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。     

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。     

复杂无粘流场数值模拟的矩形/三角形混合网格技术

建立了一套模拟复杂无粘流场的矩形／三角形混合网格技术，其中三角形仅限于物面附近，发挥非结构网格的几何灵活性，以少量的网格模拟复杂外型；同时在以外的区域采用矩形结构网格，发挥矩形网格计算简单快速的优势，有效地克服全非结构网格计算方法需要较大内存量和较长ＣＰＵ时间的不足．混合网格系统由修正的四分树方法生成．将ＮＮＤ有限差分与ＮＮＤ有限体积格式有机地融合于混合网格计算，消除了全矩形网格模拟曲边界的台阶效应，同时保证了网格间的通量守恒．数值实验表明本方法在模拟复杂无粘流场方面的灵活性和高效性．     

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。

     

火炮在不同介质中发射的膛口流场特性分析

为研究水下炮密封式发射膛口流场及在不同介质中的膛口流场分布特性,建立了水下密封式发射二维轴对称膛口多相流数值模型.采用VOF(volume of fluid)模型、标准k-ε湍流模型,结合用户自定义函数及动网格技术,分别对水下密封式发射与空气中发射膛口流场演化过程进行了数值模拟与对比.计算结果表明,火炮在水下发射时的膛口流场与空气中发射时有明显差异.水下密封式发射时的最大膛压与空气中基本相同,弹丸初速较空气中发射降低了32 m/s,而膛口压力与温度有明显的升高;水下密封式发射时大约在140μs初步形成马赫盘,而空气中发射时马赫盘形成较晚,约在320 μs;与空气中发射相比,水下发射时的激波核心区面积更小,且弹丸头部不存在冠状冲击波.水下密封式发射时,马赫盘距离膛口轴向位移随时间变化呈指数增长;空气中发射时,马赫盘距离膛口轴向位移随时间变化呈线性增长.     

基于无网格Galerkin法的穿甲侵彻数值模拟

将无网格Galerkin法与LS-DYNA软件相结合,建立了穿甲侵彻的分析模型,对三维球形弹体侵彻双层无限大钢靶板进行了数值模拟,解决了该过程中出现的负体积现象,并将结果与空穴膨胀理论和有限元法进行了对比,所得结果证实了无网格Galerkin法在模拟穿甲侵彻时的可行性与优越性.     

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。

     

滑移爆轰问题无网格MPM法数值模拟

利用MPM(material point method)计算方法,以爆炸焊接作为实例,对炸药滑移爆轰过程和金属飞板与基板之间的碰撞变形进行了数值模拟.并将无网格MPM法的数值计算结果与近似解析公式的计算结果进行了比较,二者基本吻合,有力地证明了无网格MPM法在求解爆炸冲击问题中的有效性和健壮性.     

Numerical investigations on dynamic process of muzzle flow

The integrative process of a quiescent projectile accelerated by high-pressure gas to shoot out at a supersonic speed and beyond the range of a precursor flow field was simulated numerically. The calculation was based on ALE equations and a second-order precision Roe method that adopted chimera grids and a dynamic mesh. From the predicted results, the coupling and interaction among the precursor flow field, propellant gas flow field and high-speed projectile were discussed in detail. The shock-vortex interaction, shockwave reflection, shock-projectile interaction with shock diffraction, and shock focus were clearly demonstrated to explain the effect on the acceleration of the projectile.     

炮口冲击式火炮后坐模拟试验的数值分析

为了获得炮口冲击试验装置的冲击参数,保证火炮后坐模拟试验的精度和有效性,以某型地面火炮为对象,基于MSC.ADAMS软件,开发了虚拟的火炮后坐模拟试验平台,实现了火炮动态后坐、复进过程的动力学模拟,开展了冲击参数的均匀试验设计。通过试验与数值模拟结果的比较,验证了冲击参数组合的合理性和模拟试验的有效性。     

二次燃烧对底排装置尾部流场影响的数值模拟

为研究二次燃烧对底排尾部流场的影响,建立了底排装置尾部流场的化学非平衡流数学物理模型。其中二次燃烧模型采用10组分25步反应的H₂-CO燃烧模型,运用统一算法的思路编程求解二维轴对称方程组。数值模拟结果与实验结果较吻合。在此基础上,对尾部流场以及燃烧特性进行了数值预测, 结果表明:二次燃烧所释放的热能远大于排气本身的热能,对增压减阻的贡献可达78%。二次燃烧改变了尾部的温度分布规律,使温度峰值分布在两个回流区内。排气沿着两回流区间的狭缝流入剪切层发生燃烧。一部分混气回流入底部附近,其中氧气不充足,存在大量CO和少量H₂未直接反应。一部分混气沿着剪切层流入下游以及主回流区内,氧含量逐渐增多,H₂和CO被反应殆尽。结果可为进一步研究底排增压减阻提供参考。     

流动系统中爆轰波传播特性的数值模拟

基于带化学反应的二维Euler方程,采用氢气/空气的9组分19步基元反应简化模型,对充有当量 比的氢气/空气预混气体的矩形爆轰流场中爆轰波的传播过程进行了数值模拟,讨论了均匀来流对爆轰波传 播的影响。数值结果表明,在均匀来流的影响下,上游方向上的燃烧强度大于C-J爆速,下游方向上的燃烧强 度小于C-J爆速;上游方向传播的爆轰波的阵面压力大于下游方向传播的爆轰波的阵面压力。所以,经典的 C-J爆轰理论并不适用于流动系统中爆轰波传播特性的研究。     

Application of hybrid Cartesian grid and gridless approach to moving boundary flow problems

The paper presents a hybrid Cartesian grid and gridless approach to solve unsteady moving boundary flow problems. Unlike the Chimera clouds of points approach, the hybrid approach uses a Cartesian grid to cover most of the computational domain and a gridless method to calculate a relatively small region adjacent to the body surface, making use of the flexibility of the gridless method in handling surface grid with complicated geometry and the computational efficiency of the Cartesian grid. Four cases were conducted to examine the applicability, accuracy and robustness of the hybrid approach. Steady flows over a single NACA0012 airfoil and dual NACA0012 airfoils at different Mach numbers and angles of attack were simulated. Moreover, by implementing a dynamic hole cutting, node identification and information communication between the Cartesian grid and the gridless regions, unsteady flows over a pitching NACA0012 airfoil (small displacement) and two‐dimensional airfoil/store separation (large displacement) were performed. The computational results were found to agree well with earlier experimental data as well as computational results. Shock waves were accurately captured. The computational results show that the hybrid approach is of potential to solve the moving boundary flow problems. Copyright © 2013 John Wiley & Sons, Ltd.     

岩石巴西圆盘动态劈裂的流形元法模拟

利用二阶流形元法,通过引入裂纹产生与扩展判据,对冲击载荷作用下岩石平台巴西圆盘的动态拉伸劈裂过程进行了数值模拟,再现拉伸波作用下圆盘被劈裂的过程。模拟现象与实验结果相符,动态平衡时的应力分布与有限元结果基本一致。从而验证了流形元在模拟冲击载荷作用下材料动态破坏过程的有效性和可行性。