导弹水下发射装置内流场数值研究

针对潜射导弹同心筒发射装置,建立了二维内流场模型,建模中将两相流问题简化为单纯的高速气体射流问题.计算表明,从导弹离筒速度和筒内行程等总体指标看,单相高速气体射流模型和VOF模型的计算结果相差不大;单相高速气体射流模型能够较准确地揭示出导弹水下发射装置内气体流动的细节;VOF模型计算工作量大,耗时长,而单相高速气体射流模型的计算工作量相对较小,计算速度快.简化模型研究水下发射内流场方法可行.     

含能气体射流在液体工质中扩展的两维模型及数值模拟

为了研究整装式液体发射药火炮燃烧稳定性的控制方法,针对渐扩型药室结构,建立了含能气体射流在液体工质中扩展的两维模型,应用FLUENT应用软件对非稳态气体射流与液体工质相互作用的过程进行了模拟.探讨了渐扩型结构尺寸、喷气压力和喷口直径参数变化对射流扩展形态的影响,获得了射流场等温线、等压线和等密度线图.结果表明:当渐扩尺寸比为0.8、喷气压力大于30 MPa、喷孔直径大于2 mm时,气体射流发展不稳定,气液湍流掺混强烈.模拟出的射流轴向扩展速度和实验结果基本吻合.     

边界形状对气液相互作用过程的影响

为了控制整装式液体发射药火炮燃烧稳定性,针对渐扩形和矩形药室结构,利用高速摄影方法,观察了气体射流在液体中的扩展过程,获得了泰勒空腔的扩展速度.在实验基础上,建立了舍能气体射流在液体工质中扩展的二维模型,利用FLUENT软件对非稳态气体射流与液体工质相互作用的过程进行了模拟,获得了气体射流场等温线、等压线和等密度线分布图,分析了边界形状对射流扩展特性的影响.数值模拟结果表明,对于渐扩形边界,气体射流扩展到台阶处有旋涡出现;在相同条件下,矩形边界与渐扩边界相比,气体射流轴向扩展速度大,而径向扩展速度小.计算结果与实验结果吻合较好.     

含能气体射流在液体工质中扩展过程的简化模型

为了控制整装式液体发射药火炮燃烧稳定性,针对稳燃渐扩型药室结构,利用高速摄影方法,观察了气体射流在液体中的扩展过程,测量了射流轴向扩展速率。在实验基础上,从湍浮力射流理论出发,建立了气体射流在液体中扩展的准稳态模型。借助四阶龙格-库塔法,编程模拟出气体射流的扩展特性。结果表明：随着轴向距离增加,射流中心线速率迅速递减,射流半宽度呈线性递增,计算值与实测值吻合较好。     

绕多孔孔板通气气体与液体两相横射流旋涡特性分析

为了研究通气气体与液体两相流旋涡特性,采用RNG k-ε湍流模型并结合Level Set界面捕捉方法,对绕多孔孔板气体与液体两相横射流流动特性进行了数值模拟,并与实验结果进行了比较。研究结果表明：液相横流受到射流气体的阻碍作用在孔口上游、形成分离鞍点和马蹄涡,此分离鞍点随距壁面高度的增加逐渐靠近孔心,形成分离线;液相横流绕过射流气体后形成两个较为封闭的分离旋涡,此分离旋涡随距壁面高度的增加逐渐远离孔心。射流气体内部反旋转涡对的发展过程可分为3个特征阶段：流动位于孔口附近时,反旋转涡对从壁面逐渐形成,涡核间距和高度不断增大,影响面积不断扩张;随着流动向下游发展,反旋转涡对影响面积不断收缩直至消失;当流动发展至下游某一位置时,反旋转涡对在射流气体顶端再次形成,随着反旋转涡对的不断发展,在平板壁面诱导出2次涡对。     

气膜冷却流场中不同影响因素下涡结构的变化

采用大涡模拟方法分析了稳定射流与合成射流入射时,不同因素对气膜冷却效率的影响。研究的影响因素主要包含了入射角、孔型、斯特劳哈尔数以及吹风比。结果表明在本文的研究参数下,当合成射流的斯特劳哈尔数为0. 22入射,吹风比为2. 5时,扇形孔入射所对应的气膜冷却效果最好。在此基础上,进一步分析了合成射流与定常射流条件下气膜冷却的流场特性、冷却效果与涡环之间的联系。研究结果显示合成射流的气体动量更大,流场中的拟序结构更复杂,但由于合成射流的可控性强,在实际应用中可以通过控制合成射流吹吸频率从而控制合成射流流场中涡结构之间的相互作用,以改善气膜冷却效果。     

爆炸等离子体射流在液体中扩展过程实验研究

采用高速录像测试技术研究了瞬态电弧等离子体射流在液体中连续膨胀扩展的序列过程,给出等离子体射流在液体中形成的泰勒空腔结构特征、膨胀规律以及在等离子体-液体相互作用面上的传热传质现象.通过对照片的分析确定了泰勒空腔的扩展速度,提出了两相流体在界面上的相互作用机理.作为对比,研究了相同喷嘴结构下的火药气体射流在液体中的扩展过程.研究结果表明高温等离子体射流在液体中膨胀时形成一个逐步扩展的泰勒空腔,在两相相互作用界面上存在强烈的传热传质过程;相同当量能量条件下等离子体射流的比冲远高于常规火药燃气.     

