耦合内弹道过程的膛口流场数值模拟与分析

为提高武器精度,模拟弹丸射入膛内后的膛口流场,耦合内弹道过程分析弹丸射出炮口前的初始流场和射出后的流场变化.采用内弹道经典模型计算膛内弹后气体流场,建立二维轴对称气体动力学模型计算弹前气体及膛口流场,通过弹前阻力将二者同步耦合计算.计算过程采用非结构网格方法,同时考虑运动弹丸的影响,计算结果与实验流场相吻合.计算结果捕捉到弹丸出炮口后在膛口形成清晰的瓶状波系.分析得到弹丸出炮口后1.5 ms时刻炮膛内外的马赫数轴向分布;此时火药气体在膛外膨胀的最大马赫数可以达到6.32;火药经过激波后气体速度迅速下降到声速以下.由于激波的作用,在激波前后压强会产生阶跃.     

带膛口装置的膛口流场与冲击波形成机理

本文根据超音速射流与冲击波理论,分析了带有各种膛口装置的气流照相结果,以及膛口流场的形成、发展机理及分布规律。提出了带膛口装置的射流与冲击波场的气体动力学模型。     

侧向支柱对冲压增程弹用进气道性能影响研究

结合分区对接网格技术和二阶精度区域分解算法,对某冲压增程弹丸进气道在不同来流攻角和不同侧向支柱形状工况下的内外复杂流场进行了数值模拟.得到了临界工况下超声速进气道内外粘性流场复杂的波系结构,分析了流场结构特性和激波波系结构.当进气道扩压段有侧向支柱存在时,进气道总压恢复系数和动能系数均有所降低,而流场畸变指数则显著增大.在三种形状侧向支柱中,采用两端削尖支柱形状的进气道的性能最优.攻角的存在也在一定程度上降低了进气道性能.     

应用激波降噪机理的炮口消声器设计及试验验证

针对火炮的膛口噪声问题,提出了一种基于激波降噪机理的消声方法,利用超声速气流经过激波后总压降低、可用能量降低的特点来降低膛口噪声声功率,进而设计了一种膛口消声器,通过扩张段增加马赫数、收缩段产生激波可以不断降低火药燃气的可用能量,达到降低膛口噪声的目的。建立消声器的数值计算模型及仿真分析,研究了消声器内部的流体流动情况及激波形成过程,以炮口及消声器出口的总压降低情况分析了消声器的降噪效果,并设置外部监测点检测外部压力场的变化,最后通过试验验证消声器降噪效果。结果表明:基于激波降噪机理设计的消声器可降低膛口噪声19dB左右,且试验降噪量与采用总压降低量进行分析的降噪效果基本一致,证明了应用激波特性降低噪声以及采用总压降低量分析消声器降噪效果的可行性。研究内容为消声器设计提供了一种新思路,为炮口噪声的降低提供了理论及工程指导。     

旋转弹丸在复杂激波影响下气动特性数值模拟与分析

为了提高线膛发射武器的射击精度,研究复杂激波系对旋转稳定弹丸气动特性的影响.通过划分局部加密的网格,采用k-epsilon双方程湍流模型求解可压缩的三维Navier-Stokes方程,数值模拟和分析旋转弹丸在复杂激波影响下的气动特性变化规律.数值模拟的结果与SOCBT( Secant ogive cylinder boat tail)弹丸风洞实验数据相吻合,验证了计算模型与方法的合理性和可靠性.数值分析旋转速度、攻角、来流马赫数等对弹丸气动特性的影响,通过耦合内弹道过程,数值模拟和分析不同旋转速度对内弹道后效期内弹丸速度增的影响规律.     

弹丸连续挤进过程中身管坡膛受力和磨损分析

为研究弹炮匹配设计中弹丸连续挤进身管过程中坡膛结构的受力规律和摩擦磨损规律,建立了精细化的身管坡膛结构有限元网格模型. 在弹炮耦合热力学有限元模型基础上,综合考虑了火药燃气温度和压力、弹带与坡膛之间摩擦因数的影响,并结合Archard磨损模型,通过数值计算的方法,获得了连续射击环境下,身管坡膛结构的受力规律和由于摩擦导致的磨损量. 研究表明:所建立的精细化身管坡膛有限元模型在反映坡膛摩擦磨损方面具有一定的可信度,同时表明弹带的结构对坡膛受力规律及受力大小有重要影响;单发或者连续射击环境下,膛线起始部阳线过渡处受力和磨损较为严重.      

