底部排氣增程的原理是在常規(guī)炮彈底部增加一個(gè)底部排氣裝置,在炮彈飛行階段前期向炮彈底部排放低動(dòng)量、高能量燃?xì)鈦?lái)增加底壓,從而減小炮彈前后壓力差,達(dá)到增程的目的。采用底部排氣減阻技術(shù)的增程炮彈稱為底部排氣增程彈,簡(jiǎn)稱底排彈。本文以底部排氣減阻技術(shù)為研究背景,基于計(jì)算流體力學(xué)的巨大潛力和優(yōu)點(diǎn),發(fā)展了二維/三維多塊結(jié)構(gòu)網(wǎng)格化學(xué)非平衡流動(dòng)數(shù)值計(jì)算方法,建立了底排彈底部流動(dòng)與燃燒模型,對(duì)底排真實(shí)燃?xì)鈼l件下的底部排氣流場(chǎng)結(jié)構(gòu)、減阻機(jī)理、底排彈出膛口泄壓過(guò)程以及真實(shí)飛行狀態(tài)下底排裝置工作過(guò)程進(jìn)行了深入系統(tǒng)研究,為底部排氣減阻理論與技術(shù)、底排彈相關(guān)的工程研制提供重要參考。本文主要工作如下:一、針對(duì)復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)流場(chǎng),以多組分雷諾時(shí)均Navier-Stokes方程組為基礎(chǔ),采用高階迎風(fēng)格式、有限速率化學(xué)反應(yīng)模型和OpenMP并行算法,發(fā)展了基于多塊結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的二維/三維化學(xué)非平衡流動(dòng)數(shù)值計(jì)算方法。網(wǎng)格界面上物理量的重構(gòu)采用NND、WENO、MUSCL三種方法,對(duì)流通量采用Steger-Warming、Van Leer、HLLC、AUSMDV和AUSMPW+等多種格式。湍流模型采用了一方程湍流模型和兩方程湍流模型,湍流模型與流動(dòng)控制方程解耦求解。采用時(shí)間算子分裂算法處理化學(xué)反應(yīng)剛性問(wèn)題。采用OpenMP并行計(jì)算方法,以提高數(shù)值計(jì)算效率。通過(guò)對(duì)多個(gè)復(fù)雜算例進(jìn)行的數(shù)值驗(yàn)證表明,本文發(fā)展的數(shù)值方法可靠性和計(jì)算精度高,并且對(duì)不同流場(chǎng)具有良好的適用性。二、建立了合理、可靠的底排彈底部流動(dòng)與燃燒模型,研究了底排真實(shí)燃?xì)鈼l件下底排流場(chǎng)結(jié)構(gòu)與減阻機(jī)理,研究了底排真實(shí)燃?xì)鈺r(shí)發(fā)生二次燃燒的主要區(qū)域和燃燒過(guò)程,研究了來(lái)流馬赫數(shù)對(duì)底部流場(chǎng)結(jié)構(gòu)和底部壓力分布的影響,研究了排氣參數(shù)、排氣面積、排氣總溫對(duì)底部流場(chǎng)結(jié)構(gòu)和減阻特性的影響規(guī)律和機(jī)理,研究了來(lái)流攻角和彈體船尾角對(duì)底部流場(chǎng)結(jié)構(gòu)以及全彈氣動(dòng)特性的影響,獲得了底排彈底部流場(chǎng)結(jié)構(gòu)與氣動(dòng)特性隨攻角和船尾角的變化規(guī)律。三、為了探索排氣結(jié)構(gòu)對(duì)減阻性能的影響,提出了邊緣型排氣結(jié)構(gòu),開展了常規(guī)的中心型排氣和邊緣型排氣的減阻性能研究。