固体火箭发动机水下超音速射流数值研究

固体火箭发动机水下点火射流是高温高压条件下复杂的多相流过程,为研究其流场特性与推力特性,选取扩张比分别为3.4和14.0的拉瓦尔喷管模型进行数值模拟。采用计算流体力学方法分析高速燃气超音速射流过程的流场与推力演化过程,揭示高温高压气体与水环境之间的相互作用规律。结果表明：固体火箭发动机水下射流流场结构与推力特性呈周期性变化,根据流场特征可分为颈缩、胀鼓、回击3个阶段;水环境与射流气体之间的相互作用是导致背压振荡的直接原因,同时导致激波运动、动量推力与压差推力的振荡。对比两种扩张比喷管的射流可知,扩张比为14.0的喷管射流形貌与流场结构的周期性变化更明显,扩张比为3.4的喷管背压振荡频率高、周期性特征弱、推力更稳定。     

极超音速成型装药射流头部激波作用下的真实气体效应分析

采用基于气体配分函数的高温平衡气体理论参数计算模型，考虑了高温情况下分子的离解和粒子的重新组合等带来的不同于理想气体的因素，研究了高达20马赫极超音速的成型装药射流头部真实气体效应的气动及热力学问题。采用不包含人工粘性的Godunov格式以及高温平衡气体理论参数计算模型编制了求解高超音速问题的Fortran程序。计算结果发现，高马赫下真实气体模型已经完全偏离了理想气体状态方程，真实气体效应导致了金属射流头部滞止区的厚度比运用理想气体状态方程得到的结果小的多，温度也低得多。     

潜航飞行体深水超音速气体射流的流动稳定性研究

深水固体火箭推进系统的可靠性和稳定性决定了整个潜航飞行体的弹道精度和飞行稳定性,其工作过程为典型的水下超音速气体射流流动过程。通过建立二维平面垂直射流几何模型,采用分离涡湍流模型仿真分析了深水条件下超音速气体射流的形貌拟序特征以及流场参数的不稳定振荡特性,对水下推进系统推力振荡现象产生的基本流动机理进行了分析。结果表明：水下超音速气体射流尾流存在高频小幅振荡,同时伴随间歇大幅振荡,这种现象与气体和水湍流混合以及中心气路激波系的不稳定运动有关;中心气路激波系的不稳定运动以及失稳重建过程会导致尾部空间压强的剧烈振荡,最终造成推力的不稳定振荡。通过对推力振荡特性的分析发现：水深越深,推力振荡幅值越大、振荡频率越高;喷管出口壁面直径越大,推力振荡幅值越大、振荡频率越高。     

发射箱易碎后盖开启过程的数值计算

易碎盖技术在箱式或筒式发射中具有明显的优势,其开启过程涉及冲击波传播及射流运动等复杂的物理现象。利用动网格技术,以固体火箭发动机为研究对象,研究了易碎后盖开启过程,得到了后盖开启过程中流场压强和温度分布,并对开盖过程中燃气射流流场情况进行了分析。结果表明：冲击波在发动机射流径向一定范围内有较高的超压峰值,会对发射装置和周边设备产生破坏作用;后盖运动对燃气射流流动产生了影响,表现为燃气射流随着后盖向下运动而向下方传播的同时,由于受到后盖的阻挡发生反射回流现象;运动过程燃气流冲击作用逐渐变小,除核心区外后盖上的温度和压强也逐渐变小;后盖运动的仿真实验结果与实际试验数据一致,获得了较好相似性。     

斜切喷管火箭发动机燃气射流流场特性研究

为了研究斜切喷管发动机的燃气射流流场特性,采用有限体积法数值求解非定常可压缩N-S方程,对不同喷管角度、不同海拔高度以及不同燃气温度条件下的发动机斜切喷管燃气射流流场特性进行数值模拟研究。结果表明:由于斜切喷管不对称外伸壁面的存在,导致喷管燃气射流流场不再对称; 喷管壁面不对称程度越大,则喷管燃气射流偏转与扩张角度越大; 随着海拔高度的增加,燃气流场核心区域与燃气射流的影响范围、以及射流偏转角度不断增大,但射流核心区域的波节数将不断减小; 此外,燃气温度变化,对喷管流场压强分布影响较小,但对流场速度值影响较大; 燃气温度越高,则喷管出口排气速度越大,致使喷管射流流场的燃气动能越大。     

