膛口流场的数值模拟

本文使用严格二维的FCT算法数值模拟美国M16 5.36毫米自动步枪的非定常的轴对称膛口流场。用此方法不仅可得到膛口冲击波的发展过程,而且可得到不少数值方法不易得到的马赫盘的发展过程。本文计算结果与Schmidt的实验结果作了比较,二者吻合较好。这一结果为进一步开展更复杂(考虑弹丸、膛口制退器等)的膛口流场的数值模拟奠定了基础。     

带制退器膛口流场的三维数值模拟

利用三维任意坐标 系下Euler方程组和LU分解的数值方法模拟了不带膛口装置的某步枪膛口流场,计算结果与 实验结果比较吻合. 对某口径火炮带有制退器的膛口流场进行了数值模拟,其结果反映了制 退器内外流场的主要特征和冲击波波系之间的相互作用,在数值模拟的基础上分析 了3排侧 孔对制退器性能的影响. 本文提供了有关膛口流场的详细数据,将对制退器总体性能研究有 重要的参考意义.     

导电滑环Au涂层摩擦磨损行为的分子动力学模拟

金(Au)及其合金由于优异的导电和抗氧化特性被广泛用做星载导电滑环涂覆层,本文中采用分子动力学模拟方法研究了导电滑环Au-Au涂层在不同温度和不同摩擦速度下的摩擦磨损行为,并通过设定模型局部快速升温模拟载流摩擦中电弧侵蚀的效果.结果表明:滑环环体与环刷的磨损主要为黏着磨损,温度升高会加快下压过程的界面力学响应;相对运动速度越低,磨损越严重,同时跑合后的摩擦力越大;影响摩擦磨损特性的主要原因是接触中心在温升区域中心附近时的焊接现象.研究结果为揭示Au-Au涂层的摩擦磨损性能随温度和速度变化的微观机理提供了参考依据,为我国卫星长寿命,高可靠性设计提供理论基础.     

固体差动随行装药高初速火炮内弹道理论分析

提出了一种基于差动原理的固体差动随行装药的高初速火炮发射方案,该方案能有效克服传统随行装药技术提高初速必将伴随射弹底部最大压力增加的缺点。它的主要特点是运用差动原理,实现不同组合件之间的速度不同,自动压缩储能室使随行工质向弹后连续喷射,有效抑制和消除了弹丸运动引发的稀疏波影响,提高了火炮工作容积利用率。推导了差动随行组合弹丸不同组合件动力学模型,给出了弹载工质物理量分布关系式。计算结果表明,在最大膛压、飞行弹丸底部最大压力、弹重及弹丸行程等不变条件下,随行药量取10.2 kg,某大口径火炮的弹丸初速可提高26%,火炮工作容积利用率提高约44%。该方案可为火炮提高初速和实现超远程发射提供新的途径。     

基于移动窗口的串联增强型轨道炮发射过程电磁场演化模拟分析

简要介绍了Railgun3D程序的主要控制方程,使用Railgun3D程序对串联增强型轨道炮发射过程进行了模拟,详细分析了一复杂构型的电枢在梯形驱动电流加载外轨道/电枢上电磁场的演化过程,对电流涡结构、电流趋肤效应进行了讨论。计算中观察到了不同于普通单轨的现象,由于增强轨道的存在,驱动电流在增强轨道上产生了较大的磁场,由于电磁感应,在内轨道炮口一端上有显著的磁场和电流分布,感应电流的大小依赖于驱动电流的变化率。计算给出了多个时刻电枢附近电流涡结构的演化过程,并在电流下降段,电枢后表面上电流出现反向,指出该效应可能是导致电枢与轨道接触应力不足、甚至出现电枢转捩的重要因素。通过中心对称面上电流密度云图,模拟结果显示出磁扩散与速度趋肤效应在整个过程中的相互竞争决定了电流的分布形态。     

一种新型结构火炮身管膛线的计算分析

针对传统的火炮身管内弹道结构形式，提出了一种新型结构形式的火炮身管膛线——渐变截面结构膛线。以大口径火炮身管膛线作为研究对象，计算分析传统等截面结构膛线和渐变截面结构膛线的弹丸弹带挤进阻力、导转侧向力、膛线截面面积和膛线摩擦力的变化情况。计算结果表明，新型渐变截面结构膛线有利于增强弹丸弹带的挤入能力，减少膛线根部应力集中，减少弹丸弹带对膛线的冲击和磨损，有效提升弹丸弹带的闭气性能，同时渐变结构膛线可有效减小弹丸在膛内运动时受到的扰动，使得弹丸在膛内运行平稳，减少炮口章动，在保证射击精度的同时，有利于提高身管的使用寿命。     