膨胀波火炮后喷冲击波流场数值模拟

为研究后喷冲击波流场特性,以确定其危险区域,针对膨胀波火炮排气方式以及后喷冲击波流场的复杂波系特性,建立了三维可压缩Navier-Stokes方程。采用一阶精度的迎风总差分变小格式及自适应网格技术,对某口径膛底排气膨胀波火炮的后喷冲击波流场进行了数值模拟,获得了后喷冲击波的流动规律。结果表明:尽管差分格式的精度为一阶,通过采用自适应网格技术,同样可以获得较高的激波分辨率;同时可以确定冲击波超压的大小,以此确定膨胀波火炮后喷冲击波的安全范围。     

按最小膛口动能设计的武器机动性较差

传统认为膛口动能大,武器机动性差.本文认为在最大射程一致时,弹丸重,膛口动能小,膛口冲量大的外弹道方案后坐动能大,武器的稳定性与机动性差.建议将后坐动能与武器质量的比值作为武器机动性指标.     

基于化学反应的膛口温度场孤立波解

膛口流场是由从膛内高速流出的膨胀不足的非定常射流与膛口空气的相互作用而形成的。在这过程中伴随着涡流和冲击波等现象的发生．其中，燃气与空气中氧作用而发生爆燃．形成中心焰和二次焰．由此可见，膛口火焰区是一个极为复杂的带有键式化学反应的区域，必然是一个同时有热传导，扩散，对流及化学反应起作用的区域．火焰的形成与传播同温度和反应物浓度及其分布有关．该文针对膛口温度场的中心焰及二次焰形成与传播机制，考虑到化学反麻、热传导、扩散等，建立了膛口温度场的一维物理模型．从孤立波的角度解释了膛口火焰的形成机理，理论与实验符合得较好。     

膛口感应装定通讯链路的动态测试方法

针对膛口感应装定通信链路可靠性要求的特点,提出了一种膛口感应装定通信链路的动态测试方法。引入了测试弹丸加速装置,模拟膛口感应装定的动态环境;引入基于LabVIEW编程技术的专用测试软件,由其替代引信解码电路,对装定信号进行解码测试;建立软件解码测试仿真,分析其替代硬件电路的可行性,以更好地实现对膛口感应装定通信链路全面、真实的检测。     

弹丸湍流流场数值计算研究

该文对弹丸粘性绕流流进行了数值模拟研究。 数值模拟的出发方程为雷诺平均的Navier-Stokes方程,湍流模型采用了高雷诺数k-ε两方程模型,应用二阶的TVD格式,给出了SOC形弹丸的流场波系结构和湍流粘性系数的分布规律。结果表明,该数值计算方法可以取得高精度清晰度的流场结构。     

超音速风洞扩压器激波串现象的数值模拟

超音速扩压器性能研究具有非常重要的工程实际应用价值。该文为加深对超音速风洞扩压器内流场结构的理解,采用Fluent软件对“收缩段等直段扩张段”型扩压器流场进行了数值计算,较好模拟了扩压器中由激波/边界层干扰诱导的复杂流场的流场特性,再现了流场中的“激波串”和“伪激波”现象,与文献结果吻合较好。并以比较精细的二维网格计算结果对激波串的形成机理和典型流动结构进行了分析,同时应用于实际工程,对某超音速风洞扩压器不同二喉道长度状态下的扩压效率进行了比较。     

粉尘气体激波在管道直拐角处的绕射和反射

采用高分辨率数值方法和算子分裂技术研究了稀颗粒群假定下粉尘气体激波通过管道直拐角处时的绕射和反射，得到不同时刻的复杂流场结构．通过比较，找到了粉尘气体激波和纯气体激波传播特性的基本差异，讨论了颗粒的不同物理性质对波后流场特性的影响．     

膛口和一些简单的膛口装置周围的轴对称流场的有限差分计算

本文采用流体网格法对膛口和几种简单的膛口装置附近的轴对称流场作了数值计算。这个方法已扩展为一个能考虑火药气体和空气这两种介质的简单混合的程序。计算结果与无膛口装置时的阴影照相结果和有膛口装置时的挡板上的实际压力测量作了比较。     

两类涡轮激波结构及演化规律研究

针对收缩、收缩-扩张两类涡轮叶栅中激波结构及其演化规律的问题,采用数值模拟的方法研究得到了两类叶栅在变工况下的流场等马赫数云图及叶表马赫数分布,经分析获得了关于收缩、收缩-扩张叶栅在超跨音工况下激波结构主要差别的认识及激波附面层分离的基本判别准则,即激波前后压比达到1.4时附面层将发生分离.      

