火炮膛内气流流动与传热的数值模拟

推导并建立了火炮膛内非定常湍流边界层微分方程组，进行了核心流为准两相流，边界层为充的膛壁传热计算，与实验结果表明，所建立的模型能够较好地模拟火炮膛壁表面的传热问题，对于身管烧与寿命的研究有重要意义。     

基于全膛烧蚀磨损特征的火炮内弹道仿真研究

为提高烧蚀火炮内弹道仿真精度,在文献\[1\]火炮烧蚀内弹道理论基础上,保持火药几何燃烧定律、火药燃速定律和体现起始部膛线烧蚀的弹丸起动压力方程不变,通过对变炮膛截面积、变药室容积、弹后烧蚀容积增量等全膛烧蚀磨损特征的分析和计算,建立体现全膛烧蚀的弹丸运动方程和内弹道基本方程,从而建立烧蚀磨损内弹道模型。借鉴经典内弹道诸元解算方法,导出烧蚀磨损内弹道模型解算方法。以某火炮试验数据为例进行仿真烧蚀磨损内弹道计算,仿真结果表明：初速仿真值与试验值误差为0.9%,能够满足火炮工程实践3%的仿真误差要求;仿真精度优于文献\[1\]的火炮烧蚀内弹道方法,证明了所建立的烧蚀磨损内弹道模型和诸元解算方法是正确的,可用于烧蚀磨损火炮身管寿命预测。     

某小口径火炮射击过程膛内传热计算分析

针对某小口径火炮内膛结构及装药结构,建立了经典内弹道模型及圆柱轴对称传热模型.该模型考虑了对外界传热以及金属药筒对内膛热积累的影响,将药筒假设为药室内壁的一部分,每次装填时将药筒部分的温度设为环境温度.通过选择合理的计算方法,编制了计算程序,对某小口径火炮单发、多发连续射击进行了计算,预测了射速与药室内壁温度变化的关系,并分析了多发连续射击后出现弹药较长时间留膛现象时的安全性.所建立的计算模型及编制的计算程序对该火炮射击热安全分析有一定参考意义.     

高膛压火炮火药破碎模型及数值计算

提出火药颗粒破碎对燃面影响的模型，即把火药颗粒破碎而产生的燃面与初始燃面的比值Ｓ／Ｓ０与表征火药颗粒力学性能的断裂模量Ｅｆ，火药颗粒在膛内运动所受到的应变ε和火药已燃相对捏百分比ψ有机地联系在一起。     

火炮动态模拟试验机内弹道数值模拟

在介绍火炮动态模拟试验机工作原理的基础上，分析了模拟试验机的内弹道特点，利用经典内弹道学和系统动力学理论，建立了模拟试验机的内弹道理论计算模型，给出了实例，结果表明，计算结果与实测结果具有较好的一致性。     

密闭爆发器实验过程中的热散失修正研究

针对密闭爆发器实验过程中压力迅速变化的特点,提出考虑压力因素的热流密度方程,建立密闭爆发器实验中内壁传热的一维半无限大传热模型,推导出实验过程中的传热表达式,并使用该模型对双芳-3(SF-3)、太根(TG)及含黑索今5%(TD-15)和含黑索今30%(TD-30)的三基发射药密闭爆发器实验结果进行了实例验证.结果显示该模型修正出的总热散失与理论值的误差在10%以内,对双芳-3发射药修正得到的燃速压力指数(0.9864)接近该发射药的期望值(1).     

固体发射药火炮身管热散失模拟研究

为了从理论上直接计算火炮发射过程中身管热散失并提高计算精度,选取经典内弹道模型,使用四阶龙格库塔法对内弹道模型进行求解,得到了内弹道时期火药燃气温度,采用拟合公式求解后效期火药气体温度,确立传热初始条件。使用马蒙托夫约定和实验拟合公式确立内、外边界的换热系数。基于传热学理论建立了身管径向一维传热模型,对方程组差分求解,得出火炮身管的温度分布,得到了发射过程中身管的热散失。结果表明:单发射击情况下,火炮通过身管散失的能量占发射药总能量的16.45%;连发射击情况下,身管热散失占总能量的16.45%～13.81%,呈下降趋势。     

末制导炮弹膛内滞留受热模型及其数值仿真

以研究炮射末制导炮弹发射热安全性为背景,建立了末制导炮弹滞留预热身管中受热的一维瞬态简化数学模型,仿真了某大口径火炮在不同射击方案以及不同环境温度下,弹丸滞留身管中的温度响应过程,并预测了其安全停留时间,部分仿真结果得到相关实验的支持。建立的模型与方法对于弹丸发射尤其是末制导炮弹发射的热安全性设计与评估具有普遍的理论与实际意义。     

大口径火炮弹丸膛内参数测量方法研究

为了解决大口径火炮内弹道参数测试的难题,文中提出了一种基于微波干涉的测量方法。阐述了微波干涉仪测量的原理、系统组成、试验数据处理的方法,并对其测量精度从理论上进行了分析。针对某型榴弹炮试验进行了实测,提供了火炮发射时弹丸在膛内的运动参数,获得了比较理想的结果。     

某防暴枪准两相流内弹道模型及数值模拟

从近代内弹道学理论入手,在欧拉坐标系下建立某防暴枪内弹道准两相流的数学模型。在给定假设条件下,给出模型的基本方程组及其定解条件。利用Fortran语言编制膛内准两相流场的计算软件,并以18.4 mm某防暴枪为例,获得该防暴枪准两相流各参数的变化规律。该研究可为进一步研究防暴武器工作机理打下坚实的基础。     