結(jié)果表明:邊緣型排氣時(shí),底壓比隨排氣參數(shù)的增大而呈增大的趨勢(shì),總阻力系數(shù)隨排氣參數(shù)的增大而減小;中心型排氣時(shí),底壓比隨著排氣參數(shù)的增大而呈先增大后減小的趨勢(shì),總阻力系數(shù)隨排氣參數(shù)的增大而呈先減小后增大的趨勢(shì);在適當(dāng)?shù)呐艢鈪?shù)范圍內(nèi)時(shí),邊緣型排氣的減阻性能優(yōu)于中心型排氣。四、采用動(dòng)態(tài)嵌套網(wǎng)格技術(shù)處理底排彈運(yùn)動(dòng)問(wèn)題,建立了包含高速運(yùn)動(dòng)底排彈的膛口流場(chǎng)計(jì)算方法。對(duì)含運(yùn)動(dòng)底排彈的膛口流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬,清晰地描述了膛口流場(chǎng)的發(fā)展過(guò)程、性質(zhì)及底排彈與膛口流場(chǎng)的相互影響,得到了目前尚無(wú)法實(shí)驗(yàn)測(cè)試的底排裝置泄壓數(shù)據(jù)與規(guī)律。研究結(jié)果表明:針對(duì)初速為900m/s、膛口壓力為60MPa的發(fā)射工況,在出炮口的1.0ms時(shí)間內(nèi),底排裝置泄壓速率高達(dá)104MPa/s;在3.0ms以后,底排彈穿過(guò)膛口沖擊波,進(jìn)入自由飛行階段。五、將發(fā)展的流場(chǎng)數(shù)值計(jì)算方法與質(zhì)點(diǎn)外彈道模型相結(jié)合,建立了耦合質(zhì)點(diǎn)飛行彈道、底排彈流場(chǎng)數(shù)值模擬和全彈氣動(dòng)特性的計(jì)算模型,可以較為真實(shí)地模擬底排彈的飛行過(guò)程以及飛行條件下底排裝置工作參數(shù)、工作狀態(tài)、底排流場(chǎng)結(jié)構(gòu)等隨時(shí)間的變化。研究結(jié)果表明:隨著發(fā)射點(diǎn)海拔高度的增加,藥柱燃燒時(shí)間增大,全彈道飛行時(shí)間和射程也會(huì)增加,而增程率則逐漸降低;提高藥柱燃速,藥柱燃燒時(shí)間和減阻階段變短,導(dǎo)致射程和增程率同時(shí)降低。因此,為了在工程實(shí)踐中獲得好的減阻效果,應(yīng)注意兩個(gè)方面的匹配性:一是底部排氣質(zhì)量流率及其隨時(shí)間的變化規(guī)律與飛行條件的匹配,二是燃速與燃面的匹配。
【學(xué)位單位】：南京理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2016
【中圖分類】：TJ410
【部分圖文】：

部流動(dòng)的膨脹轉(zhuǎn)折角變小，將膨脹波的強(qiáng)度減弱。同時(shí)，底部排氣將使喉道后移并抬高，逡逑從而減小再附壓縮波的強(qiáng)度，改變外流對(duì)底部流場(chǎng)的影響，最終提高底壓、減小底阻，逡逑達(dá)到增程的目的。典型的底部排氣流場(chǎng)結(jié)構(gòu)如圖１．１所示。采用底部排氣減阻技術(shù)的增程逡逑炮彈稱為底部排氣X棾痰虺頻著諾�。典型的抵Z氳著拋爸媒峁狗直鶉?yán)_跡保病㈠義賢跡保乘盡５著拋爸媚謐壩幸┲�，栽柹行藉F穩(wěn)忌詹呶碌投科逵糜詡踝柙齔獺ｅ義系著旁齔炭桑奘皆誆桓謀浞⑸涮跫那榭魷略黽由涑蹋古謚乇３植槐�，札Z搪士紗镥義希玻擔(dān)ィ常埃ィ住５著諾牖鵂齒棾痰冉�，有Ｗ下又Z憬繡義希卞義

本文編號(hào)：2821222