喷气协助航行体入水空泡流动特性实验研究

为研究向前喷气协助航行体入水通气空泡多相流动特性,开展了喷气协助航行体入水实验。分析了入水过程中射流穿透水面开口空泡的形成及发展,探讨了不同喷气量、入水角度对空泡形态、射流长度等的影响。实验结果表明:在开口空泡形成过程中,自由液面存在不同区域(扰动区、过渡区及空泡形成区)的转变,这些区域的形成与航行体位置有关; 在航行体穿越气液界面之后,射流形成的空泡壁面由于黏性剪切流动存在显著的K-H失稳,且小喷气系数下存在空泡湮灭现象。在穿透液面过程中,空泡直径和射流长度均呈减小趋势; 开口空泡深度、空泡直径和射流长度随喷气系数呈线性增长,但受入水角度的影响有限。     

新型内能源转管武器驱动技术研究

本文提出了一种内能源转管武器实现高射频的新型驱动技术--喷管气流反推驱动技术.该技术的提出和应用为内能源转管武器的发展提供了一条新思路.建立了喷管气流反推驱动模拟实验装置的数值计算模型,给出了不同结构参数对转管转速的影响规律,为该武器系统的进一步优化设计提供理论依据.计算结果表明喷管反推驱动是一种切实可行的新原理、新方法.     

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。     

机枪水下发射膛口燃气射流场分布特性的数值模拟

为了解机枪在水下发射环境中膛口燃气射流场的演化特性,建立了膛口燃气射流(含弹丸)在液体中扩展的两维两相流模型,借助Fluent软件,运用UDF和动网格技术,针对12.7 mm机枪在水中发射形成的膛口燃气射流场进行了数值模拟与分析。结果表明,在近水面发射条件下,燃气出膛口后,先迅速膨胀,形成一个射流膨胀区,温度与压力迅速降低。随后由于膛口燃气持续流入,受限于弹底边界和周围水的约束,形成一个压缩区,燃气温度与压力又快速上升。在弹丸出膛后0.12 ms,已经能清晰地观察到马赫盘结构,且马赫盘距膛口的位移随时间变化特性满足指数上升规律; 在10 m水深发射环境下,膨胀区的扩展受限于更大的水压,使膨胀区下游与气液界面附近的温度峰值与压力峰值偏大,且峰值所处位置向膛口方向移动; 马赫盘距膛口位移随时间变化较小。     

装药参数对水下机枪密封式膛口流场影响的数值分析

为了研究装药参数变化对水下机枪密封式发射膛口流场特性的影响,建立了水下机枪密封式发射的数学物理模型。运用流体力学计算软件Fluent,结合用户自定义函数和动网格技术,针对12.7 mm滑膛式机枪,分别采用15.5 g、13.0 g和11.0 g装药量对其水下密封式发射膛口流场进行了数值模拟。计算结果表明：不同装药量条件下,水下机枪密封式发射时,在弹头飞离膛口截面的过程中,水对弹前初始空气和弹头轴向运动的阻碍较大,导致弹头减速、火药燃气在弹后空间聚集、膛口燃气压力升高,而火药燃气形成射流后的喷射压力衰减遵循指数衰减规律;膛口射流形态受弹头速度和燃气喷射压力的耦合影响,均逐渐由梯形空腔转变为葫芦状空腔,且射流的轴向最大位移遵循指数衰减规律,马赫盘的初步形成时间也基本一致;随着弹头初速和燃气初始喷射压力的降低,火药燃气在射流头部聚集且径向扩展明显,并伴随形成二次射流,而弹底对马赫盘形状的影响时间缩短,激波核心区结构也更快地接近于正激波。因此可见,装药量对膛口流场分布的影响具有一定的规律性。     

氩/氢等离子射流特性研究

为了研究等离子体射流场的特性,通过测量等离子体发生器的工作参数,并根据能量守恒原理,计算出等离子体发生器出口射流的平均焓值、平均温度及其分布;由于等离子体发生器出口处射流温度高达104K以上,其特性参数的直接测量非常困难;试验中分别改变等离子系统的电流大小、主气和次气流量,观察等离子射流的参数变化,并对碳/碳复合材料进行烧蚀实验;结果表明:在等离子体发生器的出口处,射流温度呈抛物线分布;随着电弧电流的增大,等离子体发生器射流的焓值、温度和速度都显著提高;增加主气气体流量,射流焓值与温度呈下降趋势,而增加氢气流量时,射流焓值与温度将会得到显著提高。随着温度和焓值的升高,碳/碳复合材料的烧蚀率增大,烧蚀形貌有很大的变化。