拓扑结构改变流场数值方法研究及应用

物体从相互接触的状态分离时会导致流场拓扑结构的改变,针对拓扑结构改变过程提出了一种非结构重叠网格算法.该方法主要包括"洞边界"自动判定、重叠区形成和流场信息交换三个方面的关键问题.针对三维问题提出了判定洞边界的"曲面判定方法";对于重叠区待插值的网格节点建立了"动态义树"贡献单元搜索方法.洞边界上待插值点的流场参数通过插值方法从其贡献单元上得到.弹丸从炮口发射的过程中,由于弹丸与炮管的分离导致了流场拓扑结构变化,而当炮口带有制退器时将使流场的边界条件更加复杂.利用非结构重叠网格方法对弹丸从带有炮口制退器的火炮中发射过程进行了数值模拟,分析了初始冲击波形成和发展过程,详细描述了运动弹丸对膛口流场的影响.本文提出的算法将能够有效地应用到航空、航天以及兵器技术领域的研究中,特别是物体分离过程导致的流场拓扑结构改变问题.     

亚声速等膨胀平面射流的初始流场结构

基于大涡模拟方法与5阶精度混合TCD/WENO格式,对等膨胀射流在马赫数为Ma=0.6条件下的初始流场结构进行了数值模拟。数值结果描述了射流等膨胀过程中,射流初始流场的形成、变化及发展过程。并发现了射流初始流场中涡核为射流失稳的起始点,研究了射流混合层与涡核剪切层上涡的产生、发展与破碎以及它们卷吸环境气体并与射流气体混合的整个过程,揭示了射流初始过程中涡核与涡环直径的变化趋势,得到了射流轴向速度与压力的分布。数值结果可为相关发动机的设计提供重要参考。     

大口径超高速平衡炮膛口流场特性分析

为了研究大口径超高速平衡炮的膛口流场特性,基于有限体积法,采用分块网格划分的整体运动处理方法,结合结构动网格技术,并采用N-S方程结合Realizable k-ε湍流模型,建立了膛口流场二维轴对称数值仿真模型。以300mm平衡炮为例,研究了1.72km/s,794m/s两种速度下的膛口流场特性。计算结果对比表明:1.72km/s初速的弹丸膛口流场与794m/s初速弹丸膛口流场结构相似,但其射流结构更加明显,流场结构整体略呈"狭长"状,火药燃气速度达到2.5km/s,但不能追赶并包围弹丸,弹丸速度达到Ma=4.03,1.0ms时基本摆脱了流场对其运动的影响。而常规初速弹丸流场结构呈"圆球"状,火药燃气对弹丸的影响较大,作用时间大于超高速发射情况,速度达到Ma=1.27,1.5ms时基本摆脱了流场对其运动的影响。     

含侧喷流弹丸三维绕流干扰流场数值分析

从全Navier-Stokes方程出发，应用三维隐式有限体积TVD格式，在超声速和零攻角条件下，分别对无侧喷流和含侧喷流的低阻远程弹丸三维粘性绕流流场进行了数值模拟，为避免分区计算而用代数方法生成了弹丸绕流场O型网络，计算结果得到了清晰的流场波系结构，并从流场波系结构、弹体和弹底表面压力分布等角度将两者进行了对比与分析，表明侧喷流不仅提供增程推力，而且改变了弹丸阻力特性，其结果可用于研究弹丸的火箭增程技术。     

口径30mm空心弹真实条件下的气动特性研究

为了更深入细致地研究空心弹在各不同条件下的空气动力学特性及其影响因素,以口径30mm的空心弹为研究对象,通过Fluent软件数值仿真空心弹内外流场,以获得相关数据和气动力参数。对比了空心弹丸和实心弹丸的流场,结果表明：空心弹丸阻力系数比实心弹丸的要小很多。运用不同的控制方程对空心弹丸进行数值模拟,结果表明：采用单方程模型对于阻力系数的计算更精确,对流场的模拟也更接近实验结果。     

二维喷管的初始流动

基于可压缩Navier-Stokes方程,采用大涡模拟方法与高精度混合WENO/TCD格式,对Ma=1.4的超声速平面射流初始流场进行了数值研究.数值结果清晰地描述了超声速平面射流初始流场的结构特征,包括主涡环与激波结构以及它们演变过程.因主涡环内存在涡导激波对,激波与涡相互作用加速射流剪切层失稳,使剪切层首次卷起形成小涡的位置出现在涡导激波对后,此与亚声速射流情况不同.小涡串卷起成后,相继与涡导激波对相互作用,使激波出现明显的变形并加速主涡环失稳.      

