水下多弹发射流场仿真分析

针对水下多弹发射时发射装置开盖角度、海水温度、发射水深、发射平台速度对导弹和发射装置的影响问题,将导弹运动、高温状态下液气相变、气体压缩性和水不可压缩性等因素综合起来,应用商业Fluent软件,通过采用动网格技术、VOF模型、多组分计算模型和RNGκ-ε湍流模型,对导弹从点火一直到飞离发射装置整个发射过程进行了导弹运动与流场参数耦合的、三维非定常的、发射装置内外流场的数值仿真,得到了三种开盖角度、三种海水温度、五种发射水深、三种发射平台速度下导弹运动参数和发射装置流场载荷的变化规律,为水下多弹发射装置的结构设计提供了借鉴和参考。     

导弹水下发射装置的发射动力学环境

利用同心筒发射装置可以在无需对导弹进行改进的情况下实现潜艇水下发射导弹。利用火箭燃气射流可以使导弹在飞出海水期间处于干燥的通道中。这种水下导弹发射装置方案最初通过计算机模拟验证,建造了一个小比例发射装置并在水池里进行了试验,对射流轨迹和发射环境进行了研究。     

导弹垂直发射燃气排导系统流场数值分析

为了深入了解垂直发射装置内流场结构,应用数值计算的方法对导弹垂直发射系统燃气射流流场进行了仿真模拟,并对垂直发射燃气排导系统内压强的分布情况进行分析;结果表明：导弹发射的过程中,起始冲击波在燃气排导系统内具有较高的超压峰值,燃气流的最大压力载荷出现在发射位压力室底部,为垂直发射装置的结构设计优化工作提供重要的理论基础。     

潜射导弹水下近筒口点火数值模拟研究

采用Mixtrue多相流模型和RNG k-ε湍流模型并结合动网格技术,通过求解非定常雷诺平均N-S方程,对潜射导弹筒口燃气泡内点火的复杂多相流问题进行了二维轴对称数值模拟。计算结果表明,在发动机点火工作前,筒口气泡不会收缩断裂;发动机点火工作后,燃气射流也未出现"断裂"和"回击"。模拟结果表明,潜射导弹发动机在筒口燃气泡内点火有利于发动机的稳定工作,可为潜射导弹水下发射与水下点火方式的研究提供参考。     

燃气弹射发射筒内燃气-空气二次燃烧现象研究

燃气发生器喷出的燃气射流与发射筒内空气发生二次燃烧现象对导弹发射装置产生强烈的热冲击和烧蚀。为了研究含运动边界的发射筒内二次燃烧现象,采用三阶精度MUSCL格式求解9组分10步H₂/CO基元化学反应动力学模型,使用域动分层网格更新方法模拟导弹运动。在与燃气自由射流冲击平台效应实验数据对比验证的基础上,分析了发射筒内二次燃烧现象对发射筒内流场和内弹道的影响以及筒内燃气-空气二次燃烧产生的原因。数值结果表明:二次燃烧不仅影响温度场分布,而且影响导弹的内弹道特性; 发射筒内二次燃烧现象是由于燃气发生器喷出的可燃成分与发射筒内O₂发生了强烈的化学反应导致的。研究结果对燃气弹射导弹内弹道设计提供了一定的理论基础。     

筒内复杂流场三维数值模拟

通过求解三维N-S方程，利用二方程紊流模型，对同心筒发射装置的筒内流场进行了三维数值模拟，得到了筒内的流场参数分布．并在分析筒内流场的基础上．得出了结论。     

同心筒式发射时筒内流场机理及内外筒间隙的影响

战术导弹同心筒发射装置（concentric canister launcher，CCL）是舰载导弹新一代垂直发射装置．其内外筒间隙、导弹发动机喷口与筒底的距离、导流锥的高度与型面半径、底板的形状与尺寸等参数都会对筒内流场产生影响．针对内外筒同隙这一影响流场的关键结构参数，利用先进的大型流体力学软件Fluent对不同间隙时的筒内超声速流场进行了三维数值模拟，并对流场的流动机理及参数分布进行了分析，给出了研究结论，为工程设计提供了理论依据．     

基于CFD的潜射导弹筒口压力场预测

基于无相变VOF模型和动网格技术,采用二维轴对称模型,对潜射导弹筒口压力场特性进行了仿真分析,获取了筒口气泡脉动规律及作用在筒盖上的压强变化特性数据,采用简化算法计算了筒盖上的总受载.对比表明,仿真结果与实测数据的处理结果比较接近,且具有更大的安全裕度,该方法可用于筒盖系统的受载预测和设计参考.     

