聚能射流形成数值模拟

基于网格自适应方法,ALE方法和SPH方法模拟了聚能射流形成过程.分析了射流头部速度随时间的变化关系,初始时刻位于药形罩不同位置的金属形成射流后的速度分布情况以及射流形成后沿射流方向射流整体速度分布情况.对比了三种方法用于模拟聚能射流形成问题的特点以及与实验的近似程度.数值模拟结果与射流形成过程与机理一致,可以体现射流形成特点,且SPH方法计算结果与实验数据最为接近.     

聚能射流三维数值模拟

研究三维多介质界面处理及数值模拟问题。采用拉格朗日法、欧拉法相结合的方法在矩形网格上离散差分基本方程组;在欧拉步中引入模糊方法处理界面,计算各输运量;编写了数值模拟程序,并对线型装药金属罩聚能射流模型进行模拟。证明模糊界面描述和模糊输运计算有效、可行。     

SPH 方法在聚能装药射流三维数值模拟中的应用

采用有限元软件LS-DYNA中的SPH 算法实现聚能装药射流形成过程的三维数值模拟。将SPH方法和FEM 方法与理论计算结果相比较。研究结果表明:SPH 数值模拟计算过程十分稳定,避免了有限元数值模拟过程中的网格扭曲、缠绕和物质穿透等问题,而且计算精度比有限元方法更高;采用SPH 方法计算的射流速度、射流长度与有限元计算结果和理论计算结果的误差均小于5%,因此该方法对于模拟诸如聚能装药等多介质、大变形问题十分有效;初始相邻粒子数N 的最佳取值范围为600~1800,在该范围内计算结果的误差小于3%,且计算效率高。     

贫铀药型罩及其聚能射流

通过对贫铀药型罩的静破甲实验，研究了不同热处理工艺，不同的材料纯度对聚能射流质量的影响。指出合适的淬火工艺对细化晶粒，消除或缓解择优取向起着重要作用；杂质在退火过程中向晶界偏析，使射流在伸长过程中出现晶界脆性断裂是影响射流质量的重要原因。     

聚能射流的断裂时间

从描述聚能射流失稳的一维近似方程出发，导出了聚能射流断裂时间的近似公式。这个近似公式定量显示了屈服应力、本构关系、粘度和径向收缩效应等对射流断裂时间的影响，在４个不同的特殊近似下，可以自然演化为近１０年来所发表的几个半经验解析公式，并且在合理的参数范围内，公式给出的断裂时间曲线覆盖了射流断裂时间的全部实验点。     

聚能射流侵彻的一种耦合算法

介绍了一种能有效模拟聚能射流侵彻过程的计算方法，即二维数值解和解析解相耦合的方法。实际应用表明，此方法计算结果准确可靠，经济省时，其软件是聚能装药优化设计的实用工具。     

三锥S形聚能装药及其射流的性能分析

简介了一种新设计的三维S形聚能装药,并用MFD程序及多虚拟原点侵彻理论数值和解析地分析了射流的特性及侵彻能力。文中还给出了这种装药与单、双锥罩聚能装药的对比、理论预估与实验结果的对比。     

大气/钢靶板交界处对平行入射聚能射流干扰的数值模拟

利用非线性动力学软件LS-DYNA,对聚能射流平行入射大气/钢靶板交界处的侵彻过程进行了数值模拟.通过分析数值模拟过程和结果,讨论了聚能射流头部速度和碰撞出口处横向速度的变化规律.结果表明:大气/钢靶板交界处不仅降低了聚能射流头部的轴向速度,而且使射流头部产生横向偏移,最大速度达到约1.8 km/s;后续射流横向偏移速...     

聚能射流水中侵彻行为的实验研究

对三种不同药型罩形成的射流在水中的侵彻行为进行了实验研究,采用电铜箔测速法及高速摄影法分别获取了聚能射流在水中的行进过程及图像。实验结果表明,水体的边界效应及聚能射流在水中的开坑行为对电铜箔的测量结果影响很大,且聚能射流的准定常侵彻行为在平均速度的变化上表现明显,在准定常侵彻阶段,聚能射流的速度可近似为线性递减,且药型罩构型对射流速度的衰减率影响较大,药型罩材料的影响较小。光测结果给出了聚能射流在水中的运动图像,且据此计算出的射流速度与电测结果吻合较好。     

