底部排气弹底部流场数值模拟与气动弹道特性研究

摘要

随着火炮精度的提高以及现代战术与技术的发展，增加火炮射程显得尤为重要。在增大火炮射程的诸多方法中，底排增程以其结构简单、增程率高等优点为世界各国所广泛采用。底部排气方法通过向弹底低压区排入质量与能量、提高底压来达到减阻增程的目的。针对底部排气弹的相关关键技术国内外已形成一些成果，但关于底部排气弹的底排参数优化设计问题、高速旋转条件下底部流场的计算分析及其对减阻特性的影响等问题研究得非常少。为此，本文以高速旋转底部排气弹为研究对象，围绕底排参数对底排弹减阻增程特性的影响、底排参数优化、底部流场数值模拟和气动特性分析等方面进行研究分析。
　　(1)分析了底部排气弹的减阻机理并建立了其内外弹道模型。通过分析底排药剂的燃烧机理，运用公式推导等方法建立了底排内弹道方程组;在分析底部排气弹所受力和力矩的基础上，根据牛顿第二定律和动量矩定理推导出了底排弹的六自由度刚体弹道方程。底排装置内弹道方程和底排弹外弹道方程相结合构建成为底部排气弹的弹道计算模型。
　　(2)研究了底排参数对底排弹减阻增程特性的影响。利用已构建好的底部排气弹弹道计算模型，以某底部排气弹为例进行弹道计算，对比分析了药剂燃速系数、底排药柱长、药柱内径、药柱分瓣数和喷口直径等底排参数对底部排气弹弹道特性的影响。
　　(3)以射程最大化作为目标函数对底部排气弹的底排参数进行了优化设计。选取底排药柱燃速系数、底排药柱长、药柱初始内半径、药柱分瓣数和底排喷口直径等5个参数作为优化设计变量，选取射程作为目标函数，并依实际情况设置一定的约束条件。基于遗传算法和粒子群算法各自的优缺点，设计了寻优速度快、精度高的遗传粒子群算法作为寻优过程的智能优化算法，进而构建了底部排气弹弹道优化设计模型，并以此模型对底部排气弹的底排参数进行了优化设计。
　　(4)数值模拟了底部排气弹的底部流场并分析了其对减阻特性的影响。采用滑移网格等技术手段，建立了底排弹数值仿真模型，对无旋条件和高旋条件下底部排气弹的底部流场进行了数值模拟与计算分析，研究了无旋条件下排气参数、来流马赫数以及炮口、高空等环境条件对底部流场和气动特性的影响，此外，更重点研究了高速旋转条件下弹丸转速和排气参数对底部流场和气动特性的影响以及相互制约关系。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 论文的研究背景与意义

1．2 底部排气弹的国内外研究现状

1．2．1 底部排气弹的发展状况

1．2．2 底排减阻增程技术的研究方法概述

1．2．3 底排减阻增程技术的研究现状

1．2．4 弹道优化算法研究现状

1．2．5 高速旋转弹绕流流场数值模拟研究现状

1．3 本文主要研究内容

2 底部排气弹减阻机理分析及其内外弹道模型的建立

2．1 底排装置的减阻机理分析

2．2 底排装置内弹道模型的建立

2．2．1 底排药剂燃速公式的建立

2．2．2 药柱燃烧面积的计算

2．2．3 燃气质量流率的计算

2．2．4 底排装置内压力的计算

2．2．5 底排装置的内弹道计算模型

2．3 底部排气弹外弹道模型的建立

2．3．1 外弹道模型简介

2．3．2 坐标系及坐标转换

2．3．3 作用在弹箭上的力和力矩

2．3．4 运动方程的一般形式

2．3．5 底部排气弹的六自由度刚体弹道模型

2．4 本章小节

3 底排参数对底排弹减阻增程特性的影响研究

3．1 弹道模型和基准参数选取

3．2 底排参数对底排弹减阻增程特性的影响分析

3．2．1 底排药柱长的影响

3．2．2 底排药柱内径的影响

3．2．3 底排药剂燃速的影响

3．2．4 底排喷口直径的影响

3．2．5 底排药柱分瓣数的影响

3．3 本章小结

4 底排参数的优化设计研究

4．1 优化问题描述

4．1．1 设计变量

4．1．2 约束条件

4．1．3 目标函数

4．2 优化方法研究

4．2．1 遗传算法

4．2．2 粒子群优化算法

4．2．3 遗传粒子群优化算法

4．3 底排参数优化数学模型

4．4 底排参数优化计算与结果分析

4．5 本章小结

5 底部排气弹底部流场数值模拟及其对减阻特性的影响分析

5．1 数值计算控制方程与湍流模型

5．1．1 二维控制方程

5．1．2 三维控制方程

5．1．3 湍流模型

5．2 计算区域建模与网格划分

5．2．1 二维计算区域建模与网格划分

5．2．2 三维计算区域建模与网格划分

5．3 无旋条件二维数值模拟结果分析

5．3．1 无底排和有底排时底部流场对比分析

5．3．2 排气参数对底部流场的影响

5．3．3 来流马赫数对底部流场的影响

5．3．4 环境条件对底部流场的影响

5．4 旋转条件三维数值模拟结果分析

5．4．1 同排气参数不同转速的气动特性

5．4．2 同转速不同排气参数的气动特性

5．4．3 旋转与非旋转条件下减阻情况对比分析

5．4．4 排气参数与弹丸转速的约束关系

5．5 本章小结

6 总结与展望

6．1 全文总结

6．2 工作展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表(录用)的论文情况

攻读硕士学位期间参加的科研项目情况