同心筒发射燃气流二次燃烧数值研究及导流板结构改进

针对同心筒热发射燃气射流二次燃烧冲击效应问题,采用3阶精度的MUSCL格式求解11组分12步基元化学反应动力学模型,弹体运动运用域动分层网格更新方法,数值模拟了同心筒发射H₂/CO混合燃气流场。在燃气自由射流二次燃烧数值模拟结果与文献实验数据对比验证的基础上,分析了同心筒发射燃气流含化学反应的流动特点,以及在导弹出筒时筒口导流板结构对弹体的影响。数值结果表明：在筒外燃气与空气混合区域出现明显的二次燃烧,而在筒内二次燃烧几乎可以忽略;当弹底出筒后,从内外筒间隙排除的燃气、导弹尾部燃气射流和弹底之间相互干扰,形成反溅激波;反应流流场轴线温度高于冻结流和单一组分流流场轴线温度;导流板结构能明显降低弹体表面温度,其高度最优值在1.5倍内外筒间隙附近。研究结果对同心筒发射装置结构优化设计具有一定理论参考意义。     

湿式同心筒自力垂直热发射技术降温效果研究

为解决同心筒垂直热发射装置的导弹在发射过程中承受温度过高的问题,提出一种在同心筒底部设置水室的湿式发射方式,在发射时或发射前一段时间往水室注入液态水,发射时通过水室中的液态水汽化吸热来降低导弹表面的温度.计算中考虑了水的汽化效应,采用Mixture两相流计算模型求解气液两相流场,网格更新方法采用域动分层法,对不同加水量的湿式发射装置的导弹发射过程进行了数值计算.将15 kg加水量的计算结果与标准和引射同心筒进行了对比.结果表明,加水量为15 kg时,在整个运动过程中导弹表面温度均较低,湿式同心筒能明显降低发射时导弹及发射装置表面的温度.     

基于多燃气动力的水下变深度发射内弹道

为研究水下变深度发射导弹的内弹道问题,通过由多个燃气发生器组成的弹射动力系统,建立了水下发射的内弹道计算模型,介绍了可同时满足多种深度发射的内弹道仿真方法,进行了仿真计算。结果表明:在20～60 m的深度范围发射,可以通过调节3个燃气发生器的点火时序,得到18.9 m/s±3.4 m/s的出筒速度调节范围。由多燃气发生器组成的弹射动力系统是解决变深度发射导弹的有效途径。     

弹道枪水下全淹没式发射膛口流场演化特性的数值模拟研究

为了解弹道枪水下全淹没式发射膛口流场的演化特性,搭建水下射击实验平台,运用直接摄影法捕捉其膛口流场演变的全过程。实验发现：在弹头出膛前,弹前水柱已经在膛口空化产生水蒸汽;弹头出膛后,膛内燃气流出并与水蒸汽掺混,将弹头包裹;弹头远离膛口后,燃气射流继续膨胀,头部呈锥形;弹头表面不断空化产生水蒸汽,形成超空泡,同时在弹头尾部会留下细长的气柱。在实验基础上建立二维多相流模型,采用流体体积函数多相流模型和标准k-ε湍流模型,结合动网格及用户自定义函数技术,对实验工况进行数值模拟。结果表明：弹道枪水下全淹没式发射时,高度欠膨胀的火药燃气出膛口后,形成了包含两个瓶状激波的复杂波系结构;弹头出膛后,在膛口流场区域内不断加速,随着弹头远离膛口流场区域,弹头速度不断衰减。     

潜载导弹水下弹射筒口气泡数理模型

潜载导弹水下弹射产生的筒口气泡载荷对水下发射安全有着重要影响.围绕潜载导弹水下弹射筒口气泡膨胀降压和收缩增压的物理机制,建立筒口气泡载荷发展变化的数理模型,为气泡载荷特性分析提供有效途径.数理模型利用不可压缩势流模型描述水环境在气泡作用下的流动状态,采用包含筒内外工质气体的均压模型描述气泡压强变化,并采用直接边界元法进...     