多孔药型罩聚能射流的稳定性

基于Herrmann改进的Grneisen状态方程,对多孔药型罩受冲击压缩产生的温升进行了估算,从理论上分析了孔隙度对射流断裂时间的影响。使用脉冲X光测试并结合侵彻实验研究了药型罩初始孔隙度为9.3%和11.4%时聚能射流的稳定性。研究结果表明,在一定孔隙度范围内,射流的稳定性随孔隙度的增加而增强。     

聚能装药射流形成的自适应物质点法模拟

聚能装药可用来穿透装甲、岩石、混凝土等高强度日标,在国防工业以及石油工业有重要应用.质点类无网格法,如SPH和MPM,可以避免网格畸变,比基于网格的传统方法更适合聚能装药问题的模拟.该文针对物质点法中可能发生的数值断裂问题,提出了自适应分裂质点的方案.当质点在某一方向的累积应变达到一定阈值,即将质点一分为二,从而使物质点法可以更有效的表达射流形成过程中强烈的拉伸变形.采用C++语言编制了可自适应分裂质点的三维物质点法程序MPM3DPP,应用Johnson-Cook材料模型用来考虑应变率效应和热软化效应,Mie-Gruneisen状态方程用于金属在高压下的压力计算,Jones-Wilkins-Lee(JWL)状态方程用于描述爆炸产物等膨胀过程,并在压力项加入人工粘性用来处理冲击波.模拟并分析了爆炸飞片、聚能射流等问题,通过数值模拟,对射流形成过程中的变形情况以及温度、速度的分布进行分析.模拟结果和经验公式吻合.     

具有表面张力的粘性射流的数值计算

本文将流线迭代法应用于求解带有自由表面的粘性不定边界流动问题。並利用这种方法对具有表面张力的粘性轴对称层流射流问题进行了数值计算。计算结果与实验结果基本上符合。     

聚能射流对固体火箭发动机的冲击起爆

为研究聚能金属射流对固体火箭发动机的冲击响应,开展了聚能装药空射实验及某尺寸发动机在无防护情况下的射流冲击实验,使用高速摄影仪记录了爆炸响应过程,并测量了不同距离及方向的空气超压和破片速度。利用AUTODYN有限元计算软件对实验过程进行了数值模拟,通过调整流固耦合的网格大小,避免了耦合泄漏。实验结果表明,火箭发动机受到射流冲击后,会发生剧烈爆炸,推进剂完全反应,破片速度达4 700 m/s以上,距离发动机爆炸中心1 m处的空气超压达到19.78 MPa,爆炸中心温度达到3 000 ℃以上,该推进剂爆炸能量略高于常规炸药。模拟结果显示,射流以头部速度7 000 m/s的速度冲击发动机壳体后,射流头部的尖端被严重烧蚀,且速度降至约5 600 m/s;推进剂在受到射流侵彻1～2 mm后,发生剧烈反应;爆炸冲击波以球形沿圆柱孔装药传播,并通过圆柱形中心孔冲击另一侧推进剂,发生装药的二次冲击起爆,同时伴有回爆现象,在推进剂中心的高斯点出现了3次超压波峰;距离发动机中心1 m处3个高斯点的平均空气压力峰值为18.75 MPa,与实验结果吻合较好。     

聚能射流侵彻径向扩孔的可压缩模型

聚能射流侵彻厚靶时,对靶材同时进行轴向和径向挤压进而发生轴向侵彻和径向扩孔。本文中基于聚能射流侵彻可压缩模型并结合Szendrei-Held扩孔方程,推导给出考虑弹/靶材料可压缩性的聚能射流扩孔方程。为简化完整可压缩模型繁琐的计算过程,又基于Murnaghan状态方程给出可压缩模型的近似解。与水中聚能射流扩孔的实验研究对比分析,表明该模型预测优于Szendrei-Held扩孔方程。模型分析表明,射流半径、驻点压力、靶材强度、驻点处靶材密度以及聚能射流速度是影响聚能射流扩孔的主要因素。本文模型可以更准确地预测聚能射流侵彻可压缩性较强的靶材的扩孔情况。相关工作可为含液密闭结构干扰聚能射流侵彻提供理论基础。     