轨道炮刨削形成机理分析及数值模拟

基于电磁轨道炮的发射特点,分析了轨道炮刨削形成机理,并利用有限元软件ABAQUS对刨削的形成过程进行了数值模拟。结果表明:非均匀温度分布导致的瞬态微凸体,确实可以引起刨削的发生;刨削的数值模拟结果与实验结果具有较好的一致性;刨槽的损伤程度主要与电枢速度和枢轨间的有效损伤接触面积有关,而枢轨界面载荷对刨削的影响较小;高温材料更容易受到损伤,将缩短其使用寿命;选用硬度高的金属作为轨道材料,在一定程度上可以抑制刨削的发生,但是这将降低轨道的导电性能和轨道炮的发射效率。因此,根据自身实际的需求,确定材料硬度和导电性之间的平衡点,并通过轨道结构上的创新,克服现有金属加工技术的限制将是抑制轨道炮刨削的关键。     

Computational and experimental study of a railplug igniter

The plasma plume generated by a new type of high energy igniter known as the railplug is examined. The railplug is a miniaturized railgun that has the potential for improving ignition characteristics of combustible mixtures in engines. The objective of the study is to gain an understanding of the characteristics of the plasma created by a transparent railplug and to validate a multidimensional computer simulation of the plasma and shock fronts. The nature of the plume emitted by the railplug was examined for three levels of electrical energy while firing into air at a pressure of 1 atm. The computer model is to be used to predict trends in railplug performance for various railplug designs, energies, and ambient conditions. The velocity of the plasma movement inside a transparent railplug was measured, as well as the velocity of the plume ejected from the cavity. A shock is produced at the initiation point of the arc and propagates down the cavity, eventually exiting the plug. The velocity of the shock was both measured experimentally and simulated by the model. The computer simulation produces a mushroom-shaped plasma plume at the railplug exit similar to that observed in the shadowgraph photos. The simulation also reproduced the toroidal circulation observed at the plug exit in the shadowgraphs, the radial expansion, and the penetration depth of the plume. The trend of linearly increasing plasma kinetic energy with stored electrical energy predicted by the simulation was verified by shadowgraph photos. The agreement between the experiments and the simulations suggests that the multidimensional model holds promise as a predictive design tool.     

带制退器的膛口射流噪声数值模拟与实验研究

为了研究膛口装置对膛口噪声气动特性的影响，对带膛口制退器的某小口径武器的膛口射流噪声进行了数值模拟和实验研究。采用计算流体力学CFD (computational fluid dynamics)-计算气动声学CAA (computational aeroacoustics)耦合算法对膛口噪声进行数值模拟，即对膛口流场进行瞬态CFD模拟，获取流场数据，然后利用所得到的结果采用声学方程模拟声源信息求解声场。基于数值模拟结果，分析了膛口流场变化及噪声的指向性分布，并与实验结果进行了对比。研究表明:膛口制退器的安装改变了膛口流场结构，影响了膛口射流噪声的指向性分布。计算结果与实验结果的误差小于9%，验证了该计算方法的可行性。研究结果可为膛口射流噪声的预测及膛口制退器的设计提供一定的参考。     

Influences of Marangoni effect on solidification of curved interfaces with constant curvature

The asymptotic method and phase field simulation are applied to study the influences of variation of the surface tension with temperature on the movements of solid-liquid interfaces in the solidification process of spherical and cylindrical nuclei, respectively. Results indicate that Marangoni effect will increase the critical nucleation radius, slow up the movement of interface. The tip speed of dendrite decreases linearly with Marangoni number for melt without convection. The results of phase field simulation are qualitatively in accord with that of asymptotic method.     

膛口反应流并行数值模拟

采用轴对称多组分N-S方程对含有高速运动弹丸的膛口反应流进行了数值模拟.控制方程采用时间分裂方法并在大型计算机上采用MPI方法进行多核并行求解,其中对流项采用二阶AUSM+格式和MUSCL插值方法进行处理,燃气采用氢气-空气混合气,反应机理为9组分19步基元反应.对于弹丸引起的网格运动,采用嵌套网格法处理.并行验证算例与串行计算结果一致,采用20个CPU计算时效率为64％.根据数值结果详细讨论了发射过程中的气体动力学和化学动力学过程,并且通过对两种条件下的计算结果比较分析了化学反应对膛口流场发展的影响.结果表明,上述算法能够较为正确地模拟弹丸和化学反应对膛口流场的影响,并大大提高了计算速度.     

弹道枪不同水深下全淹没式发射膛口流场的数值分析

为了解弹道枪水下全淹没发射时，水深对膛口流场演化特性的影响，建立了二维轴对称非稳态膛口流场模型。采用流体体积函数多相流模型、标准k-ε湍流模型和Schnerr-Sauer空化模型，结合动网格及用户自定义函数技术，对水下全淹没发射膛口流场演变全过程进行了数值模拟。搭建了弹道枪水下可视化射击实验平台，对12.7 mm口径弹道枪在水中全淹没式发射时膛口流场演化过程进行了观测，并验证了数值模型的合理性。在此基础上，对比了不同水深下（h=1～100 m）膛口流场的演化特性。通过对比发现:在不同水深条件下，在膛口流场影响范围内，弹丸膛外行程随时间的变化均满足指数函数规律；水越深，膛口流场典型波系结构形成所需时间越长，且燃气在膛口轴向马赫盘处的温度和压力峰值越低，压力振荡幅度也越小，更快趋于平稳，但在径向上，水越深，压力振荡持续时间越长。     

