复杂流场数值方法研究及在炮口制退器设计中应用

论文摘要

枪炮发射时会形成复杂的膛口流场,炮口制退器的设计中需要对膛口流场特别是炮口制退器内部流场进行详细分析。不同复杂程度的膛口流场需要选用合适的算法进行模拟。相对于整个后效期,弹丸飞离膛口的时间很短暂,如果不考虑运动弹丸的影响,膛口流场的数值模拟将得到很大简化。不带膛口装置或者带有锥形消焰器的膛口流场采用TVD有限体积法求解轴对称Euler方程进行模拟;对结构较简单的炮口制退器流场生成拼接的三维结构化网格,采用LU隐式因式分解方法和Jameson格式离散Euler方程求解;对于具有复杂结构的炮口制退器采用三维非结构网格和HLLC格式对火药气体排空过程进行数值模拟。火炮发射过程中,弹丸和身管之间发生高速的相对滑动和分离,而分离的过程将导致流场拓扑结构的改变。针对三维流场拓扑结构的改变,对非结构重叠网格(OUG——Overset Unstructured grids)方法进行了改进。构造了确定非结构网格下洞边界的“曲面判定法”。叉树型数据结构具有很高的搜索效率,设计了“动态叉树”搜索算法用于“洞边界”(或网格间边界intergrid boundaries)上待插值点的贡献单元的搜索。解决了拓扑结构改变过程中重叠区域的建立和网格系之间流场信息的传递问题。采用OUG方法对弹丸与身管之间的高速滑动和分离过程进行了非定常数值模拟。三维非定常流场的数值模拟带来巨大的计算量,并行计算技术是减少计算时间的有效工具,针对结构网格、非结构网格和OUG方法分别设计了三种并行算法。提出了基于多块拼接结构化网格的并行算法,建立了合理的网格分区策略,基于分区信息文件设计了通用的信息通信准则;由于非结构网格单元的空间分布具有很大灵活性,程序中采用单向链表对分区边界处的网格单元进行组织,建立了能适应任何分区拓扑结构的信息通讯准则;对于运动边界问题,随着流场中运动物体位置的改变,频繁进行网格的重新分区将耗费大量计算时间,针对OUG方法的特点设计了网格分区策略,不仅能避免网格分区的频繁重新划分,而且有利于提高重叠区中信息传递的效率,使程序得到简化的同时提高了其通用性。以复杂流场的数值方法研究为基础,提出了新的炮口制退器设计计算方法。通过膛口流场的数值模拟获得后效期中带和不带炮口制退器时身管的受力变化曲线,计算身管的最大自由后坐速度,根据其物理定义计算炮口制退器的效率。针对某口径滑膛炮设计了一组炮口制退器,分别计算其效率并对各自冲击波场的发展过程进行分析。本文建立了针对不同复杂程度膛口流场数值模拟的软件包。针对弹丸发射过程中流场拓扑结构的变化,对OUG方法进行了改进,并且有针对性地提出了高效的并行算法,可以有效地应用到航空、航天和兵器技术等领域的相关研究中。以复杂膛口流场数值模拟基础提出新的炮口制退器设计计算方法,将有助于新形势下火炮的整体设计。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1. 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 包含运动边界问题的数值方法
• 1.2.1 结构网格下包含运动边界问题数值方法
• 1.2.2 非结构网格的变形和局部网格重构方法
• 1.2.3 非结构重叠网格（OUG——Overset Unstructured Grid）方法
• 1.3 炮口制退器设计计算方法
• 1.4 本文主要工作
• 1.4.1 项目支持
• 1.4.2 本文主要工作
• 2 结构网格下的数值方法及其并行算法研究
• 2.1 引言
• 2.2 二维及轴对称流场的数值方法及应用
• 2.2.1 二维及轴对称无粘流场控制方程
• 2.2.2 二阶精度TVD有限体积法
• 2.2.3 边界条件
• 2.2.4 算例及结果分析
• 2.3 三维流场的数值方法及应用
• 2.3.1 三维无粘流场控制方程
• 2.3.2 LU隐式因式分解方法及差分离散
• 2.3.3 并行算法设计
• 2.3.4 算例及结果分析
• 2.4 本章小结
• 3 非结构固定网格下的数值方法及其并行算法研究
• 3.1 引言
• 3.2 控制方程及离散格式
• 3.2.1 控制方程
• 3.2.2 空间离散格式
• 3.2.3 时间离散
• 3.2.4 边界条件设置
• 3.3 并行算法设计
• 3.3.1 网格分区
• 3.3.2 并行环境
• 3.3.3 通讯算法
• 3.4 算例及结果分析
• 3.4.1 三维Riemann问题的验证
• 3.4.2 并行算法性能检测
• 3.4.3 带炮口制退器的膛口流场数值模拟
• 3.5 本章小结
• 4 非结构重叠网格（OUG）方法及其并行算法研究
• 4.1 引言
• 4.2 OUG方法体系
• 4.2.1 重叠网格方法的基本概念
• 4.2.2 重叠区域的建立和洞边界的形成
• 4.2.3 贡献单元判定算法
• 4.2.4 贡献单元搜索算法
• 4.2.5 插值方法
• 4.3 流场拓扑结构改变过程的处理
• 4.4 OUG并行算法设计
• 4.5 算例分析
• 4.5.1 7.62mm步枪理想发射过程数值模拟
• 4.5.2 不带炮口制退器的火炮发射过程数值模拟
• 4.5.3 带炮口制退器的火炮发射过程数值模拟
• 4.6 本章小结
• 5 炮口制退器设计计算方法研究
• 5.1 引言
• 5.2 概述
• 5.2.1 炮口制退器设计的意义及其主要内容
• 5.2.2 带炮口制退器流场的物理模型
• 5.2.3 现有的炮口制退器效率计算方法
• 5.2.4 当前对膛口流场形成机理和冲击波场分布的认识
• 5.2.5 当前炮口制退器设计面临的挑战
• 5.3 新的炮口制退器设计计算方法
• 5.3.1 炮口制退器效率计算方法
• 5.3.2 炮口冲击波场的计算
• 5.4 某炮口制退器效率及冲击波中远场计算
• 5.4.1 制退器对火药气体的引流作用
• 5.4.2 炮口制退器效率计算
• 5.4.3 炮口冲击波中远场计算和分析
• 5.5 滑膛炮的炮口制退器设计
• 5.5.1 炮口制退器的结构设计
• 5.5.2 炮口制退器的效率计算
• 5.5.3 带三种炮口制退器的膛口流场发展过程分析
• 5.6 本章小结
• 6 结束语
• 6.1 全文工作总结
• 6.2 本文创新点
• 6.3 进一步工作展望
• 参考文献
• 附录
• 致谢