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。     

含化学反应膛口流场的无网格数值模拟

基于无网格方法,对包含大位移运动边界和非平衡化学反应的膛口流场进行了数值模拟。所发展算法是基于线性基函数最小二乘显式无网格方法,忽略黏性及湍流的影响,对流场采用ALE(arbitrary Lagrangian-Eulerian)形式的Euler方程描述,对流通量和化学反应源项采用多组分HLLC(Harten-Lax-van Leer-Contact)格式和有限速率反应模型计算,对于运动边界造成的点云畸形采用局部点云重构方法处理,重构过程中采用虚拟边阵面推进。对圆柱绕流和激波诱导燃烧流场进行了数值模拟,验证了重构方法和化学反应计算的有效性。最后对12.7 mm口径机枪膛口流场进行了模拟,结果同实验照片、非结构网格方法结果吻合较好,数值结果清晰地再现了膛口初始冲击波、膛口冲击波、欠膨胀射流波系结构的动力学发展过程,以及膛口焰的时间、空间分布特征。     

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。     

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.     

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.     

含内插管扩张型抑制装置的膛口流场数值研究

采用ＴＶＤ格式求解Ｎ－Ｓ方程，数值模拟了含内插管扩张型抑制装置的膛口流场，展示了由膛口冲击波包围着的特征多变的射流结构的演变过程，模拟结果与实验照片相符。分析了膛口冲击波与射流结构的相互作用，揭示了锥状冲击波和锥状燃气团的形成机理。     

内含运动物体的非定常流场计算

本文改造了高阶精度的MUSCL(MonotonicUpstream-centered Scheme for Conservation Laws)差分格式,对含有膛口装置和运动弹丸的火炮膛口流场进行了数值模拟,得到了由空气冲击波和射流近场结构所组成的全流场流动图象。     

开式转子噪声数值模拟与试验研究

为了研究开式转子在低速起飞工况下的噪声特性,运用计算流体力学(CFD)和计算气动声学(CAA)相结合的方法,对开式转子的离散噪声做了数值模拟。采用非线性谐波法(NLH)对开式转子的非定常流场进行计算,非定常分量和叶面定常载荷一同构建类比声源,最后使用FW-H积分法进行远场噪声辐射计算,获取远场多点的噪声频谱结果。搭建了开式转子试验台,使用0°～90°远场指向性阵列测试了指向角区间内的噪声特性结果,并与数值模拟结果进行对比。研究结果表明：干涉噪声是开式转子的主要噪声;关键频率处的数值模拟结果与试验结果趋势基本一致,误差在3 dB以内;所建立的非线性谐波法频域内展开求解非定常扰动量的气动噪声数值模拟方法,可以为开式转子噪声的快速准确预测提供一定的帮助。     

基于ALE方程的动网格膛口流场数值研究

基于ALE(Arbitrary Lagrangian-Eulerian Equation)方程的有限体积法,采用高精度Roe方法及结构化动网格,利用嵌入网格技术及动边界条件,对弹丸由膛内高压气体推动射出到完全飞高初始流场的整个过程进行了数值模拟.根据数值结果绘制了膛口流场密度和压力分布的时序图,形象地再现了膛口流场中初始激波、弓形激波及膛口冲击波,以及接触闻断、漩涡和剪切层等的动力学发展过程.结果基本反映了膛口流场的典型变化特征,为进一步研究真实膛口流场(如带化学反应、湍流等)奠定了基础.     

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。     

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。     

A marker-and-cell approach to viscoelastic free surface flows using the PTT model

This work is concerned with the development of a numerical method capable of simulating two-dimensional viscoelastic free surface flows governed by the non-linear constitutive equation PTT (Phan-Thien–Tanner). In particular, we are interested in flows possessing moving free surfaces. The fluid is modelled by a marker-and-cell type method and employs an accurate representation of the fluid surface. Boundary conditions are described in detail and the full free surface stress conditions are considered. The PTT equation is solved by a high order method which requires the calculation of the extra-stress tensor on the mesh contour. The equations describing the numerical technique are solved by the finite difference method on a staggered grid. In order to validate the numerical method fully developed flow in a two-dimensional channel was simulated and the numerical solutions were compared with known analytic solutions. Convergence results were obtained throughout by using mesh refinement. To demonstrate that complex free surface flows using the PTT model can be computed, extrudate swell and a jet flowing onto a rigid plate were simulated.     

Computation of axisymmetric confined jets in a diffuser

The paper reports on a numerical study of turbulent confined jets in a conical duct with a 5° divergence. The flow has a large ratio of jet to ambient velocities at the entrance so that it gives rise to strong recirculation. The calculations are carried out with a general finite volume method designed for calculating incompressible elliptic flows with complex boundaries. Turbulence is simulated by the standard κ–? model. The sensitivity of the solution to numerical discretization errors is examined using three convection schemes, i.e. hybrid central/upwind differencing, QUICK and SOUCUP, on two grids consisting of 68 × 50 and 102 × 82 points respectively. An examination is also made of the influence of inlet boundary conditions on the predicted flow field. The computed results are compared with experimental data for mean axial velocity, turbulent shear stress and turbulent kinetic energy profiles. It is shown that the calculations reproduce the essential features of the flow observed in the experiments.     

基于非结构/混合网格的高阶精度格式研究进展

尽管以二阶精度格式为基础的计算流体力学(CFD) 方法和软件已经在航空航天飞行器设计中发挥了重要的作用, 但是由于二阶精度格式的耗散和色散较大, 对于湍流、分离等多尺度流动现象的模拟, 现有成熟的CFD 软件仍难以给出满意的结果, 为此CFD 工作者发展了众多的高阶精度计算格式. 如果以适应的计算网格来分类, 一般可以分为基于结构网格的有限差分格式、基于非结构/混合网格的有限体积法和有限元方法,以及各种类型的混合方法. 由于非结构/混合网格具有良好的几何适应性, 基于非结构/混合网格的高阶精度格式近年来备受关注. 本文综述了近年来基于非结构/混合网格的高阶精度格式研究进展, 重点介绍了空间离散方法, 主要包括k-Exact 和ENO/WENO 等有限体积方法, 间断伽辽金(DG) 有限元方法, 有限谱体积(SV) 和有限谱差分(SD) 方法, 以及近来发展的各种DG/FV 混合算法和将各种方法统一在一个框架内的CPR (correctionprocedure via reconstruction) 方法等. 随后简要介绍了高阶精度格式应用于复杂外形流动数值模拟的一些需要关注的问题, 包括曲边界的处理方法、间断侦测和限制器、各种加速收敛技术等. 在综述过程中, 介绍了各种方法的优势与不足, 其间介绍了作者发展的基于"静动态混合重构" 的DG/FV 混合算法. 最后展望了基于非结构/混合网格的高阶精度格式的未来发展趋势及应用前景.     

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。