喷射结构对充液圆管内气幕特性影响的数值分析

为了研究火炮水下气幕式发射过程中喷射结构对气幕特性的影响,建立了多股燃气射流在充液圆管中扩展的三维非稳态数理模型,获得了多股燃气射流在充液圆管内气液两相组分、压力与速度分布规律。计算结果表明:多股燃气射流从喷孔喷出后,在液体中形成多个Taylor空腔,通过Taylor空腔与液体湍流掺混生成管内气幕。由于气液湍流掺混作用导致流场内压力出现波动,汇聚界面产生低速涡流区域。斜面喷孔直径由1.5mm增大至2mm,斜面射流回流作用增强,导致由斜面射流与侧壁射流汇聚而成的侧面射流轴向扩张能力提升,气幕整体排水性能增强,8ms时气幕上方液体运动速度由8.26m·s-1增大至9.4m·s-1。     

充液圆管周向多股壁面燃气射流排水特性

为探索水下火炮低阻高速发射新方式及工作原理,提出一种在身管内壁开设若干道凹槽、引导部分弹后火药燃气实时排水的方式,以达到在类似于空气中发射的效果,实现水下火炮低阻高速发射的目的。建立充液圆管多股燃气排水的三维非稳态两相流模型,并针对30 mm充液圆管气体与液体相互作用过程进行数值模拟。结果表明：多股燃气射流在扩展过程中沿周向率先汇聚,随后协同排出壁面附近的液体工质,最后完成径向汇聚,形成柱状气幕。多股燃气射流在圆管内的轴向扩展速度先短暂地迅速衰减,随后由波动上升逐渐转变为非线性上升。喷孔近场区域内,各截面燃气面积分数在波动中逐渐上升;喷孔远场区域内,燃气射流扩展到某一截面时,该截面燃气面积分数迅速上升,但在随后的扩展过程中,燃气面积分数缓慢上升且存在波动。充液圆管内燃气体积分数呈非线性增长,排水效果良好。     

枪口压力对水下发射膛口流场特性的影响

为了研究机枪水下发射枪口燃气喷射压力对膛口流场分布特性的影响,基于流体计算软件FLUENT,采用结构化网格并结合动网格技术,建立了水下枪膛口流场二维轴对称仿真模型,针对14.5 mm水下枪,分别采用30 MPa、45 MPa和60 MPa燃气喷射压力对水下密封式发射膛口流场进行了数值模拟。计算结果表明:3种枪口喷射压力条件下,火药燃气喷出膛口后都迅速形成射流膨胀区,膛口轴向压力急剧衰减,燃气扩展过程中受到水和弹丸的较大阻力,在弹后空间聚集,使得压力有不同程度的升高; 燃气喷射压力在30～60 MPa范围内,膛口马赫盘初步形成的时间略有不同,约在145～152 μs之间,压力越小时,马赫盘形成越早且弹丸越早脱离火药燃气的包围; 3种压力条件下马赫盘距离膛口中心位置随时间的变化都呈指数分布规律。     

直沟槽与螺旋沟槽排水结构对水下炮气幕演化特性的影响分析

为了降低水下炮的发射阻力，基于气幕式发射原理设计了一种带螺旋沟槽结构的新型火炮身管，通过身管内壁上开设的4条螺旋沟槽实现水下炮低阻高速发射。建立了水下炮气幕式发射排水过程的非稳态三维两相流模型，并验证了模型的合理性，在此基础上，开展螺旋沟槽结构排水过程的数值模拟，并对比分析了直沟槽和螺旋沟槽结构对气幕排水的影响。结果表明：在扩展初期，4股燃气射流沿螺旋沟槽结构进行周向旋转和径向快速扩展；随后射流间相互干涉，逐渐汇聚；最后，4股射流形成柱状气幕，开始协同排水。气幕形成过程中，螺旋沟槽结构对射流头部扩展速度有较为复杂的影响，射流头部速度先骤减随后波动下降；柱状气幕形成后，气幕头部速度呈非线性缓慢上升。气幕头部扩展到管口时，螺旋沟槽身管的含气率相比直沟槽身管提升了9.3%，特别是弹前400 mm范围内的含气率达到100%。     

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。     

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。     

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。     

双束燃气射流与整装式液体装药相互作用的实验和数值模拟

为了探索整装式液体发射药火炮(BLPG)内弹道稳定性的控制方法,设计了5 级圆柱渐扩型观察室和圆柱观察室,开展了双束燃气射流在液体药模拟工质中扩展的实验研究。实验结果表明,渐扩型结构能够抑制Taylor 空腔与Kelvin-Helmholtz 不稳定性效应的正反馈机制。在实验基础上,建立了三维非稳态数理模型,模拟了不同观察室结构下,双束燃气射流在液体工质中的扩展过程,获得了射流场中密度、压力和温度的分布图。模拟结果表明:圆柱渐扩型观察室中,由于渐扩台阶的诱导作用,强化了气液在径向的湍流掺混效应,抑制了射流的轴向湍流度;且射流的外轮廓相对较光滑。双束射流轴向位移的计算值与实验结果吻合较好。     

圆柱型边界条件下多股燃气射流扩展形态的数值模拟

以整装式液体发射药火炮为背景,从气液两相湍流掺混出发,研究燃烧稳定性的方法。设计圆柱型观察室,采用数值模拟方法,基于流体动力学理论,分别模拟六股和八股燃气射流在圆柱型边界条件下的扩展。通过追踪燃气空腔的扩展,获得了射流场两相分布、流线分布及压力分布。模拟结果表明:2种工况下燃气射流的轴向位移相似,六股燃气射流外轮廓更为光滑,其径向发展强于八股燃气射流。八股燃气射流相互干涉对流场的影响较为剧烈,湍流掺混明显。2种工况下径向压力分布对比明显,轴向压力分布相似。     