纵向磁场对聚能射流极限拉伸系数的影响

在分析纵向磁场能够增强聚能射流稳定性的基础上,根据聚能射流的运动方程以及聚能射流的塑性失稳条件,推导得到了聚能射流在纵向磁场中的极限拉伸系数计算公式,并计算了有、无磁场情况下极限拉伸系数的比值。通过两种炸高下的实验研究对理论模型进行了验证。结果表明:由于磁场的存在而引起的电磁力抑制了聚能射流颈缩的发展,进而延长了射流成型的惯性拉伸阶段,最终使聚能射流在磁场中的极限拉伸系数在一定程度上得到了增加;理论和实验所得结果吻合较好。运用所建立模型可以较准确地反映磁场对聚能射流极限拉伸系数的影响。     

大锥角聚能装药射流形成及对多层靶侵彻的数值模拟研究

运用改进的网格线示踪点法MOCL(MarkOnCellLine)二维多流体欧拉程序 ,对大锥角聚能装药射流的形成及侵彻多层金属靶的全过程进行了数值模拟研究 ,计算结果与试验结果较吻合。这种连贯性的模拟能力避免了数值计算中对射流的许多人为假定。计算和试验结果表明 ,该聚能装药所形成的射流质量约占整个药型罩质量的 32 % ,兼有聚能射流和爆炸成型弹丸的特点 ,更适合于穿透多层大间隔金属靶。     

聚能装药侵彻钢板全过程的数值模拟

基于MOCL(MarkonCellLine)分界面跟踪算法 ,用二维多流体网格法的欧拉程序 ,数值模拟了锥形罩聚能装药侵彻钢板的全过程 ;与试验结果进行了比较 ,可以满足工程设计的需要。这种连贯性的模拟能力避免了数值计算中对射流的许多人为假定 ,对数值模拟串联战斗部的终点效应具有一定的实用价值。     

数值摄动算法及其CFD格式

作者提出的数值摄动算法把流体动力学效应耦合进NS方程组和对流扩散（CD）方程离散的数学基本格式（MBS）,特别是耦合进最简单的MBS即一阶迎风和二阶中心格式之中,由此构建成一系列新格式,称呼方便和强调耦合流体动力学起见,称它们为流体力学基本格式（FMBS）。构建FMBS的主要步骤是把MBS中的通量摄动重构为步长的幂级数,利用空间分裂和导出的高阶流体动力学关系式,把结点变量展开成Taylor级数,通过消除重构格式修正微分方程的截断误差诸项求出幂级数的待定系数,由此获得非线性FMBS。FMBS的公式是MBS与 （及 ）之简单多项式的乘积, 和 分别是网格Reynolds数和网格CFL数。FMBS和MBS使用相同结点,简单性彼此相当,但FMBS精度高稳定范围大,例如FMBS包含了许多绝对稳定和绝对正型、高阶迎风和中心有限差分（FD）格式和有限体积（FV）格式,这些格式对网格Reynolds数的任意值均为不振荡格式。可见对不振荡CFD格式的构建,数值摄动算法提供了不同于调节数值耗散等常见的人为构建方法,而利用流体力学自身关系以及把迎风机制通过上、下游摄动重构引入中心MBS的解析构建方法,FMBS除了直接应用于流体计算外;对于通过调节数值耗散、色散和数值群速度特性重构高分辨率格式的研究,最简单FMBS提供了比最简单MBS更精确、但同样简单的基础和起步格式。FMBS用于计算不可压缩流,可压缩流,液滴萃取传质,微通道两相流等,均获得良好数值结果或与已有Benchmark解一致的数值结果。已有文献称数值摄动算法为新型高精度格式和高的算法和高的格式;本文FMBS比数值摄动格式的称呼可更好反映FMBS的物理内容。文中也讨论了值得进一步研究的一些课题,该法亦可用于其它一些数学物理方程（例如,简化Boltzmann方程、磁流体方程、KdV-Burgers方程等）MBS耦合物理动力学效应的重构。      

聚能装药的欧拉数值模拟

用二维有限差分欧拉程序MEPH2Y模拟了聚能装药的作用过程,包括爆轰波的形成、传播及与其他介质的相互作用,高温高压下射流（或射弹）的形成、延展、减压、断裂,射流（或射弹）对靶的侵彻及靶的成坑和动态响应等过程。介绍了程序所用的数学模型、数值方法,以及模拟的部分问题与实验结果的比较。结果表明,数值模拟结果与实验结果符合较好。