到峰值;弹丸在空气域运动时,近壁面压力监测点反射后峰值会超过初始监测点压力峰值,距离弹轴距离越远,反射周期越小,监测点峰值压力衰减越慢。     

炮膛内底排装置燃烧特性计算分析

为了研究内弹道过程中底排装置的燃烧特性,基于两组不同底排药剂试样装填密度下的密闭爆发器燃烧试验数据,优化计算得到了高压工况下某底排药剂燃速模型为de/dt=8.51×10-8p0.579.建立了底排装置膛内燃烧模型与火炮-底部排气弹内弹道零维模型.针对某155 mm底排装置,在理想发射环境下,计算分析表明:膛内底排装置...