An upwind numerical solution of nonlinear advection-diffusion problems with a moving heat source

In the present work, two-dimensional temperature variations and a position of a weldpool within a workpiece during keyhole plasma arc welding are determined. The model allows to include temperature dependent thermal properties, variable welding speed, different keyhole radii and a nonlinear boundary condition of the third kind on the upper and the lower surfaces of the workpiece. The upwind scheme (donor cell method) is employed to present physically realistic numerical solutions. The obtained results can be used for controlling the plasma arc welding process through the controlling of plasma jet diameter. Received on 10 March 1998     

HEAT-PIPE-COOLED THERMAL PROTECTION FOR THE LEADING EDGE OF THE WING

针对高超声速飞行器飞行时翼前缘存在着严重的气动加热问题，为了保证翼前缘的尖锐外形，提出疏导式热防护结构，利用内置高温热管结构为翼前缘提供热防护。采用数值模拟和电弧风洞试验的方法对翼前缘疏导式结构进行了分析，得到翼前缘内置高温热管具有的防热效果。数值模拟结果表明在一定热环境条件下，翼前缘驻点温度下降了304K，尾部最低温度升高了130K，实现了热流从高温区到低温区的疏导，减弱了翼前缘的热载荷，强化了翼前缘的热防护能力。通过电弧风洞试验可以获得相同的热防护结果，并且在一定飞行条件下高温热管可以自适应启动，验证了数值模拟方法的准确性以及翼前缘内置高温热管疏导式热防护结构的可行性。     

沟槽深孔微差爆破的工程实践和数值模拟

以工程实践和动力有限元程序分析沟槽深孔微差爆破问题。探讨了沟槽内岩块的运动规律,以及深孔微差爆破的作用机理。结果表明,基于工程实践的数值模拟,能较客观地反映爆破破岩的动态过程,并为爆破设计提供理论依据。     

分离流动数值模拟的几个问题

介绍了分离流动现象.给出了三维定常粘性流动分离识别准则,研究了分离流动的性态.给出了应用于分离流动的六种模型及有关的控制方程.讨论了求解NS方程的数值方法和数值模拟的前景.特别研究了应用于分离流动的Eulcr方程的数值模拟问题.      

NUMERICAL SIMULATION OF FIBROBLAST DUROTAXIS MIGRATION INDUCED BY STIFFNESS GRADIENT OF SUBSTRATE1)

建立了一种细胞趋硬性迁移的理论模型和有限元分析框架,为连续变刚度人工基质的试验设计提供理论依据。考虑了细胞体的黏弹性属性,以及细胞与基质间的配受体动态反应过程,并以配受体合成时间为时间步长,将细胞运动方程化为静力学形式进行求解。对有限元过程提出一种动约束,便于消除其结构矩阵的奇异性。结果表明,模型能够模拟黏着斑内部力的快速波动现象,细胞的运动速度与观测数据一致,可有效模拟20,h以上的长时程问题。     

化爆冲击波和炮口冲击波对生物致伤效应的对比研究

通过TNT化爆和火炮现场试验,探讨了化爆冲击波和炮口冲击波的异同点,结果发现两者的频谱大致相似。但化爆冲击波只有一次激波,而炮口冲击波有两次激波,有时甚至可见到三次激波。生物效应致伤的靶器官也有所不同,化爆冲击波以肺损伤较为多见,而炮口冲击波似乎以上呼吸道更为敏感,结果提示化爆可以模拟炮口冲击波,但又不完全等同于炮口冲击波,必要的火炮现场试验是必不可少的。     

小口径膛口射流噪声的数值模拟

为了研究小口径武器的膛口气动噪声特性,采用CFD-CAA耦合算法对7.62 mm枪的射流噪声场进行了数值模拟。由于膛口流场结构复杂,在目前的计算发展水平下还不足以采用CAA直接法,因而本文中采用混合方法,即首先采用CFD方法计算7.62 mm枪的膛口流场,然后利用所得结果,采用声学方程计算射流噪声,具体为膛口近场采用LES进行计算,远场声场采用FW-H声拟法计算。通过对比验证实验,验证了该计算方法的可行性。然后,对7.62 mm枪射流噪声进行了数值模拟,分析了噪声指向性,绘制了声压级云图。研究表明:在本文的计算条件下,射流噪声强度主要集中在近膛口区域;且射流最大噪声主要分布在与轴线方向成30°~60°范围内。     

磨合过程中缸套表面形貌变化的计算机仿真

对磨合过程中缸套表面形貌的变化进行了观测,发现其为原始表面形貌逐渐被新表面形貌取代的过程,最终表面形貌由缸套的磨损和润滑条件决定,建立了模拟磨合过程中缸套表面形貌变化的计算机仿真模型,仿真结果和试验现象吻合较好。