子母弹分离过程的数值模拟方法

以分区拼接网格数值模拟方法为基础，通过气动方程和弹道方程联立求解数值模拟了子弹从母弹中分离并穿越母弹激波的过程，研究了子母弹干扰流场的气动特性，分析研究了子弹各初始分离状态（如初始抛撒速度、初始姿态角、初始姿态角速度等）对分离过程的影响。     

单级感应线圈炮出口速度仿真

在单级感应线圈炮的发射过程中,放电电压、电容容量以及电枢初始位置不同,弹丸的出口速度都会随之发生变化。文给出了单级感应线圈炮的数学模型,并以弹丸出口速度为目标函数,分别仿真分析了放电电压、电容容量以及电枢初始位置对弹丸出口速度的影响,得出了放电电压、电容容量以及电枢初始位置与弹丸出口速度的关系曲线。     

基于无网格算法的化学非平衡流数值模拟

为了验证AUSMPW+格式在无网格算法的精度等以及无网格算法能否用于复杂化学非平衡流数值模拟中,首先将AUSMPW+格式推广到无网格算法中,给出了AUSMPW+在无网格算法中的具体形式。其次,将无网格算法应用于带化学反应的多组分气体Euler方程的求解,给出无网格条件下求解化学非平衡流的具体过程。最后,对NACA0012跨声速绕流场、高超声速弹丸绕流场、氢气/氧气诱导燃烧流场、球锥高超声速绕流场、楔体斜爆轰流场进行了数值模拟。数值模拟结果与相关文献计算结果和实验结果吻合较好,表明了AUSMPW+格式在无网格算法中表现较高精度。同时,采用无网格算法能较好地模拟复杂化学非平衡流场,正确分辨复杂的物理现象,为化学非平衡流数值模拟提供一种新的算法,拓宽了无网格算法的应用范围。     

单级感应线圈炮能量转换效率研究

在单级感应线圈炮的发射过程中,随着电容器组放电电压、电容量以及电枢初始位置的变化,弹丸出口速度和系统能量转换效率也将随之发生变化.为获得其中的规律,建立了单级感应线圈炮的数学模型,仿真分析了电容器组放电电压、电容量以及电枢初始位置对弹丸出口速度及系统能量转换效率的影响.分析结果表明,随着放电电压增加弹丸出口速度几乎呈直...     

弹体穿越平面激波三维非定常流场的数值模拟

用数值方法求解三维非定常可压缩Navier-Stokes方程，计算了复杂弹体在相同马赫数、不同迎角下的流场和气动力特征，计算结果与实验结果吻合，证明本文采用的方法能够准确计算此类复杂流场；然后采用该方法模拟了弹体穿越正激波的非定常过程，得到了弹体周围流场及气动力特征随穿越过程的非定常变化，阻力特征穿越后急剧下降。     

不同攻角条件下偏转头弹箭流场与气动特性

基于DES（detached eddy simulation,分离涡模拟）方法及AUSM（advection upstream splitting method,对流迎风分裂方法）格式,对不同偏角的偏转头弹箭在非零攻角下的超声速流场和气动特性进行了数值模拟.结果表明:在非零攻角情况下,与常规弹箭流场相比,偏转头弹箭头部迎风面激波更强;而当有效入射角相等时,即使弹箭的攻角不一样,其头部流场结构仍相同,且尾翼流场基本不受头部偏角影响.另外,由气动力系数变化曲线可知,偏转头弹箭具有良好的纵向静稳定性,且升力系数随攻角的增长率大于阻力系数,即升阻比大于常规弹箭,因此适当增大攻角可以提高偏转头弹箭的气动特性.      