基于两相流理论的火炮内弹道设计方法及其在新型装药设计中的应用

将现代内弹道理论应用于火炮内弹道设计过程,不仅使得火炮内弹道设计变量的选取不再局限于传统的装填密度、相对装药量和火药弧厚等;而且能将弹丸启动时间、压力波等经典模型无法描述的状态量纳入火炮内弹道设计过程,这对现代高性能火炮的设计是十分重要的.由于各评价标准均由火炮两相流模型计算获得,因此,基于两相流理论的火炮内弹道设计方法能更加精确地描述火炮的弹道性能与设计变量之间的关系.同时,采用多属性决策方法进行弹道设计方案的选择,使得火炮弹道方案的选择更加合理.     

底火两相射流在传火管内传播过程的一维模型及数值模拟

底火射流在传火管内的传播过程是中心传火管及传火装药设计的主要依据。建立了底火药剂燃烧模型以及底火射流在传火管内传播的一维两相流模型,在使用四阶龙格-库塔法求解底火药剂的击发和燃烧过程的基础上,采用两步分量型CTVD格式对底火两相射流在传火管内的传播过程进行数值求解。得到了传火管内不同位置上射流的压力、两相速度以及空隙率等参量的变化规律。结果表明,底火射流在传火管内传播时,头部存在较强的压力波,气相速度大于固相速度; 当压力波在端面反射并作用在后续固相颗粒时,造成颗粒的加速燃烧; 当射流中的颗粒运动到右边界后,颗粒的堆积燃烧造成了反向的压力梯度,传火管内气相出现较大反向运动速度。     

身管烧蚀磨损条件下弹体发射强度数值模拟

为研究身管烧蚀磨损对弹体发射强度的影响规律,建立了烧蚀磨损身管与弹丸的弹炮耦合有限元模型和内弹道数学模型。采用内弹道方程与弹炮耦合有限元模型双向求解算法对内弹道方程进行求解,试验与算例的对比结果验证了模型的正确性。以弹丸挤进时刻、最大膛压时刻、弹体与身管碰撞时刻的临界状态应力为表征量,分析了弹体发射强度随身管烧蚀磨损量的变化规律。结果表明,严重磨损工况相对于正常身管工况,前2个临界状态应力值分别降低了19.4%、12.5%,第3个临界状态应力增大了149.2%。由此可知,随着烧蚀磨损量增大,弹丸挤进时刻、最大膛压时刻的临界状态应力对发射强度影响度在降低,而弹丸与身管碰撞临界状态应力成为影响弹体结构发射强度的主要因素。     

某小口径变燃速密实装药火炮内弹道两相流模型仿真分析

利用现代内弹道理论,建立了某小口径变燃速密实装药火炮内弹道两相流体力学模型,并进行了数值仿真分析。结果表明：变燃速密实装药能在控制膛压的情况下,有效提高弹丸初速;火药颗粒钝感层厚度和底火药量对弹道性能影响较大;压力波状况的模拟可用于火炮发射安全性分析。     

基于内弹道过程的膛内燃烧产物的计算

为提供弹丸出膛口后流场计算的初始数据,在内弹道计算的基础上引入了发射药燃烧产物组分的计算。内弹道计算采用经典内弹道计算模型,发射药燃烧产物组分的计算采用最小自由能法。在最小自由能法中,使用实际气体的范德瓦尔斯状态方程,采用剩余性质法计算实际气体的Gibbs自由能。通过计算,得到了膛内火药燃烧产物组分的变化情况。分析表明,该文的计算结果可以作为弹丸出膛口后流场计算的初始数据。     

膨胀波火炮两相流内弹道性能分析与数值模拟

根据膨胀波火炮(RAVEN)系统的发射机理及结构特点,采用两相流理论,建立发射过程中计及膛内气固两相相间作用及后喷装置动态打开过程的两相流内弹道模型,给出了相应的数值求解方法。通过对RAVEN内弹道过程的求解分析与实验比对,得到了发射过程中,膛内火药燃烧及燃气流动状态的变化规律,给出了后喷装置引入所产生的有别于传统闭膛火炮系统的膛内流动现象,验证了RAVEN内弹道两相流模型的正确性。通过数值求解计算可得到:1)RAVEN系统在不影响炮口动能的前提下后坐冲量减小53.04%,身管热量降低50.42%;2)后喷打开时机越早,减小系统后坐,降低身管热量的能力越强;3)喷管截面参数的变化对减小系统后坐、降低身管热量能力的影响很小。     

内弹道两相流三维并行数值模拟

为解决火炮内弹道两相流三维数值模拟的计算工作量大及仿真精度低问题,基于任意拉格朗日-欧拉方法建立火炮内弹道三维两相流模型,采用MPI方法进行了分区并行计算。三维控制方程采用高阶MUSCL格式进行空间离散,时间方向采用4阶龙格-库塔法进行求解。三维数值模拟结果揭示了火炮内弹道两相流动过程的三维发展特性,计算得到的内弹道特征参数与文献［20］ 结果符合较好。分析了不同点火管长度及管径对于内弹道性能的影响,为后续开展多维点火性能的优化研究提供了理论基础。并行数值实验表明,采用24个进程的内弹道三维计算,并行效率可提高50%左右。