膛口初始流场对火药燃气流场影响的数值研究

枪炮发射时,身管内被弹丸压缩的空气柱喷出膛口后形成初始流场,它对后续火药燃气流场的发展及弹丸的运动产生很大影响,甚至会降低射击精度。因而,研究初始流场对火药燃气流场的影响机理对于武器设计具有重要的意义。基于ALE方程的有限体积方法,利用AUSM+格式和分区结构化贴体网格对含有复杂形状弹丸的膛口流场进行了数值模拟。根据数值结果绘制的计算阴影图与实验阴影照片符合较好。分别计算了有、无初始流场两种条件下的流场发展过程,详细比较讨论了它们的流场结构与参数特征。结果表明枪炮发射时,身管内被弹丸压缩的空气柱喷出膛口后形成初始流场,它对后续火药燃气流场的发展及弹丸的运动产生很大影响,甚至会降低射击精度。因而,研究初始流场对火药燃气流场的影响机理对于武器设计具有重要的意义。基于ALE方程的有限体积方法,利用AUSM+格式和分区结构化贴体网格对含有复杂形状弹丸的膛口流场进行了数值模拟。根据数值结果绘制的计算阴影图与实验阴影照片符合较好。分别计算了有、无初始流场两种条件下的流场发展过程,详细比较讨论了它们的流场结构与参数特征。结果表明初始流场的存在是火药燃气流场形成冠状冲击波的必要条件。同时,含有初始流场条件下的近膛口区域最大滞止压力相对于无初始流场条件增加了2倍以上。     

后效期火药气体流空过程数值模拟

后效期火药气体流空规律与火药气体作用系数历来是各国兵器研究的重要内容.现有的火药气体作用系数的计算方法多是在准定常假设下得到的理论或经验关系式,适应面较窄,误差普遍偏高.本文采用AUSM+格式和双时间步法,对65式37 mm高炮(无膛口装置和带不同锥形消焰器)共5个算例的火药气体流空过程进行了数值模拟,根据数值结果计算了火药气体作用系数,与实验值相比,误差能控制在6%以内,符合较好.为进一步研究复杂条件下的后效期流空规律打下了基础.     

膛口冲击波物理模型数值分析

为分析膛口冲击波的物理特性,分别对点爆炸和膛口初始流场进行了数值模拟.采用Roe/HLL混合计算方法,消除了二阶Roe格式引起的激波不稳定现象,初始流场数值结果与实验照片吻合较好.获取了点爆炸冲击波和初始冲击波的波阵面及其超压峰值等值线,在此基础上分析了二者在时间上的分布特征及衰减规律.结果表明,膛口冲击波是球心作减速运动的变能量球形冲击波.     

内埋式航炮膛口流场特性数值模拟研究

为研究飞行速度对内埋式航炮膛口流场特性的影响,基于Navier-Stokes方程和k-ε湍流模型,采用Roe格式分别对4种飞行速度条件下的菱形机翼中内埋航炮膛口流场发展过程进行了数值模拟,对比分析了静止条件和超音速飞行状态下膛口流场的基本特征以及冲击波强度变化关系。结果表明：超音速飞行时形成由火药燃气冲击波、分离激波、滑移面等波系构成的膛口流场结构;在一定飞行速度范围内分离激波尺寸与来流马赫数正相关;膛口附近冲击波超压峰值变化与飞行马赫数有关。     

超空泡射弹小入水角高速斜入水试验研究

为研究超空泡射弹小入水角高速斜入水性能,利用高速摄像技术开展了超空泡射弹入水试验。沿水下弹道轨迹的左侧等距布置压力传感器测试压力变化,分析弹体不同侧滑角入水冲击过程的弹道轨迹、喷溅演变和水下压力波传播特征。结果表明：对于射弹小入水角高速斜入水,弹体小侧滑角入水能形成较光滑透明的入水空泡和稳定的入水弹道,较大的侧滑角易造成空泡内严重雾化、弹道轨迹偏转和弹体损坏等现象,严重程度随侧滑角增大而增大;小侧滑角下弹头空化器及圆锥段斜面与水面的撞击使得入水喷溅在俯视下呈左右近似对称的“蝶”状,侧滑角对前半部分喷溅的左右对称性影响较小,对后半部分喷溅的对称性和范围影响较大,前半部分喷溅的对称轴随着侧滑角增大会出现相应偏转;入水冲击产生的水下压力波变化过程可分成两阶段：由弹体和水域冲击产生的初始压力波动阶段和各压力波叠加的高频脉动阶段,两阶段压力波动因侧滑角增加后入水状态的不同而呈现不同的变化特征。     

空化器形状对超空泡射弹尾拍运动影响的数值研究

为研究空化器形状对超空泡射弹尾拍航行时运动特性的影响,基于有限体积法和Mixture多相流模型,结合动网格技术构建了三维自由尾拍运动仿真模型,在两种长径比下比较了平头弹、凹口弹、锥头弹的尾拍运动特性,并分析了其水动力影响因素。结果表明:较小长径比下,平头弹可以保持运动稳定,凹口弹和锥头弹易失稳,主要是由于空化器产生的空泡尺寸差异导致其临界失稳攻角依次降低。较大长径比下,临界失稳攻角消失,三种头型射弹均能保持尾拍稳定,锥头弹在速度较高时以“单侧尾拍”保持稳定,速度降低后以“双侧尾拍”保持稳定,而平头弹和凹口弹始终以“双侧尾拍”保持稳定;锥头弹由于“单侧尾拍”会产生与初始扰动方向相反的垂直位移,而平头弹和凹口弹由于弹头升力产生与初始扰动方向相同的垂直位移。     

细长体射弹高速水平入水研究

为研究射弹在水中航行的弹道特性,对细长体射弹高速水平入水进行了实验,并利用高速摄像机进行了自动同步拍摄,研究了超空泡的形成和发展过程,以及水箱底部2处位置在水下压力波影响下的压力变化趋势; 基于动网格技术模拟了射弹在水中的航行过程,获得了射弹质心的位移、速度、加速度、射弹的偏转角度等物理量的变化规律,通过对航行过程中空化现象的详细分析得到了射弹空化发生的部位。结果表明:由于受水压力波影响,射弹周围水域压力会出现突跃; 射弹航行过程中先在弹肩部位发生空化; 射弹航行过程中尾部在空泡内发生偏移以保证航行的稳定性。     

尾部形状对超空泡射弹尾拍运动影响的数值研究

尾拍运动是超空泡射弹保持水中稳定运动的主要方式。为研究尾部形状对超空泡射弹尾拍运动特性的影响，基于有限体积法和Mixture多相流模型，结合动网格技术构建三维自由尾拍运动仿真模型，比较圆柱弹、尾锥弹、尾翼弹和尾裙弹的尾拍运动特性，分析了在不同初始扰动角速度情况下射弹的固有运动状态特性。研究结果表明：射弹尾拍时，尾部形状会影响尾部沾湿面和尾部沾湿产生的空泡，尾部沾湿表面面积越大或沾湿表面与射弹航行速度方向夹角越大，同攻角下射弹所受的力矩越大，尾拍频率越高，速度衰减越快，在不失稳的情况下，射弹的速度衰减快慢为尾裙弹>圆柱弹>尾锥弹>尾翼弹；4种射弹都存在与射弹的几何形状有关，而与初始扰动角速度无关的固有尾拍运动状态，此状态下射弹尾拍角速度振荡峰值随速度的衰减正比例减小。