边界形状对4股燃气射流扩展稳定性影响的数值模拟

为研究提高整装式液体发射药火炮燃烧稳定性的方法,从充液室结构出发,分析了冷态条件下边界形状对4股燃气射流扩展稳定性的影响。采用高速数字摄像系统,记录了4股燃气射流在5级圆柱渐扩型观察室中扩展过程。在此基础上,建立了气体与液体相互作用的三维非稳态数理模型,模拟了4股燃气射流在5级圆柱渐扩型、圆锥型和圆柱型观察室中扩展过程,获得了射流场三维两相分布图、压力和温度分布图。研究结果表明：4股燃气射流在5级圆柱渐扩型观察室中轴向位移的模拟值与实验结果较吻合;圆柱渐扩型和圆锥型观察室都可以增强燃气射流的径向扩展,有效抑制Taylor空腔与Helmholtz不稳定效应的正反馈机制;圆柱渐扩型由于台阶逐渐诱导作用,近喷孔处温度场无剧烈脉动,射流扩展更加稳定。     

高过载条件下弹丸材料所受应力的数值仿真

弹丸在发射过程中承受着复杂的载荷,这些载荷很难计算得出数值解析解。通常采用数值模拟法去仿真弹丸的发射过程,利用计算机模拟弹丸所受到的各种载荷。弹丸所受到的载荷简化为轴向载荷、径向载荷和环向载荷,并仿真模拟弹丸的初速度与实际的测试速度相一致。得出各个时刻弹丸各部分的应力值,依据材料的力学特性便可以对弹丸各部分进行强度校核,为弹丸设计工作中材料的选择提供理论依据。     

多股贴壁燃气射流在圆柱型充液室中的扩展特性

为了探索高温高压周向均布多股贴壁燃气射流在受限空间内液体工质中的扩展特性,设计了贴壁燃气射流在圆柱形充液室内扩展的实验装置。用数字高速录像系统记录多股贴壁燃气射流在充液室中的扩展过程,处理拍摄记录的射流扩展序列图,获得了不同时刻多股射流形态头部的平均轴向位移。从射流扩展序列图可以发现由Kelvin-Helmholtz不稳定性引起的表面不规则一直存在于整个射流扩展过程。通过改变喷孔个数和破膜喷射压力,对比分析了不同工况下多股贴壁燃气射流的扩展特性。结果表明:喷孔个数增加,相同时刻射流轴向扩展位移变小,t=5 ms时刻,从四孔增加到六孔,其轴向扩展位移减少了8.3%,从六孔增加到八孔,减少了3.1%;随着破膜喷射压力增大,射流轴向扩展速度更快,射流轴向扩展到达充液室顶部的时间变短,t=5 ms时刻,燃气破膜压力从12 MPa增加到20 MPa,射流轴向扩展速度增加了20.1%,从20 MPa增加到28 MPa,增加了19.9%。     

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。     

导弹撞击水幕动态响应数值模拟研究

利用ANSYS/LS-DYNA有限元仿真软件,对掠海飞行导弹撞击水幕的动态过程进行模拟,分析了水幕厚度对导弹飞行速度、弹体载荷以及弹体头部压力的影响。分析结果表明:水幕厚度变化对弹体飞行速度变化影响很小;导弹整体过载与水幕厚度以及弹体初速有关,水幕厚度小于0.4 cm或大于8 cm时弹体的轴向过载随弹体速度增加而增加;当弹体飞行速度在300 m/s左右,弹体头部获得最大的冲击压力。数值研究结果为分析研究爆炸水幕形成技术以及水幕反导毁伤机理提供了数据支撑。     

改进气体流量计算方法的迫榴炮内弹道模型

内弹道计算对炮弹发射有重要意义.文中研究了迫榴炮发射迫弹时的内弹道模型,将膛内气体流出过程类比喷管气体流动过程,针对气体流出量的计算进行了详细的讨论.然后在Matlab软件中运用四阶Runge-Kutta法对某型120 mm自行迫榴炮发射迫击炮弹内弹道过程进行插值求解,并用CFD++软件对发射过程进行仿真.利用该模型计算所得膛压及出炮口速度与实验所测基本一致,火药气体流动状态与仿真结果相符,仿真与实验结果均证明了该模型的正确性、可靠性.     

水下并联超空泡射弹外弹道数值分析

为获取水下并联发射超空泡射弹的弹道特性,基于重叠网格技术、RANS方程、Schnerr-Sauer空化模型和k-ε湍流模型,对超空泡射弹的水下同步发射与异步发射工况进行了多工况数值模拟研究。通过设置不同的弹丸间距与发射时间间隔,对比分析了并联超空泡射弹水下运动的流场特性与弹道特性。研究结果表明:对于水下同步发射,弹丸内侧空泡发展受到抑制,弹丸在不对称的水动力作用下向外侧偏转,当弹丸间距增加至4D以上时,两弹丸之间几乎无干扰; 对于异步发射的先发弹丸,随着发射时间间隔的增加,其弹道偏移量先增大后减小; 对于异步发射的后发弹丸,随着发射时间间隔的增加,侧空泡扩张的抑制作用逐渐解除,并有过度膨胀的趋势,时间间隔越大,速度衰减越慢。