底部排氣增程的原理是在常規(guī)炮彈底部增加一個底部排氣裝置,在炮彈飛行階段前期向炮彈底部排放低動量、高能量燃氣來增加底壓,從而減小炮彈前后壓力差,達到增程的目的。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,簡稱底排彈。本文以底部排氣減阻技術(shù)為研究背景,基于計算流體力學(xué)的巨大潛力和優(yōu)點,發(fā)展了二維/三維多塊結(jié)構(gòu)網(wǎng)格化學(xué)非平衡流動數(shù)值計算方法,建立了底排彈底部流動與燃燒模型,對底排真實燃氣條件下的底部排氣流場結(jié)構(gòu)、減阻機理、底排彈出膛口泄壓過程以及真實飛行狀態(tài)下底排裝置工作過程進行了深入系統(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、針對復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)流場,以多組分雷諾時均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)非平衡流動數(shù)值計算方法。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,湍流模型與流動控制方程解耦求解。采用時間算子分裂算法處理化學(xué)反應(yīng)剛性問題。采用OpenMP并行計算方法,以提高數(shù)值計算效率。通過對多個復(fù)雜算例進行的數(shù)值驗證表明,本文發(fā)展的數(shù)值方法可靠性和計算精度高,并且對不同流場具有良好的適用性。二、建立了合理、可靠的底排彈底部流動與燃燒模型,研究了底排真實燃氣條件下底排流場結(jié)構(gòu)與減阻機理,研究了底排真實燃氣時發(fā)生二次燃燒的主要區(qū)域和燃燒過程,研究了來流馬赫數(shù)對底部流場結(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、排氣總溫對底部流場結(jié)構(gòu)和減阻特性的影響規(guī)律和機理,研究了來流攻角和彈體船尾角對底部流場結(jié)構(gòu)以及全彈氣動特性的影響,獲得了底排彈底部流場結(jié)構(gòu)與氣動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,底壓比隨排氣參數(shù)的增大而呈增大的趨勢,總阻力系數(shù)隨排氣參數(shù)的增大而減小;中心型排氣時,底壓比隨著排氣參數(shù)的增大而呈先增大后減小的趨勢,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;在適當(dāng)?shù)呐艢鈪?shù)范圍內(nèi)時,邊緣型排氣的減阻性能優(yōu)于中心型排氣。四、采用動態(tài)嵌套網(wǎng)格技術(shù)處理底排彈運動問題,建立了包含高速運動底排彈的膛口流場計算方法。對含運動底排彈的膛口流場進行了數(shù)值模擬,清晰地描述了膛口流場的發(fā)展過程、性質(zhì)及底排彈與膛口流場的相互影響,得到了目前尚無法實驗測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時間內(nèi),底排裝置泄壓速率高達104MPa/s;在3.0ms以后,底排彈穿過膛口沖擊波,進入自由飛行階段。五、將發(fā)展的流場數(shù)值計算方法與質(zhì)點外彈道模型相結(jié)合,建立了耦合質(zhì)點飛行彈道、底排彈流場數(shù)值模擬和全彈氣動特性的計算模型,可以較為真實地模擬底排彈的飛行過程以及飛行條件下底排裝置工作參數(shù)、工作狀態(tài)、底排流場結(jié)構(gòu)等隨時間的變化。研究結(jié)果表明:隨著發(fā)射點海拔高度的增加,藥柱燃燒時間增大,全彈道飛行時間和射程也會增加,而增程率則逐漸降低;提高藥柱燃速,藥柱燃燒時間和減阻階段變短,導(dǎo)致射程和增程率同時降低。因此,為了在工程實踐中獲得好的減阻效果,應(yīng)注意兩個方面的匹配性:一是底部排氣質(zhì)量流率及其隨時間的變化規(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)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2016
【中圖分類】：TJ410
【部分圖文】：

部流動的膨脹轉(zhuǎn)折角變小，將膨脹波的強度減弱。同時，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度，改變外流對底部流場的影響，最終提高底壓、減小底阻，逡逑達到增程的目的。典型的底部排氣流場結(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繽跡保�、辶x賢跡保乘盡５著拋爸媚謐壩幸┲詵尚薪錐穩(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�，使胖u乇３植槐�，札Z搪士紗镥義希玻擔(dān)ィ常埃ィ�。抵Z牖鵂齒棾痰冉希校紫掠諾憬繡義希卞義

本文編號：2821222