弹道导弹发射阵地燃气流场数值模拟及人员安全性分析

摘要

弹道导弹发射时产生的燃气射流的高压、高温、高速、振动等极端恶劣环境对周围人员和导弹发射装置有着严重的影响。为了保障使用导弹过程中人员的安全和提高导弹武器系统的生存能力，用数值模拟方法分析了导弹发射时的动态燃气流场的特征。论文以典型弹道导弹为研究对象，分析了导弹发动机复杂燃气自由射流及对垂直平板冲击的特点，用数值模拟方法模拟了发射阵地燃气二维流场，得到了导弹不同点火高度下地表不同距离上的超压、温度、组分等场变量的数值解，并经过后处理，对发射阵地环境安全进行了分析给出人员耐受的安全范围。
　　首先，为了模拟导弹发射时的动态燃气流场，利用GAMBIT建模软件建立了导弹发动机喷管外流场的纯气相流物理模型。根据外流场计算区域的大小，并且在保障计算精度、降低运算量等综合分析后，对整个计算域进行合理的分区并生成高质量网格，设定了导弹刚体运动边界以实现动网格功能。
　　其次，利用CFD中的仿真软件FLUENT，并通过Realizable K-ω湍流模型，对导弹发射过程的动态燃气流场进行了数值模拟，获得了欠膨胀超音速燃气射流的波系结构，给出了超压、马赫数、温度、组分等场变量的云图及距地面1.7m高不同距离处场变量的时间历程曲线图。
　　最后，结合数值模拟结果和公认的人员安全性评价标准，总结了燃气射流中场变量对人体伤害的评价标准，给出了该导弹不同点火高度下围绕发射中心地表的场变量的安全距离，划设了安全范围。给出的结果可作为设计燃气射流防护设备和安全使用导弹的依据。

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第一章 绪论

1.1课题的背景及意义

1.2导弹燃气流场数值计算的国内外研究现状、发展动态

1.3人员安全性分析的国内外研究现状、发展动态

1.4 本文的主要研究内容

1.5 论文安排

第二章 导弹发射时燃气流场的基本特点

2.1 导弹燃气自由射流的特点

2.2 超音速欠膨胀燃气自由射流

2.3弹道导弹燃气射流的特点

2.4欠膨胀超音速燃气射流近场对垂直平板的冲击形式

2.5本章小结

第三章 计算流体动力学及其在燃气射流计算中的应用

3.1用计算流体动力学求解燃气流场的主要步骤

3.2流体力学的基本控制方程

3.3可用于燃气流场模拟的几种湍流模型

3.4控制方程的离散化

3.5计算流体动力学在燃气流场数值模拟中的应用

3.6 本章小结

第四章 弹道导弹燃气射流计算模型及网格划分

4.1弹道导弹燃气流场的物理模型

4.2网格生成技术

4.3弹道导弹燃气流场网格的生成过程

4.4四种工况导弹燃气流场计算网格模型

4.5本章小结

第五章 导弹燃气流场二维数值模拟

5.1二维流场数值模拟

5.2燃气流场模拟的预处理

5.3计算模型选择和计算机时

5.4燃气流场二维模拟结果与理论、实验比较分析

5.5点火高度为1m时二维流场模拟

5.6点火高度为10m时二维流场模拟

5.7点火高度为20m时二维流场模拟

5.8点火高度为30m时二维流场模拟

5.9本章小结

第六章 导弹发射阵地人员安全性分析

6.1导弹发射阵地燃气流场对人体产生伤害的主要因素

6.2燃气流场对人体产生伤害的评价标准

6.3导弹发射阵地燃气射流地表流场集总参量

6.4燃气射流对人员伤害分析

6.5本章小结

第七章 总结与展望

7.1总结

7.2展望

参考文献

攻读硕士期间发表的论文及所取得的研究成果

致谢