筒口流场及其对发动机水下点火影响的数值模拟

研究了导弹水下发射时筒口流场特性,并就筒口流场对发动机水下点火初期的影响进行了分析。采用Mixture多相流模型和RNG湍流模型以及动网格技术,求解了不同工况下二维轴对称筒口流场及发动机喷流流场。计算结果表明,水深越大,筒口气泡断裂越早;燃气发生器熄火时,弹底离筒口越远,气泡断裂对发动机影响越小;燃气发生器延迟熄火,有利于发动机喷流的建立。     

水下超声速燃气射流的初期流场特性研究

针对超声速燃气射流在静水介质中扩展的复杂多相流动问题,在压力水筒中开展了固体火箭发动机水下点火实验;基于雷诺时均Navier-Stokes方法和流体体积模型,对相同工况进行了燃气与水耦合数值求解。研究结果表明：水下燃气射流迅速建立超声速流动后,高速射流的冲击作用导致燃气泡呈现出帽状特征,并逐渐演变为类椭球体的气囊,平均轴向扩展速度约为40 m/s;燃气泡内部流动结构复杂,存在两个剪切涡环与重复出现的激波胞格,射流边界与燃气泡边界的相互作用会导致射流后续演化的不稳定;燃气扩展时通过压力波在水流场中产生高压区,其压力峰值在振荡中逐渐与环境压力匹配,喷管堵盖打开压力、出口截面积是影响推力峰值的重要因素。     

锥形多股火药燃气射流与液体工质相互作用的实验研究

为了解水下枪械的发射机理,设计了锥形多股火药燃气射流与水相互作用的模拟实验装置,借助高速摄像机研究了不同喷射压力、不同喷孔直径对多股燃气射流扩展特性的影响。实验结果表明:喷射压力增大,燃气射流的扩展速度增大,扩展过程中湍流不稳定性增强,气液卷吸程度加剧;喷射压力从10.8 MPa提高到28.8 MPa,中心射流的扩展速度增大28%,侧孔射流的扩展速度增大40%;中心喷孔直径由2 mm增大到3 mm,中心射流的扩展速度增大29%,侧孔射流的扩展速度增大26%,但射流的速度下降趋势更明显,而侧面喷孔直径的变化对射流扩展速度影响较小。     

上浮式水面发射筒弹射内弹道特性

为研究新型上浮式水面发射筒弹射内弹道特性及其影响因素,采用Realizable k-ε湍流模型、Mixture多相流模型以及动态分层技术,建立考虑上浮速度影响的弹、筒弹射模型。对弹筒模型在水面与地面上的弹射过程分别进行数值模拟,对比分析二者的内弹道性能与筒内流动变化规律,并研究发射筒出水速度对水面发射内弹道性能的影响。对比结果表明,水面发射的弹、筒相对运动快于地面发射的相对运动,使得水面发射的燃气做功用时比地面发射的用时少14%,水面发射弹体受到的最大载荷比地面发射小20%;由于水面发射中发射筒具有相对较高的设定出水速度,水面发射弹体的出筒速度大于地面发射的出筒速度。流动分析表明：在设定的出水速度条件下,水面发射过程中燃气不会直接与水面发生作用,无相变耗能过程。影响因素分析表明,在安全发射条件下,出水速度主要通过改变水对筒的作用力来影响弹、筒的相对运动速度,但燃气对筒的作用力远远大于水对筒的作用力,使得出水速度对弹、筒相对运动的非线性影响几乎可以忽略,出水速度的改变几乎不会影响弹体的出筒速度增量。     

潜射导弹发射内弹道仿真研究

为保证导弹平稳出筒,对以燃气-蒸汽为发射动力的发射内弹道计算模型进行了改进,并以某型潜射导弹为例对计算模型进行了仿真计算.结果表明,改进后的模型能够有效降低导弹出筒时刻筒内气体工质的压力,从而实现导弹平稳出筒.这对燃气-蒸汽发射动力系统的设计具有一定的参考价值.     

基于动网格的炮口制退器两相流场数值模拟

为较准确地研究火炮发射时高温高压高速的燃气射流经由炮口制退器的流场,对基于动网格的炮口制退 器两相流场进行数值模拟。利用FLUENT 软件,采用光顺和重构的非结构动网格更新方法,使用结构非结构混合网 格技术,建立炮口制退器的流场模型,对弹丸飞出炮口制退器过程中的膛口流场进行数值模拟,并对比分析了燃气 射流中的固相颗粒与气相耦合的两相流场和单纯气相流场对炮口制退器的影响。计算结果表明：考虑了两相的流场 与单纯气相流场在压强分布上存在明显的区别,可为后续炮口制退器的结构设计与优化研究提供一定的参考。