膛口流场动力学机理数值研究

发布时间：2024-05-25 04:36

　　枪炮发射时,高温、高压火药燃气出口后快速膨胀形成复杂的膛口流场,并产生一系列危害现象,如膛口冲击波、膛口焰以及气流对弹丸运动的干扰等。研究膛口流场的动力学机理及影响因素对提高武器性能、减小气流危害等具有重要的应用价值。 以数值计算为主并结合实验,开展了膛口流场的冲击波与化学反应现象及其影响因素的研究。流场的基本方程采用含化学反应的ALE形式Navier-Stokes方程,计算网格为分区贴体结构化网格。采用有限体积法离散方程,对流项和时间项分别采用AUSM+格式和Runge-Kutta法求解,湍流模型为k-ε模型,化学反应机理采用C-H-O-N9组分12步基元反应,并使用MPI方法进行分区并行计算。 (1)在膛口射流与冲击波的研究中,不考虑湍流和化学反应的影响,数值模拟了包含高速运动弹丸和初始射流的膛口流场,分析了初始流场对火药燃气流场的影响。结果表明,初始流场超音速核心区域的方向性导致了火药燃气流出膛口后在各个方向上具有不同的膨胀特性,其在轴向上的膨胀速度大于侧向的膨胀速度,从而生成了冠状冲击波。此外,初始流场的存在提高了近膛口区域气体的滞止压力。 (2)通过改变装药量、弹丸质量和口径...

【文章页数】：120 页

【学位级别】：博士

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摘要
Abstract
目录
图表目录
1 绪论
    1.1 研究背景与意义
    1.2 国内外研究现状
    1.3 本文工作
2 膛口流场的数值计算方法
    2.1 引言
    2.2 数值模型
        2.2.1 基本假设
        2.2.2 控制方程
        2.2.3 多组分系统热力学关系
        2.2.4 湍流模型
        2.2.5 基元反应模型
    2.3 数值方法
        2.3.1 控制方程离散
        2.3.2 空间计算格式
        2.3.3 时间计算格式
    2.4 运动边界的处理
    2.5 并行计算方法
        2.5.1 并行计算机
        2.5.2 并行软件环境
        2.5.3 区域分解方法
    2.6 数值验证
        2.6.1 动网格方法验证
        2.6.2 膛口流场验证算例
        2.6.3 并行计算效率
    2.7 小结
3 膛口流场气动力学数值研究
    3.1 膛口流场概述
        3.1.1 欠膨胀射流
        3.1.2 膛口流场分类
        3.1.3 初始流场
        3.1.4 火药燃气流场
    3.2 膛口流场可视化实验
        3.2.1 实验方案
        3.2.2 实验结果与讨论
    3.3 初始流场对火药燃气流场的影响
        3.3.1 计算模型
        3.3.2 初始流场的基本特征
        3.3.3 初始流场的影响
    3.4 后效期内弹丸速度变化规律
        3.4.1 弹丸后效期速度变化规律
        3.4.2 弹丸后效期加速量的影响因素
    3.5 膛口装置的影响
        3.5.1 筒形喷管
        3.5.2 圆形挡板
        3.5.3 锥形喷管
    3.6 小结
4 膛口反应流动力学研究
    4.1 膛口流场化学反应过程机理分析
        4.1.1 计算模型
        4.1.2 流场结构与气流特性
        4.1.3 涡量场
        4.1.4 组分扩散
        4.1.5 温度场与反应产物
        4.1.6 小结
    4.2 含膛口装置膛口反应流
    4.3 小结
5 高空环境膛口流场特性研究
    5.1 高空环境下的膛口流场实验研究
        5.1.1 冲击波超压峰值测试
        5.1.2 膛口流场可视化实验
    5.2 高空环境下的膛口冲击波场数值研究
        5.2.1 常温低压环境
        5.2.2 低温低压环境
        5.2.3 有超音速来流
    5.3 高空环境下的膛口化学反应流数值研究
    5.4 小结
6 结束语
    6.1 本文工作总结
    6.2 本文的创新之处
    6.3 展望
致谢
参考文献
附录



本文编号：3981710