某超燃冲压发动机尾喷管的三维流场特性

超燃冲压发动机结构简单,推重比大,应用前景广阔.但其流场结构十分复杂,研究超燃冲压发动机三维流场结构具有重要的意义.采用计算流体力学软件对某超燃冲压发动机尾喷管的三维流场进行数值模拟,先后得到了流场的密度、马赫数、涡量及速度矢量线图.结果表明:喷管内及侧壁面出口处存在膨胀波.各个壁面出口处附近的流场存在羽流激波和剪切层,内喷管出口周围的羽流激波和剪切层呈环状分布在流场周围,上壁面尾部受羽流激波的影响产生一道由压强决定的管内斜激波.内喷管出口及上壁面尾部处也均存在流向涡结构.     

阵列桥箔电爆炸过程数值模拟

为提高金属桥箔电爆炸的能量利用效率,增加桥箔电爆炸等离子体作用范围,设计了金属阵列桥箔结构,采用有限元流体动力学方法对金属阵列桥箔电爆炸过程进行了数值模拟.利用相变分数和考虑电离度、粒子数目变化及粒子间库仑作用的等离子体状态方程,实现了金属导体在脉冲大电流作用下电爆炸产生等离子体及冲击波的数值模拟计算.对比分析了阵列桥箔在有加速膛通道和无加速膛自由场两种情况下的电爆炸等离子体流场特征及演化规律.计算结果表明,两种情况下等离子体束在叠加汇聚区压力较高,在无加速膛自由场中电爆炸初始冲击波速度和等离子体射流传播速度都较高;在有加速膛情况下,由于气体粘性作用,管壁附近存在一个高压低速边界层,加速膛通道内冲击结构较为复杂.     

膛口火药气体温度的声学测量方法

本文给出一个新的测量弹丸射出膛口后弹后火药气体温度的方法。其原理主要是通过测量传入膨膛内胀波的速度而间接获得火药气体的温度。该方法适用于绝大多数制式兵器。     

基于NPLS技术的超声速流动密度场测量方法研究

受激波、湍流等多种因素的影响,超声速流动的密度场在空间和时间上呈现出明显的不均匀性和非定常性,给测量带来困难.现有超声速密度场测量方法存在着时空分辨率不高、测量三维密度场能力有限或信噪比低等问题,我们基于NPLS技术（Nano-based planar laser scattering,基于纳米技术的平面激光散射）,提出了一种新的超声速密度场测量方法.该方法通过校准NPLS图像灰度与流场当地密度的关系,可测量超声速三维流场某一截面上时间相关的瞬态密度分布.NPLS方法具有高时空分辨率和高信噪比等特点,我们提出的以NPLS为基础的新的超声速密度场测量方法能很好地测量超声速流场中激波结构和复杂涡系结构带来的密度变化.作为应用实例,我们采用该方法对超声速光学头罩对称面密度场进行了测量,测量结果空间分辨率达到93.2μm/pixel,再现了激波、湍流边界层等精细流场结构;对比时间间隔5μs的测量结果,可得出密度场随时间的演化规律.     

双级装药膛内二次发射原理探讨与分析

提出一种采用双级装药进行膛内二次发射以提高弹丸初速而不增大最大膛压的新技术,设计了双级装药弹的结构,为提高大口径身管武器的初速提供了一种新思路.提出了二次发射过程的物理模型,并以12.7 mm弹道枪为对象建立了膛内二次发射内弹道数学模型,分析了参数变化对膛压和初速的影响规律.计算结果表明:在身管长度增量相等的条件下,双级装药弹初速增加量是12.7 mm普通弹的2倍以上.