炮彈底部排氣減阻機(jī)理研究.pdf

1、底部排氣增程的原理是在常規(guī)炮彈底部增加一個(gè)底部排氣裝置，在炮彈飛行階段前期向炮彈底部排放低動(dòng)量、高能量燃?xì)鈦碓黾拥讐?，從而減小炮彈前后壓力差，達(dá)到增程的目的。采用底部排氣減阻技術(shù)的增程炮彈稱為底部排氣增程彈，簡(jiǎn)稱底排彈。本文以底部排氣減阻技術(shù)為研究背景，基于計(jì)算流體力學(xué)的巨大潛力和優(yōu)點(diǎn)，發(fā)展了二維/三維多塊結(jié)構(gòu)網(wǎng)格化學(xué)非平衡流動(dòng)數(shù)值計(jì)算方法，建立了底排彈底部流動(dòng)與燃燒模型，對(duì)底排真實(shí)燃?xì)鈼l件下的底部排氣流場(chǎng)結(jié)構(gòu)、減阻機(jī)理、底排彈出膛口泄

2、壓過程以及真實(shí)飛行狀態(tài)下底排裝置工作過程進(jìn)行了深入系統(tǒng)研究，為底部排氣減阻理論與技術(shù)、底排彈相關(guān)的工程研制提供重要參考。本文主要工作如下:
　　一、針對(duì)復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)流場(chǎng)，以多組分雷諾時(shí)均Navier-Stokes方程組為基礎(chǔ)，采用高階迎風(fēng)格式、有限速率化學(xué)反應(yīng)模型和OpenMP并行算法，發(fā)展了基于多塊結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的二維/三維化學(xué)非平衡流動(dòng)數(shù)值計(jì)算方法。網(wǎng)格界面上物理量的重構(gòu)采用NND、WENO、MUSCL三種方法，對(duì)流通量采用Steg

3、er-Warming、 Van Leer、HLLC、AUSMDV和AUSMPW+等多種格式。湍流模型采用了一方程湍流模型和兩方程湍流模型，湍流模型與流動(dòng)控制方程解耦求解。采用時(shí)間算子分裂算法處理化學(xué)反應(yīng)剛性問題。采用OpenMP并行計(jì)算方法，以提高數(shù)值計(jì)算效率。通過對(duì)多個(gè)復(fù)雜算例進(jìn)行的數(shù)值驗(yàn)證表明，本文發(fā)展的數(shù)值方法可靠性和計(jì)算精度高，并且對(duì)不同流場(chǎng)具有良好的適用性。
　　二、建立了合理、可靠的底排彈底部流動(dòng)與燃燒模型，研究了底排

4、真實(shí)燃?xì)鈼l件下底排流場(chǎng)結(jié)構(gòu)與減阻機(jī)理，研究了底排真實(shí)燃?xì)鈺r(shí)發(fā)生二次燃燒的主要區(qū)域和燃燒過程，研究了來流馬赫數(shù)對(duì)底部流場(chǎng)結(jié)構(gòu)和底部壓力分布的影響，研究了排氣參數(shù)、排氣面積、排氣總溫對(duì)底部流場(chǎng)結(jié)構(gòu)和減阻特性的影響規(guī)律和機(jī)理，研究了來流攻角和彈體船尾角對(duì)底部流場(chǎng)結(jié)構(gòu)以及全彈氣動(dòng)特性的影響，獲得了底排彈底部流場(chǎng)結(jié)構(gòu)與氣動(dòng)特性隨攻角和船尾角的變化規(guī)律。
　　三、為了探索排氣結(jié)構(gòu)對(duì)減阻性能的影響，提出了邊緣型排氣結(jié)構(gòu)，開展了常規(guī)的中心型排氣和

5、邊緣型排氣的減阻性能研究。結(jié)果表明:邊緣型排氣時(shí)，底壓比隨排氣參數(shù)的增大而呈增大的趨勢(shì)，總阻力系數(shù)隨排氣參數(shù)的增大而減小;中心型排氣時(shí)，底壓比隨著排氣參數(shù)的增大而呈先增大后減小的趨勢(shì)，總阻力系數(shù)隨排氣參數(shù)的增大而呈先減小后增大的趨勢(shì);在適當(dāng)?shù)呐艢鈪?shù)范圍內(nèi)時(shí)，邊緣型排氣的減阻性能優(yōu)于中心型排氣。
　　四、采用動(dòng)態(tài)嵌套網(wǎng)格技術(shù)處理底排彈運(yùn)動(dòng)問題，建立了包含高速運(yùn)動(dòng)底排彈的膛口流場(chǎng)計(jì)算方法。對(duì)含運(yùn)動(dòng)底排彈的膛口流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，清晰

6、地描述了膛口流場(chǎng)的發(fā)展過程、性質(zhì)及底排彈與膛口流場(chǎng)的相互影響，得到了目前尚無法實(shí)驗(yàn)測(cè)試的底排裝置泄壓數(shù)據(jù)與規(guī)律。研究結(jié)果表明:針對(duì)初速為900m/s、膛口壓力為60MPa的發(fā)射工況，在出炮口的1.0ms時(shí)間內(nèi)，底排裝置泄壓速率高達(dá)104MPa/s;在3.0ms以后，底排彈穿過膛口沖擊波，進(jìn)入自由飛行階段。
　　五、將發(fā)展的流場(chǎng)數(shù)值計(jì)算方法與質(zhì)點(diǎn)外彈道模型相結(jié)合，建立了耦合質(zhì)點(diǎn)飛行彈道、底排彈流場(chǎng)數(shù)值模擬和全彈氣動(dòng)特性的計(jì)算模型，可