Self-ignition characteristics of the high-speed ramjet kinetic energy projectile in the launch process

To research the self-ignition characteristics of high-speed ramjet kinetic energy projectile in the launch process, the self-ignition process based on the solid fuel of polyethylene was numerically simulated by using the dynamic grid technology. The effect of different muzzle velocity on the self-ignition performance, and the effect of opening the blockage at different times on the flow field stability of the combustion chamber and the flow field characteristics after the solid fuel ramjet stabilized were analyzed. The results show that the occurrence of self-ignition is not only related to the pressure, temperature in the combustion chamber, and the muzzle velocity, but also to the content of C_2H_4 and its degree of mixing with air in the combustion chamber. After the kinetic energy projectile gets out of the muzzle and before the blockage opens, there is oscillation occurring in the combustion chamber. The higher the muzzle velocity of the kinetic energy projectile, the more prone to the occurrence of the self-ignition and the negative effects can be avoided due to the pressure oscillation in the combustion chamber. The effect of opening the blockage at different times on the flow field stability after the self-ignition occurs in a period of time is weak. After the blockage opens, the solid fuel ramjet can reach a stable working condition quickly.     

基于气动分离技术的弹丸弹托分离仿真

为了研究气动分离技术使弹丸弹托分离的情况,对其进行了模拟仿真研究。采用气动分离技术使弹丸弹托分离,基于气体动力学与摩擦力学理论,分别建立了弹托绕流模型与弹丸弹托气动分离模型。使用Fluent进行绕流仿真,得到了不同速度下弹托分离前后状态下的阻力系数,再用Simulink对54式12.7mm穿甲燃烧弹的弹丸和弹托进行分离仿真,得到了弹丸弹托分离过程的特征结果。结果表明,利用气动分离技术可以使弹托和弹丸较好地分离。上述研究为弹丸和弹托的研发、使用提供了有益的参考。     

二维双楔外形穿越激波流场特性及其数值分析

用数值方法求解非定常可压缩Navier-Stokes方程，模拟了双楔外形物体超音速穿越与之同向运动激波以及逆向运动激波两种穿越激波的全过程，给出了穿越过程中流场与运动激波产生剧烈的干扰所形成的复杂波系结构，两种穿越情况的激波干扰都呈现双马赫反射的特征。在追击穿越中，楔形物体追上激波后所受阻力急剧的变小；而在碰撞穿越过程中，物体碰到激波后阻力急剧增加，两种穿越情况楔形物体的气动力都发生的剧烈的改变。     

MPI＋OpenMP算法在三维可压缩流场计算中的应用

在多核CPU集群并行体系结构下,采用MPI＋OpenMP的混合并行算法,对可压缩流场进行数值模拟,并在计算时间上与MPI算法进行比较。流场计算的控制方程为Euler方程,空间离散采用Jameson中心差分格式,时间离散采用R-K法,并行模式采用Master/Slave模式。通过对M6机翼和某弹丸采用多种并行方法进行流场的数值模拟,得出MPI＋OpenMP混合算法在一定条件下具有高效性的结论。     

固体推进剂燃烧转爆轰模拟计算研究

采用一维分离两相流反应模型以及变步长跳步差分计算格式,模拟了固体推进剂的燃烧转爆轰过程。计算结果详细、合理地描述了推进剂在燃烧转爆轰过程中的流场分布情况。文中建立了确定诱导爆轰距离(L_(DDT)的方法,由该法所得L_(DDT)的值与实验值符合得较好,其误差小于15％。     

一种计算再生冷却推力室温度场的方法

为了能够快速而准确地得到再生冷却推力室的温度分布,建立了一种计算再生冷却推力室温度场的方法。首先建立了轴对称推力室的一维冷却模型,并使用换热经验公式,得到了推力室壁面在轴线方向上的温度分布;其次建立了推力室的冷却套二维导热模型,使用数值模拟的方法和一维计算的结果,得到了冷却套的温度场。然后使用这种方法研究了气壁材料、气壁厚度和冷却液流量对推力室再生冷却的影响,获得了比较满意的结果。从计算时间和准确性来说,这种方法能够为推力室的优化设计和性能估算提供参考。