超音速弹丸稀薄流场数值模拟与气动力计算

发布时间：2020-04-27 14:31

【摘要】：现代战争的残酷迫使弹箭的飞行高度越来越高。对于高空飞行的弹箭而言,气体稀薄效应越发的突出。传统的Navier-Stokes方程的前提是流体必须要连续,但是在高空环境下的气体已不能看做是连续介质。而求解Boltzmann方程又存在着很大的数学困难,这就使得我们必须采用一种新的方法来解决高空稀薄气体流动的问题。DSMC方法主要通过计算机来直接模拟流场本身,摒除了数学求解的困难,并且目前已经相当成功地应用到了各个行业的诸多方面。本文基于DSMC技术研究高超声速稀薄气体流动的直角坐标网格模拟方法,编制了高空弹箭外流场数值模拟通用计算程序。通过将DSMC结果与工程计算方法相比较,发展了一种适用于稀薄气体条件下的新型工程计算方法。首先本文深入地研究了气体分子动力学的一些基本理论知识。主要论述了速度分布函数的构造过程,做出了稀薄气体流动中的基本假设,给出了气体宏观量的表示方法。研究了二元弹性碰撞,推导了分子碰撞后的速度计算公式。研究了分子间的作用势以及几种常见的分子模型。其次讨论了直角坐标网格的生成方法,将物面边界不与网格相交推广到与网格相交的情况,并且研究了相交网格部位的切割处理方法和分子在物面上的反射情况。模拟了多种不同工况下的斜劈绕流,分析了各参数的变化规律,证明了研究方法的正确性。接下来深入研究了DSMC方法在二维稀薄气流下的实现和应用。在原有的传统直角网格搜寻技术的基础上提出了更加快捷地搜寻分子位置的方法。建立了DSMC程序中模拟分子碰撞模型和分子与物面作用的反射模型。对分子碰撞对进行取样并研究了碰撞前后分子能量的变化规律,给出了DSMC程序的计算流程。利用FORTRAN90软件编制了对于任意高度下任意外形弹头适用的DSMC程序,对二维情况下高超声速稀薄气体流动进行了数值模拟,并且模拟计算了不同外形弹头在不同工况下的气动参数,给出了相应的对比变化。最后我们研究了连续流和稀薄气流中的激波后气流参数的差异,通过DSMC方法给出了稀薄气流情况下激波后参数随半锥角的变化规律。将二者进行比较,探讨了海拔高度对激波后参数的影响。基于DSMC方法得到的流场参数,在激波—膨胀波法的基础上发展出了一种新型的工程计算方法,并将该方法计算结果与相同工况下DSMC方法模拟所得结果进行了对比。讨论了如何将新型工程算法进行更广泛地推广以及今后工作的研究方向和研究重点。
【学位授予单位】：南京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TJ410

【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 王正华,陈兰,王承尧;底部带姿控发动机的飞行器气动力计算[J];国防科技大学学报;1993年02期

2 林炳秋,毛鸿羽;战术弹亚声速纵横向非线性气动力计算研究[J];空气动力学学报;1999年01期

3 王中原,臧国才;弹丸空气动力的一个计算方法[J];南京理工大学学报(自然科学版);1987年01期

4 白雪松,贺北斗;高低压装置的气动力计算与分析[J];南京理工大学学报(自然科学版);1988年01期

5 袁伟,居贤铭;矩形截面弹体法向气动力计算方法[J];战术导弹技术;2003年03期

6 蒋光南;;用欧拉方程求解复杂组合体流场的跨音速气动力[J];民用飞机设计与研究;1995年04期

7 符冰;侯宇;;微型扑翼飞行器气动力估算方法研究[J];航空兵器;2006年05期

8 郑秋亚;杨尊袍;刘国俊;;多翼空空导弹复杂流场气动力计算[J];空军工程大学学报(自然科学版);2009年04期

9 张声伟;董建鸿;周林;;气动力配平及配平损失计算方法研究[J];航空工程进展;2010年02期

10 任碧宁,白文,朱培烨,周天孝;开放式气动力数值模拟系统研究[J];航空学报;1999年06期

相关会议论文 前4条

1 邹光远;张立柱;贾重任;;极近水面飞行的全机气动力计算[A];第十届全国计算流体力学会议论文集[C];2000年

2 符冰;侯宇;;微型扑翼飞行器气动力估算方法研究[A];第二届中国航空学会青年科技论坛文集[C];2006年

3 杜绵银;侯雅卓;;飞行器气动力优化设计系统[A];首届全国航空航天领域中的力学问题学术研讨会论文集（上册）[C];2004年

4 罗文莉;向锦武;曾开春;李道春;;高超声速飞行器气动力计算方法研究[A];北京力学会第19届学术年会论文集[C];2013年

相关硕士学位论文 前5条

1 许国龙;超音速弹丸稀薄流场数值模拟与气动力计算[D];南京理工大学;2016年

2 尚伟烈;滑翔增程弹气动力计算及分析[D];南京理工大学;2004年

3 张建军;异形截面飞行器的一种气动力算法[D];南京理工大学;2004年

4 陈文超;旋成体弹丸气动力计算与气动外弹道优化设计[D];南京理工大学;2012年

5 刘志洋;尾翼弹超音速下气动特性的计算与分析[D];南京理工大学;2004年

，

本文编号：2642354